Snimanje bubrežne mikrocirkulacije u ćelijskoj terapiji

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Katerina Apelt et

Cistanche stablo za bolest bubrega, kliknite ovdje da dobijete uzorak

sažetak:

Renalmikrovaskularna refakcija igra ključnu ulogu u progresivnombubregbolest. Stoga će modaliteti za vizualizaciju mikrocirkulacije bubrega povećati naše razumijevanje mehanizama bolesti i shodno tome mogu pružiti nove pristupe za evaluaciju ćelijske terapije. U ovom trenutku, međutim, kliničkoj praksi nedostaju neinvazivni, sigurni i efikasni modaliteti snimanja za praćenje mikrovaskularnih promjena bubrega tokom vremena kod pacijenata koji pate od bubrežne bolesti. Da bismo naglasili važnost, sumirali smo dosadašnja saznanja o bubrežnoj mikrocirkulaciji i raspravljali o učešću u progresivnoj bolesti bubrega. Štaviše, predstavljen je pregled dostupnih tehnika snimanja za otkrivanje mikrovaskularne morfologije, funkcije i ponašanja bubrega sa povezanim prednostima i ograničenjima. Konačno, potreba za procjenom i istraživanjem bubrežne bolesti na osnovu in vivo očitavanja sa rezolucijom do kapilarnog nivoa može donijeti promjenu paradigme za dijagnozu i terapiju u poljunefrologija.

Ključne riječi: bubreg; mikrocirkulacija; mikrovaskularnirazrjeđivanje; ćelijska terapija; imaging

1. Uvod

Bubrežna vaskulatura ima anatomski složenu arhitekturu, što odražava njenu jedinstvenu fiziološku funkciju [1]. Unatoč vrlo dinamičnoj adaptaciji mikrovaskularne mreže na hemodinamske promjene, vaskularna disfunkcija može biti posljedica ili čak uzrokbubregrazvoj i progresija bolesti [2,3]. U skladu s tim, mikrovaskularna disfunkcija može poslužiti kao rani znak fibrozne ozljede bubrega, što implicira da bi neinvazivna procjena i validacija bubrežne mikrovaskularne arhitekture i funkcije bila veliko poboljšanje za procjenu efikasnosti terapija usmjerenih na smanjenje renalne fibroze.

U kliničkoj praksi, težina kroničnebubregBolest (CKD) se klasificira na osnovu brzine glomerularne filtracije (GFR) koja se odražava blago (60-89 mL/min/1,73 m2), umjereno (30-59 mL/min/1,73 m2) ili ozbiljno (15-29 mL/ min/1,73 m2) smanjenabubregfunkcijana osnovu unapred definisanih kategorija [4]. Progresija bolesti u uznapredovalu CKD i završnu bubrežnu bolest (ESRD) definirana je pojavom glomeruloskleroze i tubulointersticijske fifibroze sa GFR manjim od 15 mL/min/1,73 m2. Nekoliko studija je pokazalo da je fenomen gubitka bubrežnih kapilara, tj. mikrovaskularna refakcija bubrega, u bliskoj korelaciji sa težinom bolesti bubrega i uključen je u biologiju naknadne progresije ka CKD [3,5–7]. Formiranje renalne fibroze je istaknuto kao centralna karakteristika takvog gubitka peritubularnih kapilara i gubitka bubrežnog epitela. Ako se mikrovaskulatura bubrega može zaštititi ili čak obnoviti, poboljšao bi se integritet bubrežnog strukturnog tkiva i mogla bi se spriječiti progresija bolesti [2,8]. Dodatno, terapijski prozor se potencijalno može definirati za procjenu ozbiljnosti ozljede prije nego što stepen oštećenja bubrega postane nepovratan. Konkretno, korištenje ćelijskih terapija kao što je obećavajuća primjena mezenhimalnih stromalnih stanica (MSC) može se procijeniti i poboljšati za liječenje bubrežnih vaskularnih bolesti. Međutim, detaljno razumijevanje mikrovaskularne refakcije bubrega još uvijek je otežano odsustvom modaliteta snimanja koji omogućavaju neinvazivno praćenje arhitekture i funkcionalnosti krvnih žila visoke rezolucije.

U ovom pregledu sumiramo dosadašnja znanja o mikrovaskulaturi bubrega i patološkim mehanizmima koji mogu utjecati na mikrocirkulaciju. Razgovaramo o važnosti pericita i pružamo uvid u njihovu središnju ulogu u izazivanju progresije bubrežne bolesti kroz mikrovaskularnu disfunkciju i razrjeđivanje, kao i razvojbubregfibroza. Nakon toga opisujemo nova dostignuća u tehnikama snimanja koje bi mogle pratiti takve promjene u bubrežnoj mikrocirkulaciji.

2. Bubrežna vaskulatura

2.1. Bubrežna cirkulacija krvi

Mikrovaskularna struktura ljudskog tijela sastoji se od arteriola, kapilara i venula i ostvaruje razmjenu kisika, hranjivih tvari i metabolita između krvi i okolnog tkiva [8,9]. Očigledno je da je vitalna funkcija mikrocirkulacije strogo regulirana na osnovu metaboličkih potreba organa. Glavna odgovornost arteriola je regulacija protoka krvi prilagođavanjem otpora kako bi se osiguralo da se vitalna razmjena na nivou kapilara može izvršiti [10]. U tom smislu, kontinuirana adaptacija na homeostatsku potražnju osnovnog tkiva uglavnom zavisi od dinamičke plastičnosti endotelnih ćelija. Istovremeno, endotelno zdravlje mikrocirkulacije se oslanja na blisku međućelijsku komunikaciju sa pericitima koji fizički stabilizuju krvne sudove, regulišu angiogenezu i kontrolišu protok krvi [11,12].

Bubreg je visoko vaskulariziran organ koji pokazuje jedinstvene morfološke i funkcionalne karakteristike koje odražavaju izuzetnu heterogenost njegove vaskularne mreže [1,10]. Krv ulazi u bubreg preko bubrežne arterije kroz hilum (slika 1), koji se dalje dijeli dihotomno u bubrežnoj zdjelici na segmentne arterije i grana se progresivno na nivou male čašice u interlobarne arterije koje se protežu između bubrežnih piramida [1,13]. ]. Na granici između korteksa i medule, interlobarne arterije se ulijevaju u lučne arterije, formirajući anatomski razmak između oba bubrežna odjeljka [1]. U korteksu, interlobularne arterije, također poznate kao kortikalne zračne arterije ili kortikalne penetrirajuće arteriole, izviru okomito iz lučnih arterija i divergiraju u aferentne arteriole kako bi opskrbile različite grane glomerularnog stabla. Ovisno o lokaciji glomerula, filtrirana krv se spaja u kortikalni kapilarni pleksus koji okružuje proksimalne i distalne tubule ili medularni kapilarni pleksus na nivou Henleove petlje. Konačno, krv se odvodi u venski sistem koji teče paralelno sa arterijskom mrežom izlazeći iz bubrega preko interlobularne, lučne, interlobarne, segmentne i na kraju bubrežne vene odmah iznad uretera. Uopšteno govoreći, ovaj osnovni vaskularni obrazac je očuvan kod sisara [14,15].

2.2. Kapilarna mreža bubrega

Složenost arhitekture mikrovaskulature bubrega ogleda se u raznolikoj morfologiji različitih bubrežnih krvnih sudova (slika 2). Strukturna i funkcionalna heterogenost bubrežnog endotela i perivaskularnih ćelija koje ih okružuju usko idu ruku pod ruku sa tipom kapilarne mreže [15–17]. U stvari, prisustvo različitih kapilarnih ležišta je izuzetna karakteristika koja osigurava filtraciju kroz glomerularnu kapilarnu mrežu, kao i sekreciju i reapsorpciju preko peritubularne kapilarne mreže i medularne kapilarne mreže [1,13,14]. Kortikalna mikrocirkulacija uglavnom osigurava reapsorpciju glomerularnog filtrata, dok je izlučivanje soli i vode pretežno regulirano medularnim mikrovaskularnim kompartmentom [14]. Zanimljivo je da, iako medula čini oko 30 posto ukupne mase bubrežnog tkiva, samo 10 posto ukupnog bubrežnog krvotoka (RBF) čini ovaj dio [10]. Na osnovu anatomskog položaja, bubrežna mikrocirkulacija se može podijeliti na (i) kortikalnu mikrocirkulaciju; i (ii) medularna mikrocirkulacija [13,14].

Kortikalna mikrocirkulacija je fizički odvojena lučnim arterijama koje stvaraju interlobularne arterije koje se dalje granaju s obje strane u nekoliko aferentnih arteriola kako bi opskrbile glomerularnu kapilarnu mrežu [14]. Grananje se događa pod različitim kutom ovisno o lokaciji glomerula unutar korteksa. Preko aferentne arteriole, glomerularna kapilarna mreža koja se sastoji od 6-8 kapilarnih petlji opskrbljuje se krvlju koja nakon filtriranja izlazi preko eferentne arteriole [10]. Glomerularne kapilare (slika 2a) su formirane od tankog, kontinuiranog i uglavnom ravnog fenestriranog endotela koji je prekriven podocitima. Fenestrirana područja mogu zauzeti do 20-50 posto njihove cjelokupne ćelijske površine [16]. Kortikalni glomeruli čine 90 posto svih glomerula prisutnih u bubregu, pa stoga nije iznenađujuće da većina RBF-a pretežno protiče kroz [13]. Preostalih 10 posto svih glomerula nalazi se na kortiko-medularnoj granici i veće su veličine. Osim razlika u veličini glomerula, strukturne razlike aferentnih i eferentnih arteriola koje opskrbljuju kortikalne i jukstamedularne glomerule mogu se objasniti značajem očuvanja kapilarnog tlaka.

Da bi se osigurala pravilna filtracija krvi, razlika u prečniku između kortikalne aferentne (slika 2b) i kortikalne eferentne (slika 2c) arteriola je 15 µm naspram 10 µm [13]. Krvni pritisak se reguliše na strani aferentnih arteriola putem promjena otpora koji objašnjavaju kontinuirani endotel koji je obavijen glatkim mišićnim ćelijama (SMC) [18]. Pažljiviji pregled aferentne arteriole otkriva prisustvo dva vaskularna segmenta, a ne jednolikog endotela duž cele dužine krvnog suda, kao što se obično susreće. Proksimalni dio aferentne arteriole sastoji se od nepropusnog endotela sa čvrsto raspoređenim SMC-ovima, koji su potrebni za kontrakciju krvnih žila. Za razliku od distalnog dijela, koji je usko lociran glomerulu i sastoji se od propusnog endotela zbog prisustva fenestracije. Zanimljivo je da je ova fenestracija prilično neuobičajena karakteristika kod krvnih žila s visokim intravaskularnim pritiskom. Osim toga, periciti u obliku kocke koji proizvode renin obavijaju distalni dio aferentne arteriole kako bi posredovali u regulaciji lokalnog krvnog tlaka u glomerulu [17,19].

Filtrirana krv izlazi iz svakog od kortikalnih glomerula preko eferentne arteriole kako bi se spojila u gusti kortikalni kapilarni pleksus koji okružuje bubrežne tubule [10]. Osim glomerularnog kapilarnog sistema, ovaj drugi kapilarni odjeljak poznat je kao peritubularni kapilarni sistem [16]. Peritubularne kapilare (slika 2d) su fenestrirane i tankih zidova prosječnog prečnika od približno 7 µm [13,15]. Te kapilare daju kiseonik i hranljive materije u tubule koji se nalaze u bubrežnom korteksu, ali ne nužno u onaj iz kojeg potiču [10,15]. Peritubularne kapilare pokazuju kontinuiraniji endotel, kao i manji prečnik u odnosu na medularne kapilare vasa recta [13,16]. Kod bubrežne bolesti, glomerularna ozljeda će konačno utjecati na nizvodne sekvencijalno raspoređene peritubularne kapilare i na taj način ubrzati progresiju bubrežne bolesti [10,20].

Jukstamedularna aferentna arteriola (slika 2e) ima približni prečnik od 20 µm, dok jukstamedularna eferentna arteriola (slika 2f) ima deblji unutrašnji prečnik od 20-25 µm [13]. Eferentna arteriola koja izlazi iz jukstamedularnog glomerula je jako okružena s nekoliko SMC. Ova primjetna razlika u promjeru krvnih žila, kao i povećana muskularizacija, pokreću debatu o uključenosti ovog tipa glomerula u ishemiju. Čini se da je renalna vaskularna arhitektura organizirana na određeni način da sačuva medulu od ishemijskog oštećenja. Postoji hipoteza da aferentne i eferentne arteriole jukstamedularnih glomerula možda nisu odgovorne za regulaciju medularnog krvotoka (MBF), ali bi to također bilo u potencijalnoj suprotnosti s njihovom ulogom u kontroli brzine glomerularne filtracije [21]. Umjesto toga, čini se da je descendentna vasa recta (DVR) vaskularnih snopova smještenih u unutrašnjoj traci vanjske moždine odgovorna za kontrolu MBF-a, što može objasniti veliki broj pericita koji obavija ovaj odjeljak krvnih žila. Stoga DVR igra ključnu ulogu u dugoročnoj regulaciji arterijskog pritiska [13]. Eferentne arteriole povezane sa jukstamedularnim glomerulima teku kroz vaskularne snopove, koji se nalaze u unutrašnjoj traci vanjske moždine, pretvaraju se u DVR. DVR stvara medularnu kapilarnu mrežu koja je povezana sa ascendentnom vasa recta (AVR) [1].

Medularna mikrocirkulacija počinje kada eferentne arteriole koje potiču iz jukstamedularnih glomerula uđu dublje u tkivo kako bi opskrbile preostalih 30 posto bubrežnog tkiva poznatog kao medula [13,14]. Medula jedne bubrežne piramide anatomski je podijeljena na dva dijela: vanjsku srž smještenu odmah ispod korteksa, a zatim unutrašnju moždinu koja se širi do vrha parenhima, zvanu papila. Općenito, broj medularnih kapilara raste od vrha bubrežne piramide. Pažljivije promatranje ukazuje da se vanjska medula može dalje podijeliti na vanjsku traku i visoko vaskulariziranu unutarnju traku koja sadrži gusti kapilarni pleksus i pleksus među snopovima [15]. Kapilare među snopovima karakterizira fenestrirani endotel i povezane su sa lučnom venom [14,22].

Svaka jukstamedularna eferentna arteriola dijeli se na nekoliko snopova, poznatih kao vaskularni snopovi, kako bi se formirale grane DVR (Slika 2g) koje imaju veći promjer u odnosu na peritubularne kapilare korteksa [15,23]. Nekoliko pericita je vezano za endotel DVR vaskularnih snopova [17]. Zanimljivo je da se broj pericita koji obavijaju krvne sudove smanjuje u DVR (Slika 2h) unutrašnje moždine [15,17]. Ovakav morfološki raspored DVR-a u vanjskom i unutrašnjem odjeljku medule odražava njegovu dvostruku funkciju [10]. Da elaboriramo, vazokonstrikcija DVR se uglavnom javlja u proksimalnom dijelu, koji se nalazi u vanjskoj meduli [15]. U distalnom dijelu, odnosno unutrašnjoj meduli, međutim, odvija se uglavnom razmjena elektrolita. Ova anatomska razlika direktno implicira različitu subpopulaciju pericita u smislu morfološkog izgleda i funkcionalnog svojstva [15,17].

Duboko unutar unutrašnje moždine, različite grane DVR-a se cijepaju u složenu kapilarnu mrežu prije nego što se povežu sa značajno manjim AVR-om [10]. Endotel DVR je kontinuiran, za razliku od endotelnih ćelija AVR (Slika 2i), koje su visoko fenestrirane. Na kraju se sva krv sakuplja iz AVR-a, kao i peritubularnih kapilara kortikalnog kapilarnog pleksusa u venski sistem. Općenito, bubrežne vene imaju izuzetno tanak vaskularni zid, a interlobularne, lučne i interlobarne vene su fenestrirane i sadrže dijafragme. Iznenađujuće, interlobularne vene općenito pokazuju veće sličnosti s peritubularnim kapilarama nego s venama zbog tankog i visoko fenestriranog epitela.

Različiti bubrežni mikrovaskularni segmenti i njihov elegantan morfološki izgled na ćelijskom nivou izazivaju sumnju da je postojeća složenost prevedena u još složeniji mehanizam bolesti. Stoga se sljedeći odjeljak fokusira na osnovne procese uključene u bubrežne mikrovaskularne kvarove.

3. Mikrovaskularni poremećaji bubrega

3.1. Endotelna disfunkcija

Endotel bubrega je uglavnom miran u fiziološkim uslovima; međutim, kao odgovor na mikrookolišne promjene, tj. stres smicanja, hipoksiju, oksidativni stres ili upalu, dolazi do aktivacije endotelnih stanica i stvaraju se angiogeni faktori rasta [24]. Ovisno o okidaču, aktivacija endotelnih stanica može inducirati pro-upalni i protrombotički fenotip koji promovira adheziju imunoloških stanica i infiltraciju za stvaranje mikrotromba. Međutim, da bi se održala vaskularna barijera za prikladnu ogromnu regulatornu funkciju i propusnost za transport otopljene tvari, bitno je strogo regulirati metaboličko stanje mirnih, kao i aktiviranih endotelnih stanica.

Integritet tkiva i funkcija organa uglavnom zavise od odgovarajuće perfuzije mikrovaskularne mreže [8]. Stoga nije iznenađujuće da endotelne stanice pokazuju visoku plastičnost kako bi se osigurala dinamička adaptacija na promjene okoline prilagođavanjem broja kapilara, morfološkog oblika i funkcije [1,2,8]. Međutim, produženi period povišenog krvnog tlaka uzrokuje nepovratne promjene u mikrocirkulaciji, dovodeći do povrijeđenih endotelnih stanica koje karakteriziraju poremećena svojstva adaptacije. Ova poremećena homeostaza se odražava smanjenjem azotnog oksida (NO), faktora induciranog hipoksijom-1 (HIF-1) i faktora rasta vaskularnog endotela (VEGF), zajedno sa povećanjem drugih faktora kao što su kao angiostatin, endostatin i trombospondin [1]. Značajno je da je osjetljivost na endotelnu disfunkciju u bubrezima raznolika i ovisi o tipu endotelnih stanica koje se nalaze unutar različitih odjeljaka bubrežne mikrocirkulacije [16,24]. Kako bi razjasnili heterogene fenotipove endotelnih stanica bubrega i njihov različit odgovor na mikrovaskularne promjene, Dumas et al. [25] je nedavno dao atlas endotela bubrega visoke rezolucije koristeći jednoćelijsko sekvenciranje RNK.

Endotelna disfunkcija se često javlja zajedno s akutnim i progresivnim padom funkcije bubrega [24]. Ovaj kvar uzrokuje povećani vaskularni otpor, koji je praćen smanjenjem RBF [26]. Produženi period vazokonstrikcije uzrokuje neadekvatnu perfuziju tkiva i aktivaciju faktora stresa i rasta što dovodi do morfoloških promjena [1]. U zavisnosti od težine, a posebno trajanja bilo koje date ozljede, RBF se može nepovratno promijeniti uvođenjem strukturnih promjena u mikrocirkulaciju. Te morfološke promjene uzrokovane su procesom poznatim kao mikrovaskularno remodeliranje. Mikrovaskularno remodeliranje se definira kao odgovor na funkcionalne promjene mikrovaskularne strukture, koje posljedično mogu uzrokovati promjenu mikrovaskularne arhitekture na strukturnom nivou u posljednjem pokušaju postizanja hemodinamske homeostaze [1,2,8]. Konačno, endotelna disfunkcija može rezultirati fenomenom koji se naziva 'no-reflow', pri čemu se perfuzija ne može obnoviti, što na kraju dovodi do oštećenja tubularnih epitelnih stanica koje rezultira akutnom ozljedom bubrega (AKI) [24].

Od velike je važnosti naglasiti da endotelna disfunkcija nije povezana samo s bubrežnom bolešću, već i aktivno pokreće progresiju bolesti [24]. Mikrovaskularni poremećaj bubrega odražava se endotelnom disfunkcijom izazvanom ozljedom stanica, što remeti blisku interakciju pericita sa endotelnim slojem i otežava staničnu komunikaciju.

3.2. Uključenost pericita u bubrežnu neispravnost

Centralna karakteristika CKD je progresivni gubitak peritubularne kapilarne mreže, proces koji se naziva razrjeđivanje [27]. Tubulointersticijskoj fifibrozi, kao i oštećenom tubularnom epitelu, prethodi ova kapilarna refakcija u bubregu [27], dok je ovo mikrovaskularno razrjeđivanje u direktnoj korelaciji sa težinom fifibroze [28,29]. Štaviše, utvrđeno je da stepen razrjeđivanja predviđa stepen intersticijalnog oštećenja, kao i promjene u brzini glomerularne filtracije kod pacijenata sa CKD [28]. Ovi nalazi upućuju na ranu ulogu koja ograničava brzinu mikrovaskularne destabilizacije/gubljenja u razvoju CKD i patogenezi fibroze [30]. Hronična aktivacija endotelnih ćelija kardiovaskularnim faktorima rizika može izazvati gubitak pericita koji igraju ključnu ulogu u stabilizaciji i proliferaciji kapilara putem interakcija sa endotelnim ćelijama [31]. Zaista, prikupljanje dokaza ukazuje na važnost pericita i njihovu uključenost u bubrežno mikrovaskularno zdravlje [17].

Periciti su perivaskularne muralne ćelije sa izduženim procesima koji pokrivaju endotel koji su ugrađeni u bazalnu membranu kapilara [32]. One su ćelije mezenhimalnog porijekla i nastaju iz Forkhead box D1 (FoxD1) plus stromalne progenitorske populacije, koje također stvaraju druge muralne ćelije bubrežne vaskulature uključujući SMC, rezidentne fibroblaste, ćelije renina i mezangijalne ćelije [33], dok sve endotelne ćelije bubrežne vaskulature potiču od leukemije matičnih ćelija (SCL) plus progenitori [34]. Periciti se razlikuju od rezidentnih (perivaskularnih) fibroblasta jer su ugrađeni u vaskularnu bazalnu membranu, ali većina studija na bubrezima ne pravi razliku između pericita i perivaskularnih fibroblasta [31,35], vjerovatno zbog nedostatka specifičnih markera. Markeri koji se obično koriste za identifikaciju pericita uključuju receptor faktora rasta koji potiče od trombocita (PDGFR), hondroitin sulfat proteoglikan NG2, -aktin glatkih mišića (SMA), klaster diferencijacije 73 (CD73) i PDGFR, ali ovi markeri identifikuju različite ( preklapanje) podskupovi pericita lokalizovanih u različitim anatomskim regionima, što odražava heterogenost ove ćelijske populacije [17] i najverovatnije i funkcionalnu heterogenost. Periciti čvrsto reguliraju vaskularni razvoj, stabilizaciju, sazrijevanje i remodeliranje [11] i kontroliraju protok krvi vazokonstrikcijom. Periciti su funkcionalno regulisani vazokonstriktivnim faktorima kao što su angiotenzin II i adenozin trifosfat (ATP), kao i vazodilatatornim faktorima kao što su NO i prostaglandini [17]. Sazrijevanje krvnih žila ovisi o uključivanju perivaskularnih stanica za stabilizaciju vaskulature i kontrolu krvnog tlaka [12].

U bubregu, periciti obavijaju distalne dijelove aferentnih arteriola kortikalnih glomerula i uglavnom su prisutni u peritubularnim kapilarama i vasa recta [13,19]. Osim toga, mezangijalne ćelije su (specijalizirana) podskupina bubrežnih pericita koji su važni u održavanju strukturne podrške za glomerularne kapilare i regulaciji glomerularne hemodinamike. Nadalje, kontraktilni jukstaglomerularni periciti koji se nalaze na arteriolama posreduju lokalni glomerularni krvni tlak i utiču na sistemski krvni tlak kroz sekreciju renina [19]. Zanimljivo je da su stanice prekursora renina koje su izvedene iz stromalnog odjeljka prostorno-vremenski povezane s razvojem krvnih žila, dok se pokazalo da formiranju arterijske grane prethodi pojava stanica koje eksprimiraju renin na mjestu grananja [33,36]. Osim toga, korištenjem transgenih renin reporter zebrafish, pokazano je da stanice koje eksprimiraju renin prethode angiogenim klicama [37]. U bubrezima odraslih miševa, ćelije porijekla iz renina također su uočene na perivaskularnim lokacijama i obojene pericitnim markerima (PDGFR/NG2) [38], što ukazuje na moguću važnu ulogu ove podskupine u održavanju krvnih žila.

3.3. Signalne interakcije endotelnih ćelija i pericita

Periciti stupaju u interakciju s endotelnim stanicama kroz mnoštvo recipročnih interakcija koje reguliraju signalne puteve potrebne za stabilizaciju i angiogeno klijanje. Pericitni signal endotelu preko sekretiranih faktora kao što su VEGF, PDGF, transformirajući faktor rasta- (TGF-) i angiopoetin-1 (Ang-1), kao i direktnim preslušavanjem endotela i pericita [39 ]. Slično, endotel signalizira okolnim stromalnim ćelijama koristeći faktore kao što su angiopoetin-2 (Ang-2) ​​i PDGF. Ang-2 negativno interferira sa Ang{{10}posredovanom Tie-2 signalizacijom, što rezultira prekidom interakcije pericit-endotelnih ćelija i naknadnom destabilizacijom krvnih žila i abnormalnim mikrovaskularnim remodeliranjem [40,41]. Kritična važnost interakcije između perivaskularnih stromalnih stanica i endotelnih stanica u održavanju kapilarne mreže također je dokazana studijama na miševima, koje pokazuju da, kada je ulaganje pericita otežano, kapilarna mreža se destabilizira i dolazi do razrjeđivanja [42]. Na primjer, hiperglikemija povećava ekspresiju endotela Ang-2 uzrokujući da perivaskularne stromalne ćelije migriraju iz kapilara [43]. Nedavne studije iz naše laboratorije pokazale su da i kod štakora [44] i kod bubrega donora [45] ishemijsko-reperfuzijska povreda dovodi do brzog podizanja ravnoteže Ang{20}}/Ang{21}}, što je povezano sa gubitkom mikrovaskularnog integriteta. Štaviše, kod pacijenata sa dijabetesom, u roku od 12 mjeseci nakon istovremene transplantacije bubrega i gušterače uočeno je preokretanje zdravlja kapilara i smanjenje omjera Ang-2/Ang-1 i rastvorljivog trombomodulina (marker oštećenja endotelnih ćelija) [46]. ]. Pored angiopoetin/Tie2 puteva [47], endotelno-pericitno preslušavanje je regulisano signalnim putevima TGF superfamilije [48], VEGF [49] i sfingozin-1-fosfat (S1P) signalnim putevima [50].

3.4. Periciti kao prekursor miofibroblasta

Modeli praćenja genetskih linija miševa su pokazali da su periciti (i druge perivaskularne ćelije) glavni izvor -SMA pozitivnih miofibroblasta u mišjim modelima renalne fifibroze [51,52]. Zapravo, nedavna elegantna studija koja je uključivala jednoćelijsko RNA-sekvenciranje istakla je tri glavna izvora miofibroblasta u ljudskim bubrezima: (i) NOTCH3 plus RGS5 plus PDGFR − periciti; (ii) MEG3 plus PDGFR plus fibroblasti; i (iii) COLEC11 plus CXCL12 plus fibroblasti [53]. Tokom diferencijacije pericita u miofibroblast, uočene su promjene ćelijskog ciklusa koje su u skladu s diferencijacijom i ekspanzijom, a obogaćeni putevi su uključivali kanonsku WNT i signalizaciju proteina aktivatora-1 (AP-1), kao i aktiviranje transkripcije faktor 2 (ATF2), PDGFR, integrin, interakcija receptora ekstracelularnog matriksa (ECM) i TGF-signalni putevi [53]. Ranije je pokazano da se mali dio PDGFR plus stanične populacije sastoji od perivaskularnih Gli1 plus progenitora koji obilježavaju perivaskularnu ćelijsku populaciju sličnu MSC-u za koju je pokazano da također ključni doprinosi fibrozi organa uzrokovanoj ozljedom putem stvaranja miofibroblasta [54] . Štaviše, pokazalo se da onkogenski homolog 1 povezan sa gliomom (Gli1) plus gubitak pericita izaziva razrjeđivanje kapilara i proksimalne tubularne ozljede [55]. Treba napomenuti da su periciti prethodno bili povezani i blisko povezani sa MSC [56], ovo takođe postavlja pitanje da li podskup pericita može biti MSC, i kao takav doprinositi regeneraciji bubrega. U stvari, mnoge studije su otkrile multipotentnu ulogu pericita nalik progenitorima u različitim tkivima [35,57,58].

Uzeto zajedno, mikrovaskularna refakcija direktno doprinosi skupu miofibroblasta koji su odgovorni za prekomerno stvaranje ECM proteina koji su glavni sastojak ožiljnog tkiva u fibrozi. Osim toga, prijelaz pericita u miofibroblast uzrokuje odvajanje pericita od vaskularnog zida, što dovodi do nestabilnih kapilara što bi samo po sebi uzrokovalo razrjeđivanje [52]. Ipak, glavni utjecaj razrjeđivanja na patogenezu kronične bubrežne insuficijencije uzrokovan je gubitkom bubrežne perfuzije koji dodatno pogoršava medularnu ishemiju i pokreće razvoj intersticijske fifibroze, što je posredovano povećanom ekspresijom TGF-a i faktora rasta vezivnog tkiva. (CTGF) [59]. Dakle, mikrovaskularno razrjeđivanje može dobro funkcionirati kao profibrotički prekidač koji ograničava brzinu u patogenezi kroničnog zatajenja bubrega. Zaista, terapije usmjerene na interakciju endotelna stanica-pericit, na primjer, usmjerene na signalizaciju PDGFR- ili VEGF receptora, mogle bi spriječiti tranziciju miofibroblasta i ograničiti razvoj fibroze [60-62], ilustrirajući ključnu ulogu kapilarne mreže u ozljedi bubrega i kao potencijalni terapeutski cilj.

Na osnovu gore navedenog, jasno je da složena vaskularna arhitektura bubrega stvara više perivaskularnih odjeljaka, od kojih svaki ima svoje specifične funkcije i zahtjeve. Stoga su potrebna buduća istraživanja koja se fokusiraju na dubinsku klasifikaciju bubrežnih pericita karakterizacijom subpopulacija na osnovu njihove lokacije, morfologije ćelije i funkcije. Kao takvi, novi modaliteti snimanja koji imaju za cilj da dobiju pristup malim krvnim sudovima neinvazivno mogu pružiti ove bitne informacije. Kao što je prikazano u polju neurobiologije [12], dobro definirana kategorizacija različitih podtipova pericita mogla bi pružiti nove puteve za razvoj ciljane terapije za vaskularni poremećaj.

4. Modaliteti vaskularne slike

Različite bolesti bubrega odražavaju karakterističan obrazac ultrastrukturnih promjena. Kao rezultat tehnološkog napretka u području biomedicinskog snimanja, fiziološki i patofiziološki mehanizmi bubrega su razotkriveni u posljednjih nekoliko decenija [63]. Fokusirajući se na anatomske i morfološke promjene arhitekture tkiva, naše znanje o bubrežnoj bolesti se progresivno širilo što je poboljšalo dijagnostiku i pružilo inovativne mogućnosti liječenja. Međutim, dinamičke promjene krvnih žila uglavnom su zanemarene zbog izazova da se istraži vaskularno ponašanje u eksperimentima s vremenskim serijama. Kao rezultat toga, postoji nezadovoljena medicinska potreba za razvojem neinvazivnih tehnika snimanja za praćenje hemodinamike bubrežne mikrocirkulacije [16].

Također bi bilo zanimljivo povezati rezultate snimanja sa (novim) biomarkerima u polju vaskularne nefrologije. Na primjer, pokazali smo da su nekodirajuće RNK usko povezane sa vaskularnim ozljedama [64,65]. Kombinovanje ovih mjerenja može dati nove (uzročne) veze i nove mogućnosti za dijagnozu. Štaviše, kada su novi modaliteti snimanja povezani sa nedavnim razvojem tehnika zasnovanih na jednoj ćeliji kao što je sekvenciranje jednoćelijske RNK i prostorna transkriptomika [53,66,67], to bi moglo omogućiti neviđenu dubinsku analizu sastava i dinamike. bubrežne vaskulature. Sljedeći odjeljci sumiraju već dostupne ex vivo i in vivo modalitete snimanja za istraživanje morfoloških i funkcionalnih aspekata mikrovaskulature bubrega.

4.1. Ex Vivo

Dosta našeg znanja o mikrovaskulaturi bubrega izvedeno je iz sveobuhvatne ex vivo analize biopsija tkiva. U skladu s tim, ćelijska terapija se često procjenjuje sečenjem tkiva i bojenjem. Iako postoje mnoge studije koje istražuju terapeutski učinak MSC-a na bubrežnu vaskulaturu [68], nekoliko istraživačkih grupa je iskoristilo prednosti sofisticiranih modaliteta snimanja, kao što je mikrokompjuterska tomografija (mikro-CT), za procjenu terapije MSC-om ispitivanjem 3D arhitekture. bubrežne vaskulature [69–74].

4.1.1. Mikro-kompjuterska tomografija (Mikro-CT)

Uvođenje mikrokompjuterske tomografije (mikro-CT) od strane Flannery et al. [75] je 1987. godine otvorio nove puteve za proučavanje intaktne vaskulature glodara kako bi se steklo znanje o mehanizmima bolesti sa visokom prostornom rezolucijom. Ovaj ex vivo modalitet omogućio je vizualizaciju mikrovaskularne arhitekture bubrega i kvantifikaciju glomerularnog broja, prostorne distribucije i zapremine, što se može koristiti kao indikator patofiziološkog stanja cijelog organa [76]. Rezolucija u jednom 3D vidnom polju sa 10.243 voksela omogućila je vizualizaciju aferentnih i eferentnih arteriola, kao i glomerularnih kapilara bubrega glodara. Kod štakora je korištena rekonstituirana veličina voksela od 21 µm [77], a kod svinja je proučavana bubrežna vaskulatura s veličinom voksela od 40 µm i vidnim poljem skeniranja od 1,2 mm [78]. Napredak u polju mikro-CT omogućio je snimanje krvnih sudova nefrona pacova sa rezolucijom voksela od 1 µm unutar vidnog polja skeniranja od 2 mm [79].

Na osnovu tehnike kvantifikacije koju su razvili Hillman et al. [80] korištenjem konvencionalne CT, arhitektura krvnih žila i vaskularni volumen unutar različitih odjeljaka bubrežnog tkiva određeni su u skladu sa sličnim studijama, koje su procjenjivale bubrežne sudove na osnovu histoloških presjeka tkiva [77]. Zanimljivo, primjenom modaliteta snimanja kao što je mikro-CT, povećan je značaj istraživanja peritubularnih kapilara i njihove uključenosti u patološka stanja pored konvencionalnog načina razmišljanja o ulozi glomerularne kapilarne mreže.

Rane strukturne promjene mikrovaskulature mogu se vizualizirati i detektirati mikro-CT-om, te stoga nije iznenađujuće da je mikro-CT-om identificirano nekoliko molekularnih mehanizama na vaskularnom nivou koji su uključeni u bolest bubrega. U različitim modelima bubrežne bolesti, kao što je policistična bolest bubrega (PKD), opisana je korelacija između patologije i smanjene mikrovaskulature kako je utvrđeno mikro-CT s rezolucijom od 17 µm veličine voksela [81]. Štaviše, povećana kortikalna mikrovaskularna gustina uočena je kod hiperholesterolemije kao rani znak progresivnog morfološkog oštećenja bubrega [78]. Kod štakora sa hroničnom ligacijom žučnih kanala, mikro-CT je detektovala hipoperfuziju korteksa, što može objasniti poremećaj zadržavanja soli i vode sa daljim napredovanjem bolesti [82]. Osim toga, u stenoziranim bubrezima, povećani oksidativni stres je bio povezan s bubrežnim mikrovaskularnim remodeliranjem, a mogućnosti liječenja su predložene kroz kroničnu antioksidativnu intervenciju [83].

Glavna prednost mikro-CT-a je da se aksijalna, kao i radijalna geometrija vaskularnih sistema, mogu definisati [84]. Osim vizualizacije renalne vaskularne arhitekture u 3D, može se procijeniti prostorna gustina mikrožila [78,83], gustina i veličina krvnih žila mogu se odrediti s promjerom do 80 µm u različitim anatomskim bubrežnim odjeljcima [77,78,83,85 ], a može se uočiti i zakrivljenost krvnih žila [83]. Štaviše, vaskularni kapilarni volumen glomerula, kao i peritubularne kapilare mogu se razlikovati i kvantificirati unutar korteksa [82].

Standardizirani kvantifikacijski protokol se naširoko koristi za istraživanje mikrovaskularnih promjena unutar dobro definiranih kortikalnih i medularnih odjeljaka na strukturnom nivou kako bi se odredila vaskularna gustoća i promjer [77,82]. Ngo et al. [84] su izvršili uporednu studiju mikro-CT i svjetlosne mikroskopije i zaključili da je kvantifikacija geometrije renalne vaskulature dobivene mikro-CT-om izvodljiva i precizna tehnika. Jedina dodatna vrijednost svjetlosnog mikroskopskog snimanja u odnosu na mikro-CT je to što omogućava razlikovanje arterija i vena kroz mogućnost vizualizacije vaskularnog zida. Međutim, primjenom mikro-CT, arterije od 100 i 60 µm u prečniku štakora i zečeva, respektivno, mogu se vizualizirati u 3D. Međutim, male krvne žile manje od 10 µm ne mogu se pravilno identificirati mikro-CT-om, što potiče potrebu da se vratimo na imunohistohemiju kako bi se uhvatile čak i najmanje bubrežne kapilare [85].

4.1.2. Fluorescentna mikroskopija sa svjetlosnim listovima (LSFM)

Sa uvođenjem svjetlosne fluorescentne mikroskopije (LSFM), danas se može postići snimanje velikih količina u visokoj rezoluciji u razumnom vremenu [86,87]. Zahvaljujući dostupnosti LSFM-a, interes je pomjeren sa rutinski primijenjenih konvencionalnih histoloških tehnika koje uključuju sečenje tkiva, nakon čega slijedi bojenje mikrovaskulature, na snimanje tkiva u cjelini. Volumetrijska analiza je povoljna jer se ne ispituje samo odabrani dio tkiva, već se u 3D prikazu zadržava dinamički karakter arhitekture i ponašanja krvnih žila.

Da bi se zadržale 3D informacije, biološki uzorak se čini transparentnim putem različitih protokola za čišćenje optičkog tkiva (OTC) kako bi se minimiziralo raspršivanje svjetlosti i apsorpcija svjetlosti za daljnje FL fluorescentno bojenje [87]. Posljednjih godina OTC metode su postale popularne jer 3D snimanje pruža mogućnost proučavanja intaktnih organa koje su bile moguće zahvaljujući modernom napretku LSFM. Konstrukcija intaktnog organa ili čak cijele životinje sa rezolucijom na ćelijskom nivou u 3D može se postići za nekoliko minuta [88]. Sa rezolucijom uporedivom sa konfokalnom FL fluorescentnom mikroskopijom, LSFM, međutim, ima dva reda veličine bolji omjer signal-šum, dramatično smanjuje izbjeljivanje FL fluorofora i fototoksičnost, omogućavajući obradu slike velikih razmjera potrebnu za OTC [89]. Dodatne prednosti su što su snimljeni broj kadrova i brzina snimanja veći, dok je ukupno trajanje slike mnogo kraće.

Od uvođenja LSFM-a, nekoliko OTC protokola je poboljšano i rafinirano za različite uzorke tkiva i organe izvedene iz nekoliko vrsta. Posljednjih godina, netoksično čišćenje na bazi rastvarača etil cinamatom (ECi) se široko primjenjuje na pročišćavanje mišjih bubrega [88,90,91]. Ovaj protokol oduzima manje vremena, kao na primjer pionirski protokoli CLARITY (jasna lipidna razmjena akrilamid-hibridizirana kruta slika), CUBIC (jasna, neometana slika mozga/tijela i kompjuterska analiza) i/ili DISCO (trodimenzionalno snimanje organe koji se čiste rastvaračem), a ipak nudi relativno razumno čišćenje bubrega sa malom količinom preostale autofluorescencije. Izvanredan posao su obavili Ertürk i kolege [92], koji su uspješno očistili cijeli ljudski bubreg novim pristupom permeabilizacije tkiva pod nazivom SHANEL (efikasno čišćenje i obilježavanje ljudskih organa posredovano malim micelama). Utvrđeno je da zona korteksa ima dimenzije oko 2742 ± 665 mm (srednja ± SD) koja sadrži glomerularne kapilare prečnika 221 ± 37 mm, a aferentna arteriola ima prečnik 71 ± 28 mm. Štaviše, visoko sofisticirani okvir zasnovan na dubokom učenju za kvantifikaciju neuronske vaskulature nakon OTC-a, nazvan VesSAP (vessel segmentation & analysis pipeline), razvijen je u polju neuronauke [93].

Unatoč činjenici da je posljednjih godina postignut veliki napredak u području OTC-a, još uvijek postoje neki nedostaci jer ekspresija endogenih FL fluorofora uglavnom nije na zadovoljavajući način očuvana što ograničava upotrebu transgenih životinja. Međutim, glavna zabrinutost je da su morfološka veličina tkiva i posljedično vaskulature promijenjena jakim otapalima potrebnim za OTC. Osim toga, ogromna količina podataka koje proizvodi LSFM ostaje izazov, ne samo za pravilno skladištenje i rukovanje podacima već i za kvantitativnu analizu [87].

Ukratko, jedna važna prednost primjene tehnika kao što su mikro-CT ili SFM je da se prostorna distribucija krvnih žila može uhvatiti i strukturno razrjeđivanje vaskularne mreže identificirati s odgovarajućom rezolucijom za snimanje gotovo svih bubrežnih kapilarnih struktura. Međutim, obje tehnike zahtijevaju fiksaciju i stoga se mogu izvoditi samo ex vivo. Za praćenje morfoloških i funkcionalnih promjena mikrovaskulature bubrega, poželjne su strategije in vivo vremenskog snimanja.

4.2. In Vivo

Primjena in vivo modaliteta snimanja pružila bi priliku da se procijeni ćelijska terapija u realnom vremenu i potvrditi mogući terapijski efekti na vaskularnom nivou. Kao posljedica toga, napredak u polju biomedicinskog snimanja in vivo je nužan za proučavanje efekata zasnovanih na MSC-u na bubrežnu vaskulaturu. Samo je šaka puna studija primenila in vivo snimanje za ispitivanje delovanja MSC, koristeći multifotonsku mikroskopiju (MPM) [94], CT [95,96] i magnetnu rezonancu (MRI) [95–97].

4.2.1. Multifotonska mikroskopija (MPM)

Multifotonska mikroskopija (MPM) zavisi od istovremene apsorpcije dva ili više fotona samo unutar fokalne ravni, koja je postala dostupna 1995. godine [98]. Dinamički procesi se mogu vizualizirati in vivo na ćelijskom nivou, a osim proučavanja bubrežnog vaskularnog krvotoka [63], MPM nudi mogućnost praćenja različitih mikrovaskularnih segmenata bubrega u realnom vremenu. Visoka rezolucija omogućava vizualizaciju aferentnih i eferentnih arteriola i glomerularnih kapilara. Iako je tehnički moguće pristupiti medularnoj mikrocirkulaciji, to ipak ostaje izazov zbog dubine penetracije [98]. Međutim, moguće je vizualizirati cijeli glomerul s približnim promjerom od 100 µm i dobiti pristup dinamičkim procesima na ćelijskom nivou.

Važno je da se in vivo mikrovaskularno curenje može vizualizirati i kvantificirati kroz Evans blue ekstravazaciju u fibroznim bubrezima pomoću MPM-a [99]. Broj perfuziranih kapilara je kvantificiran, a promjer je određen daleko ispod 10 µm. Nedavno je naša istraživačka grupa primenila MPM kako bi obezbedila in vivo dokaze da organoidi bubrega dobijeni iz ljudskih pluripotentnih matičnih ćelija (hPSC) formiraju funkcionalnu vezu sa već postojećom bubrežnom vaskularnom žilom kod miševa nakon subkapsularne transplantacije bubrega [100,101].

Prednosti MPM-a su odsustvo FL fluorescencije van fokusa i ograničeno fotoizbjeljivanje unutar fokusnog područja [98]. Međutim, jedan od nedostataka je ograničena dubina snimanja koja zahtijeva primenu prozora za snimanje abdomena za pristup bubrežnoj vaskulaturi in vivo [102,103]. Ovaj abdominalni prozor omogućava in vivo snimanje od nekoliko sedmica do jednog mjeseca; međutim, umetanje takvog prozora za snimanje zahtijeva invazivnu operaciju i povezano je s mogućnošću upale. Štaviše, prozori za snimanje se ponekad izgube i može doći do nekroze tkiva [102]. Očigledno, ovaj modalitet snimanja nije prenosiv u kliničku praksu.

Od uvođenja ručne vitalne mikroskopije (HVM) u kliničku praksu, zanimljiva je alternativa za neinvazivno praćenje kapilarnog krvotoka uz krevet [104]. Iako je ovaj modalitet snimanja zasnovan na potpuno drugačijoj tehnologiji, tj. videomikroskopima sporednog toka i incidentnog tamnog polja, on nudi procjenu površinskih kapilara u realnom vremenu. Novi klinički implementirani algoritmi, poznati kao softverski paketi MicroTools, omogućavaju automatiziranu analizu mikrovaskularne slike ukupne i perfuzirane gustine krvnih žila za pristup angiogenezi, proširenju/konstrikciju žila i ravnoteži tekućine, kao i kapacitet isporuke kisika na osnovu kapilarnog hematokrita i brzine eritrocita [105 ]. Međutim, za proučavanje mikrovaskulature bubrega, ovi modaliteti nisu prikladni zbog njihove ograničene dubine penetracije.

4.2.2. kompjuterizovana tomografija (CT)

Neinvazivni modaliteti oslikavanja koji mogu pratiti i kvantificirati morfološke i funkcionalne promjene bubrežne mikrovaskulature su vrlo zahtjevni kako bi se odredila uloga mikrovaskulature u progresiji bolesti u KBB. Iako je uzročna veza između razrjeđivanja kapilara i progresije renalne fibroze prepoznata već dugi niz godina, Ehling et al. [3] su bili prvi koji su izvršili neinvazivne kvalitativne i kvantitativne analize anatomskih i funkcionalnih vaskularnih alteracija tokom progresije CKD. Progresivni pad bubrežnog volumena krvi primijećen je mikro-CT in vivo kontrastom u tri mišja modela s progresivnom fifibrozom bubrega, tj. ishemijsko-reperfuzijskom ozljedom (IRI), jednostranom opstrukcijom uretera i Alport miševima. Osim funkcionalnih promjena mikrožila, peritubularni vaskularni gubitak je u korelaciji sa formiranjem fibroznog tkiva unutar sva tri mišja modela CKD. Međutim, da bi se dobile informacije o tačkama grananja, prečniku krvnih sudova i zakrivljenosti, bio je potreban ex vivo mikro-CT, što ukazuje na potrebu za novim biomedicinskim tehnologijama snimanja koje obezbeđuju pristup mikro posudama in vivo sa rezolucijom bliskom ćelijskoj.

Glavna prednost CT-a je da se vizualizacija bubrežne vaskulature postiže u roku od nekoliko minuta sa razumnom rezolucijom, pružajući 3D informacije o vaskularnoj organizaciji. Korištenjem kontrastnih sredstava na bazi joda pojačava se kontrast i postiže se još detaljniji prikaz mikrovaskulature. Nedavno je kvalitativna i kvantitativna procjena mikro-CT mišjih bubrega u fiziološkim i patološkim stanjima poboljšana perfuzijom sa fosfovolframnom kiselinom (PTA) kako bi se pojačao kontrast unutar krvnih žila [106]. Iako ograničenje da se arterije i vene ne mogu jasno razlikovati jedna od druge, rezolucija s veličinom voksela od 40 µm in vivo i veličinom voksela od 12,5 µm ex vivo obuhvatila je organizaciju do nivoa lučnih krvnih sudova.

Još jedan veliki nedostatak upotrebe CT-a za praćenje bubrežne bolesti je, međutim, potreba da se koriste jodirani radiografski kontrastni agensi. Poznato je da ovi kontrastni agensi uzrokuju nefrotoksičnost, što je kontraindikacija za kliničku primjenu kod pacijenata s već postojećim oštećenjem bubrega [107–109]. Akutno oštećenje bubrega zbog primijenjenog kontrastnog sredstva mijenja bubrežnu hemodinamiku i uzrokuje medularnu hipoksiju, što je posebno nepoželjno kada se ispituje mikrovaskularna refakcija bubrega. Slično, kontrastna sredstva na bazi gadolinijuma koja se široko koriste u MRI eliminiraju se putem bubrega i čini se da uzrokuju oštećenje bubrega [110].

4.2.3. Magnetna rezonanca (MRI)

MRI je uveden u kliničku praksu 1980-ih i odmah je postao jedna od najčešće korištenih tehnika snimanja [111]. MRI je neinvazivan i nejonizujući modalitet snimanja koji primjenjuje jako magnetsko polje i korištenjem promjene kontrastnog sredstva T1 i T2, mogu se otkriti relaksirajuća svojstva krvi. Štaviše, angiografija magnetne rezonancije (MRA) vizualizira vaskularnu arhitekturu malih životinja korištenjem kontrastnog sredstva na bazi gadolinija. Međutim, glavni nedostatak MRA je teška upotreba potrebnog kontrastnog sredstva. Na sreću, renalna perfuzija se može odrediti sa i bez potrebe za kontrastnim agensima koji nude i prednosti i ograničenja [112].

Bez upotrebe kontrastnog sredstva, spin-obilježavanje koristi endogenu vodu kao difuzibilni tragač koji omogućava samo kvantifikaciju perfuzije unutar bubrežnog korteksa budući da je vrijeme prolaza kroz medulu predugo da bi se uhvatilo. Štaviše, da bi se odredio bubrežni protok krvi, mjere se fazni pomaci okretanja duž jednog smjera, što implicira potrebu za okomitom ravninom snimanja prema arterijama od interesa za postizanje preciznog mjerenja [112]. Stoga ne čudi što ova tehnika predstavlja veliki izazov kada je u pitanju vizualizacija bubrežnih arterija, a da ne spominjemo male kortikalne kapilare.

Funkcionalnost krvnih žila može se odrediti kvantificiranjem RBF-a MR-perfuzijom i praćenjem stanja oksigenacije kontrastom (BOLD) ovisno o nivou kisika u krvi [112,113]. Međutim, glavno ograničenje funkcionalne MR je postizanje pouzdanih i reproduktivnih rezultata u organima koji su zahvaćeni respiratornim pokretima, uključujući bubreg, iako je manje podložan artefaktima pokreta u odnosu na jetru ili crijeva [112]. Uprkos činjenici da su funkcionalne MRI izvedene studije izvodljivosti od 1,5 Tesle dale veliko obećanje pri izvođenju kvantifikacije na osnovu voksela [114], perfuzijske abnormalnosti mogle su se otkriti samo u patološkim područjima što postavlja pitanje da li će manja vaskularna promjena biti dovoljno otkrivena. Uvođenjem MRI skenera sa jačinom magnetnog polja od 3.{13}} Tesla, odnos signal-šum je značajno poboljšan [115,116], međutim, postignuta rezolucija ostaje problem.

Rezolucija koju daje MRI uglavnom zavisi od jačine magnetnog polja i može se optimizovati za bilo koje magnetno polje prilagođavanjem sekvenci impulsa [111]. Prostorna rezolucija je uglavnom ograničena omjerom signal-šum koji zahtijeva brzo vrijeme akvizicije i općenito postiže rezoluciju od 3 × 4 mm u veličini piksela [117]. Čak i kada se primeni veliko magnetno polje od 7 Tesla, najbolja rezolucija koja se može postići sa BOLD je oko 500 µm. Osim nezadovoljavajuće rezolucije i ograničenja za vizualizaciju većine dinamičkih procesa, još jedan veliki nedostatak je to što je MRI povezan s visokim troškovima i zahtijeva posebne prostorije i održavanje.

4.2.4. Ultrazvuk

Napredak u ultrazvuku uveo je promjenu paradigme za neinvazivno praćenje strukturnih i funkcionalnih mikrovaskularnih promjena bubrega i otvorio nove puteve za istraživanje malih krvnih žila s prijenosnim sistemom po relativno niskoj cijeni. U pacovskom modelu akutne ishemije uzrokovane teškom hipoperfuzijom u trajanju od 1 h, bubrežni protok krvi je procijenjen u realnom vremenu korištenjem kolor i pulsnog talasa (PW) Doppler ultrazvuka [118]. Dopler snimanje u boji otkrilo je i poteškoće u vizualizaciji lučnih arterija zbog njihove relativno male veličine i okomitog pozicioniranja sonde kako bi se uhvatio arterijski protok potreban za izračunavanje brzine krvi i primjenu korekcije Doplerovog ugla. Međutim, brzina krvi se mogla izračunati samo na intra-renalnim arterijama, odnosno segmentnim, interlobarnim i lučnim arterijama. U skladu s tim, informacije o mikrocirkulaciji nisu se mogle dobiti zbog ograničenja rezolucije koju daje konvencionalni ultrazvuk.

Uvođenjem ultrabrze Doplerove ultrazvučne tehnologije, veća rezolucija bi se mogla postići nefokusiranim prijenosom valova koji šalje nekoliko sinhronih valova velikom brzinom frejmova istovremeno u jednom cijelom vidnom polju, umjesto skeniranja linija po liniji primjenom prijenos fokusiranog snopa [119]. Ovaj prijenos ravnih valova je osnovni koncept iza ultrabrzog Doplerovog ultrazvučnog snimanja i omogućava detekciju kortikalnih žila transplantiranog ljudskog bubrega promjera ispod 1 mm [120]. Štaviše, ultrabrzi Dopler ultrazvuk pruža veoma povoljnu tehniku ​​in vivo za praćenje mikrovaskularne refakcije bubrega u pretkliničkim studijama (Slika 3A). Uprkos napretku ultrabrzog Doplerovog ultrazvuka, pristup kapilarnom nivou i dalje se oslanja na upotrebu kontrastnih sredstava [121]. Ipak, ne postoje vrijedni sigurnosni problemi kada se koristi kontrastno pojačano sredstvo za dopler ultrazvuk, posebno u poređenju sa kontrastnim agensima CT i MRI koji često pokazuju nefrotoksičnost [122]. Međutim, nevjerovatna rezolucija bubrežne vaskulature miša može se postići in vivo (slika 3B).

Ultrazvučna lokalizaciona mikroskopija (ULM) riješila je kompromis između prostorne rezolucije i dubine penetracije, s jedne strane, primjenom ultrabrzog Doplerovog ultrazvučnog snimanja, i, s druge strane, korištenjem ultrazvučnih kontrastnih sredstava u obliku plinom ispunjenih mikromjehurića. [121,123,124]. Između ostalih, Errico et al. [123] je predložio ULM za snimanje kranijalnih mikrožila promjera 10 µm po cijeloj dubini mišjeg mozga debljine približno 10 mm. U nedavnoj publikaciji, Demené et al. [125] mogli bi uhvatiti dinamiku cerebrovaskularnog protoka krvi na mikroskopskom nivou duboko u ljudskom mozgu praćenjem intravenozno ubrizganih mikromjehurića pojedinačno kako bi se poboljšala slika super-rezolucije i omogućila vaskularna rezolucija do 25 µm. Da biste shvatili ovo neverovatno dostignuće, ključno je napomenuti da nijedan drugi neinvazivni modalitet snimanja ne može vizualizovati mikrovaskulaturu in vivo ispod milimetarske skale. Da bi se postigla ova izuzetna prostorna rezolucija in vivo, trebalo je savladati dva glavna izazova: aberaciju lobanje i artefakte pokreta. Iako primjena ULM-a za abdominalne organe kao što je bubreg nije ometena aberacijom koštanih struktura, artefakti pokreta predstavljaju veliku poteškoću. Međutim, nedavne in vivo studije su uspješno pružile prve pokušaje snimanja renalne vaskulature pomoću ULM-a [5,126,127].

Mogli su se razlikovati različiti vaskularni odjeljci unutar bubrega štakora, a primjenom mikromjehurića rezolucija je povećana kako bi se vizualizirali tanki snopovi krvnih žila vasa recta koji su međusobno udaljeni na udaljenosti od 400 µm [5]. Dodatno, aksijalna brzina krvi, tj. ispod 2 mm/s, povezana sa protokom bubrežnih mikrožila je procijenjena praćenjem ubrizganih mikromjehurića promjera 1 µm koji mogu doseći prečnik žila manji od 20 µm. Song et al. [127] snimili su bubrežne kortikalne mikrožilne sudove zečeva i mogli jasno odvojiti sudove in vivo prečnika 76 µm. Iako se respiratorni pokreti mogu ispraviti, artefakti kretanja izvan ravnine ostaju izazovni i nemoguće ih je ispraviti budući da se slikovne informacije ne mogu u potpunosti prikupiti [5].

Nedavno je progresija od AKI do CKD proučavana ultrabrzim Dopler ultrazvukom poboljšanim kontrastom u mišjem modelu jednostranog IRI [6]. Ubrizgavanjem mikromehurića identifikovani su mali bubrežni krvni sudovi veličine 32 µm i kvantifikovane su vaskularne promene u bubregu, odnosno volumen bubrežne krvi, gustina krvnih sudova i zakrivljenost. Vaskularna gustina korteksa i kortikomedularnog spoja dobijena ultrazvukom tokom in vivo snimanja bila je u skladu s kvantifikacijom dobijenom nakon imunološkog bojenja CD31, što je prepoznato kao zlatni standard u vaskularnoj biologiji. Ovo je u skladu sa drugom studijom koju su sproveli Cao et al. [128], koji je ilustrovao da se težina AKI može odrediti ultrazvukom pojačanim kontrastom pomoću injekcije mikromehurića. Mjerenja bubrežne perfuzije in vivo su usko povezana sa oštećenjem bubrega utvrđenom na histološkom nivou.

U skladu sa tim ultrazvučnim studijama, Hueper et al. [7] su prethodno sugerirali da renalna perfuzija može predvidjeti progresiju AKI-a do-CKD utvrđenu MRI.

Ultrazvučno snimanje bubrežne vaskulature poboljšano mikromjehurićima je već uspješno izvedeno kod ljudi kako bi se odredila bubrežna mikrovaskularna perfuzija i pokazalo je veliku perspektivu za dijagnozu [129–133]. Zanimljivo je da je ovaj modalitet snimanja primijenjen u transplantaciji bubrega kako bi se odredio status perfuzije bubrežnih alografta koji može pružiti odgovarajuće neinvazivno očitavanje za predviđanje akutnog odbacivanja [134]. Osim ovisnosti o operateru koja može predstavljati ograničenje pri korištenju ultrazvuka, snaga dogovora među promatračima bila je vrlo visoka između dva čitača, što odražava veliku izvodljivost primjene u kliničkom okruženju [132]. Zbog prenosivosti i uštede vremena i jednostavne prilagođene primjene, ultrazvuk s mikromjehurićima poboljšanim kontrastom pruža sjajne perspektive za procjenu mikrovaskulature bubrega u kliničkoj praksi, posebno kod pacijenata na intenzivnoj intenzivnoj njezi [135]. Ova tehnologija stoga nudi veliko obećanje za prevođenje u kliničku praksu nakon uspješnog savladavanja korekcije artefakata abdominalnog pokreta za robusno praćenje mikromjehurića s visokom preciznošću.

5. Zaključci i perspektive

Zapanjujuća heterogenost renalne vaskularne arhitekture odražava njenu složenu funkcionalnu raznolikost i kompartmentalizaciju, sa logičnom posljedicom da proučavanje mikrovaskularnih promjena i razrjeđivanja zahtijeva sofisticirane modalitete snimanja. Razvoj, primjena i poboljšanje in vivo modaliteta snimanja za proučavanje bubrežnih vaskularnih bolesti omogućit će bolje razumijevanje djelovanja ćelijskih terapija kao što je MSC na vaskularnom nivou i može razjasniti specifične biomarkere koji se mogu pratiti tokom progresije bolesti.

Reference

1. Chade, AR Bubrežna vaskularna struktura i razrjeđivanje. Compr. Physiol. 2013, 3, 817–831. [CrossRef] [PubMed]

2. Chade, AR Mali sudovi, Velika uloga: bubrežna mikrocirkulacija i progresija bubrežne ozljede. Hipertenzija 2017, 69, 551–563. [CrossRef] [PubMed]

3. Ehling, J.; Bábícková, J.; Gremse, F.; Klinkhammer, BM; Baetke, S.; Knochel, R.; Kiessling, F.; Floege, J.; Lammers, T.; Boor, P. Kvantitativna mikro-kompjuterska tomografija vaskularne disfunkcije u progresivnim bubrežnim bolestima. J. Am. Soc. Nefrol. 2016, 27, 520–532. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, TK; Kniceli, DH; Grams, ME, dijagnoza i liječenje kronične bubrežne bolesti: pregled. Physiol. Behav. 2019, 322, 1294–1304. [CrossRef] [PubMed]

5. Foiret, J.; Zhang, H.; Ilovitsh, T.; Mahakian, L.; Tam, S.; Ferrara, KW Ultrazvučna lokalizaciona mikroskopija za snimanje i procjenu mikrovaskulature u bubregu štakora. Sci. Rep. 2017, 7, 13662. [CrossRef] [PubMed]

6. Chen, Q.; Yu, J.; Rush, BM; Stocker, SD; Tan, RJ; Kim, K. Kidney Int. 2020, 98, 355–365. [CrossRef] [PubMed]

7. Hueper, K.; Gutberlet, M.; Rong, S.; Hartung, D.; Mengel, M.; Lu, X.; Haller, H.; Wacker, F.; Meier, M.; Gueler, F. Akutna ozljeda bubrega: Označavanje arterijskog spina za praćenje oštećenja bubrežne perfuzije kod miševa—poređenje s histopatološkim rezultatima i bubrežnom funkcijom. Radiology 2014, 270, 117–24. [CrossRef]

8. Levy, BI; Schiffrin, EL; Mourad, JJ; Agostini, D.; Vicaut, E.; Safar, ME; Struijker-Boudier, HA Poremećaj perfuzije tkiva je patologija uobičajena za hipertenziju, gojaznost i dijabetes melitus. Tiraž 2008, 118, 968–976. [CrossRef]

9. Carmeliet, P.; Jain, RK Molekularni mehanizmi i klinička primjena angiogeneze. Nature 2011, 473, 298–307. [CrossRef]

10. Molema, G.; Aird, WC Vaskularna heterogenost u bubregu. Semin. Nefrol. 2012, 32, 145–155. [CrossRef]

11. Armulik, A.; Abramson, A.; Betsholtz, C. Interakcije endotela/pericita. Circ. Res. 2005, 97, 512–523. 03.16652.d7. [CrossRef]

12. Attwell, D.; Mishra, A.; Hall, CN; O'Farrell, FM; Dalkara, T. Šta je pericit? J. Cereb. Blood Flow Metab. 2016, 36, 451–5. [CrossRef]

13. Evans, RG; Eppel, GA; Anderson, WP; Denton, KM Mehanizmi koji leže u osnovi diferencijalne kontrole krvotoka u bubrežnoj meduli i korteksu. J. Hypertens. 2004, 22, 1439–1451. [CrossRef]

14. Pallone, TL; Silldorff, EP; Turner, MR Intrarenalni protok krvi: Mikrovaskularna anatomija i regulacija medularne perfuzije. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 1998, 25, 383–392. doi:10.1111/j.1440-1681.1998.tb02220.x. [CrossRef]

15. Pallone, TL; Edwards, A.; Mattson, DL Renalna medularna cirkulacija. Compr. Physiol. 2012, 2, 97–140. [CrossRef] [PubMed]

16. Guerci, P.; Ergin, B.; Ince, C. Makro i mikrocirkulacija bubrega. Najbolja praksa. Res. Clin. Anaesthesiol. 2017, 31, 315–329. [CrossRef]

17. Shaw, I.; Rider, S.; Mullins, J.; Hughes, J.; Péault, B. Periciti u renalnoj vaskulaturi: Uloga u zdravlju i bolesti. Nat. Rev. Nephrol. 2018, 14, 521–534. [CrossRef]

18. Rosivall, L.; Peti-Peterdi, JJ Heterogenost aferentne arteriole - Korelacije između morfologije i funkcije. Nefrol. Dial. Transplant. 2006, 21, 2703–2707. [CrossRef]

19. Stefanska, A.; Kenyon, C.; Christian, HC; Buckley, C.; Shaw, I.; Mullins, JJ; Péault, B. Periciti ljudskog bubrega proizvode renin. Kidney Int. 2016, 90, 1251–1261. [CrossRef]

20. Schlondorff, DO Pregled faktora koji doprinose patofiziologiji progresivne bubrežne bolesti. Kidney Int. 2008, 74, 860–866. [CrossRef]

21. Pallone, TL; Zhang, Z.; Rhinehart, K. Fiziologija renalne medularne mikrocirkulacije. Am. J. Physiol. Ren. Physiol. 2003, 284, F253–66. [CrossRef] [PubMed]

22. Pallone, TL Složeni vaskularni snopovi, debeli uzlazni udovi i akvaporini: Iscjeđivanje vanjske moždine. Am. J. Physiol. Ren. Physiol. 2014, 306, 505–506. [CrossRef] [PubMed]

23. Zimmerhackl, BL; Robertson, CR; Jamison, RL Medularna mikrocirkulacija. Kidney Int. 1987, 31, 641–647. [CrossRef] [PubMed]

24. Dumas, SJ; Meta, E.; Borri, M.; Luo, Y.; Li, X.; Rabelink, TJ; Carmeliet, P. Fenotipska raznolikost i metabolizam. Nat. Rev. Nephrol. 2021, 1–24. [CrossRef]

25. Dumas, SJ; García-Caballero, M.; Carmeliet, P. Metabolički potpisi različitih endotelnih fenotipova. Trends Endocrinol. Metab. 2020, 31, 580–595. [CrossRef]

26. Jourde-Chiche, N.; Fakhouri, F.; Dou, L.; Bellini, J.; Burley, S.; Format, M.; Jarrot, PA; Kaplanski, G.; Le Quintrec, M.; Pernin, V.; et al. Struktura i funkcija endotela u zdravlju i bolesti bubrega. Nat. Rev. Nephrol. 2019, 15, 87–108. [CrossRef]

27. Long, DA; Norman, JT; Fine, LG Obnavljanje mikrovaskulature bubrega za liječenje kronične bolesti bubrega. Nat. Rev. Nephrol. 2012, 8, 244–250. [CrossRef]

28. Choi, YJ; Chakraborty, S.; Nguyen, V.; Nguyen, C.; Kim, BK; Šim, SI; Suki, WN; Truong, LD Peritubularni gubitak kapilara povezan je s kroničnom tubulointersticijskom ozljedom u ljudskom bubregu: Promijenjena ekspresija vaskularnog endotelnog faktora rasta. Hum. Pathol. 2000, 31, 1491–1497. [CrossRef]

29. Ishii, Y.; Sawada, T.; Kubota, K.; Fuchinoue, S.; Teraoka, S.; Shimizu, A. Povreda i progresivni gubitak peritubularnih kapilara u razvoju hronične alograft nefropatije. Kidney Int. 2005, 67, 321–332. [CrossRef]

30. Serón, D.; Alexopoulos, E.; Raftery, MJ; Hartley, B.; Cameron, JS Broj intersticijskih kapilarnih presjeka procijenjenih monoklonskim antitelima: Odnos prema intersticijskom oštećenju. Nefrol. Dial. Transplant. 1990, 5, 889–893. [CrossRef]