Oslikavanje bubrežne mikrocirkulacije u staničnoj terapiji

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Katerina Apelt et

Stabljika cistanche za bubrežnu bolest, kliknite ovdje da biste dobili uzorak

Sažetak:

Bubrežnamikrovaskularna refakcija igra ključnu ulogu u progresivnombubregbolest. Stoga će modaliteti vizualizacije mikrocirkulacije bubrega povećati naše razumijevanje mehanizama bolesti i posljedično mogu pružiti nove pristupe za procjenu stanične terapije. Trenutno, međutim, kliničkoj praksi nedostaju neinvazivni, sigurni i učinkoviti modaliteti snimanja za praćenje bubrežnih mikrovaskularnih promjena tijekom vremena kod pacijenata koji boluju od bubrežne bolesti. Kako bismo naglasili važnost, saželi smo trenutno znanje o bubrežnoj mikrocirkulaciji i raspravljali o uključenosti u progresivnu bolest bubrega. Štoviše, prikazan je pregled dostupnih tehnika snimanja za otkrivanje bubrežne mikrovaskularne morfologije, funkcije i ponašanja s povezanim prednostima i ograničenjima. U konačnici, potreba za procjenom i istraživanjem bubrežne bolesti na temelju in vivo očitanja s rezolucijom do kapilarne razine može dovesti do promjene paradigme za dijagnozu i terapiju u područjunefrologija.

Ključne riječi: bubreg; mikrocirkulacija; mikrovaskularnirazrjeđivanje; stanična terapija; slikanje

1. Uvod

Bubrežna vaskulatura ima anatomski složenu arhitekturu, koja odražava njezinu jedinstvenu fiziološku funkciju [1]. Unatoč visokodinamičkoj prilagodbi mikrovaskularne mreže na hemodinamske promjene, vaskularna disfunkcija može biti posljedica ili čak uzrokbubregrazvoj i progresija bolesti [2,3]. Sukladno tome, mikrovaskularna disfunkcija može poslužiti kao rani znak fibrotične ozljede bubrega, što implicira da bi neinvazivna procjena i validacija bubrežne mikrovaskularne arhitekture i funkcije bila veliko poboljšanje za procjenu učinkovitosti terapija usmjerenih na smanjenje bubrežne fifibroze.

U kliničkoj praksi ozbiljnost kroničnogbubregBolest (CKD) klasificira se na temelju brzine glomerularne filtracije (GFR) koja odražava blagu (60-89 mL/min/1,73 m2), umjerenu (30-59 mL/min/1,73 m2) ili tešku (15-29 mL/ min/1,73 m2 ) smanjenabubregfunkcijana temelju unaprijed definiranih kategorija [4]. Progresija bolesti u uznapredovali KBB i završni stadij bubrežne bolesti (ESRD) definirana je pojavom glomeruloskleroze i tubulointersticijske fifibroze s GFR manjim od 15 mL/min/1,73 m2. Nekoliko je studija pokazalo da fenomen gubitka bubrežnih kapilara, tj. mikrovaskularna refakcija bubrega, usko korelira s težinom bubrežne bolesti i uključen je u biologiju naknadne progresije prema CKD [3,5–7]. Stvaranje bubrežne fifibroze istaknuto je kao središnja karakteristika za takav gubitak peritubularnih kapilara i gubitak bubrežnog epitela koji iz njega proizlazi. Ako se mikrovaskulatura bubrega može zaštititi ili čak obnoviti, poboljšao bi se integritet bubrežnog strukturnog tkiva i spriječilo napredovanje bolesti [2,8]. Osim toga, potencijalno se može definirati terapijski prozor za procjenu ozbiljnosti ozljede prije nego što stupanj oštećenja bubrega postane nepovratan. Konkretno, korištenje staničnih terapija kao što su obećavajuće primjene mezenhimalnih stromalnih stanica (MSC) može se procijeniti i poboljšati za liječenje bubrežnih vaskularnih bolesti. Međutim, detaljno razumijevanje bubrežnog mikrovaskularnog razrjeđivanja još uvijek je otežano nedostatkom slikovnih modaliteta koji omogućuju visokorazlučivo i neinvazivno praćenje arhitekture i funkcionalnosti krvnih žila.

U ovom pregledu sažimamo trenutna znanja o bubrežnoj mikrovaskulaturi i patološkim mehanizmima koji mogu utjecati na mikrocirkulaciju. Raspravljamo o važnosti pericita i pružamo uvid u njihovu središnju ulogu u izazivanju progresije bubrežne bolesti kroz mikrovaskularnu disfunkciju i razrjeđivanje, kao i razvojbubregfibroza. Zatim opisujemo novi razvoj u tehnikama snimanja koje bi mogle pratiti takve promjene u bubrežnoj mikrocirkulaciji.

2. Bubrežna vaskulatura

2.1. Bubrežna cirkulacija krvi

Mikrovaskulatura ljudskog tijela sastoji se od arteriola, kapilara i venula i ostvaruje izmjenu kisika, hranjivih tvari i metabolita između krvi i okolnog tkiva [8,9]. Očito je vitalna funkcija mikrocirkulacije strogo regulirana na temelju metaboličkih potreba organa. Glavna odgovornost arteriola je reguliranje protoka krvi podešavanjem otpora kako bi se osiguralo da se vitalna izmjena na razini kapilara može izvršiti [10]. U tom smislu, stalna prilagodba homeostatskim zahtjevima temeljnog tkiva uglavnom ovisi o dinamičkoj plastičnosti endotelnih stanica. Istodobno, endotelno zdravlje mikrocirkulacije oslanja se na blisku međustaničnu komunikaciju s pericitima koji fizički stabiliziraju krvne žile, reguliraju angiogenezu i kontroliraju 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 dihotomno dijeli u bubrežnoj zdjelici na segmentne arterije i progresivno se grana na razini male čašice u interlobarne arterije koje se šire između bubrežnih piramida [1,13]. ]. Na granici između korteksa i medule, interlobarne arterije ulijevaju se u lučne arterije, tvoreći anatomsku razdjelnicu između oba bubrežna odjeljka [1]. U korteksu, interlobularne arterije, također poznate kao kortikalne zrakaste arterije ili kortikalne penetrirajuće arteriole, izviru okomito od arkuatnih arterija i divergiraju u aferentne arteriole kako bi opskrbile različite grane glomerularnog stabla. Ovisno o položaju glomerula, filtrirana krv dolazi zajedno u kortikalni kapilarni pleksus koji okružuje proksimalne i distalne tubule ili medularni kapilarni pleksus na razini Henleove petlje. Konačno, krv otječe u venski sustav koji teče paralelno s arterijskom mrežom izlazeći iz bubrega preko interlobularne, arkuatne, interlobarne, segmentalne i na kraju bubrežne vene točno iznad uretera. Općenito govoreći, ovaj osnovni vaskularni obrazac je očuvan kod sisavaca [14,15].

2.2. Kapilarne mreže bubrega

Složenost arhitekture bubrežne mikrovaskulature ogleda se u raznolikoj morfologiji različitih bubrežnih krvnih žila (Slika 2). Strukturna i funkcionalna heterogenost endotela bubrega i okolnih perivaskularnih stanica blisko je povezana s tipom kapilarne mreže [15-17]. Zapravo, prisutnost različitih kapilarnih slojeva je izvanredna značajka 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 mikrovaskularnim odjelom medule [14]. Zanimljivo je da iako medula čini približno 30 posto ukupne mase bubrežnog tkiva, samo 10 posto ukupnog bubrežnog krvotoka (RBF) čini ovaj dio [10]. Na temelju anatomskog položaja bubrežna mikrocirkulacija može se podijeliti na (i) kortikalnu mikrocirkulaciju; i (ii) medularna mikrocirkulacija [13,14].

Kortikalna mikrocirkulacija je fizički odvojena lučnim arterijama koje daju interlobularne arterije koje se dalje granaju s obje strane u nekoliko aferentnih arteriola za opskrbu glomerularne kapilarne mreže [14]. Grananje se događa pod različitim kutom ovisno o položaju glomerula unutar korteksa. Preko aferentne arteriole, glomerularna kapilarna mreža koja se sastoji od 6-8 kapilarnih petlji opskrbljuje se krvlju koja izlazi kroz eferentnu arteriolu nakon filtriranja [10]. Glomerularne kapilare (Slika 2a) formirane su od tankog, kontinuiranog i uglavnom ravnog fenestriranog endotela koji je prekriven podocitima. Fenestrirana područja mogu zauzeti do 20-50 posto njihove cijele stanične površine [16]. Kortikalni glomeruli čine 90 posto svih glomerula prisutnih u bubregu i stoga ne čudi da većina RBF pretežno teče 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.

Kako bi se osigurala pravilna filtracija krvi, razlika u promjeru između kortikalnih aferentnih (Slika 2b) i kortikalnih eferentnih (Slika 2c) arteriola je 15 µm u odnosu na 10 µm [13]. Krvni tlak reguliran je na strani aferentnih arteriola putem promjena otpora koji objašnjavaju kontinuirani endotel koji je obavijen glatkim mišićnim stanicama (SMC) [18]. Pomniji pregled aferentne arteriole otkriva prisutnost dvaju vaskularnih segmenata, a ne ravnomjernog endotela duž cijele duljine žile, kao što se obično susreće. Proksimalni dio aferentne arteriole sastoji se od nepropusnog endotela s čvrsto raspoređenim SMC-ima, koji su potrebni za kontrakciju krvnih žila. Za razliku od distalnog dijela, koji je blizu glomerula i sastoji se od permeabilnog endotela zbog prisutnosti fenestracije. Zanimljivo je da je ova fenestracija prilično neuobičajena značajka u krvnim žilama s visokim intravaskularnim tlakom. Osim toga, kockasti periciti 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 kortikalnog glomerula preko eferentne arteriole da bi se spojila u gustom kortikalnom kapilarnom pleksusu koji okružuje bubrežne tubule [10]. Osim glomerularnog kapilarnog sustava, ovaj drugi kapilarni odjel poznat je kao peritubularni kapilarni sustav [16]. Peritubularne kapilare (Slika 2d) su fenestrirane i tankih stijenki s prosječnim promjerom od približno 7 µm [13,15]. Te kapilare opskrbljuju kisikom i hranjivim tvarima tubule koji se nalaze u korteksu bubrega, ali ne nužno onom iz kojeg potječu [10,15]. Peritubularne kapilare imaju kontinuiraniji endotel, kao i manji promjer u usporedbi s medularnim kapilarama vasa recta [13,16]. Kod bubrežne bolesti, oštećenje glomerula će konačno utjecati na nizvodno sekvencijalno raspoređene peritubularne kapilare, i time ubrzati progresiju bubrežne bolesti [10,20].

Jukstamedularna aferentna arteriola (Slika 2e) ima približni promjer od 20 µm, dok jukstamedularna eferentna arteriola (Slika 2f) ima deblji unutarnji promjer od 20-25 µm [13]. Eferentna arteriola koja izlazi iz jukstamedularnog glomerula visoko je okružena s nekoliko SMC. Ova primjetna razlika u promjeru žila, kao i povećana muskularizacija, pokreću raspravu o uključenosti ovog tipa glomerula u ishemiju. Čini se da je bubrežna vaskularna arhitektura organizirana na određeni način da sačuva srž od ishemijskog oštećenja. Postoji hipoteza da aferentne i eferentne arteriole jukstamedularnih glomerula možda nisu odgovorne za regulaciju medularne krvi (MBF), ali to bi također bilo u potencijalnoj suprotnosti s njihovom ulogom da kontroliraju brzinu glomerularne filtracije [21]. Umjesto toga, čini se da je silazna vasa recta (DVR) vaskularnih snopova smještenih u unutarnjoj traci vanjske medule odgovorna za kontrolu MBF-a što može objasniti veliki broj pericita koji obavijaju ovaj odjeljak žile. DVR stoga igra ključnu ulogu u dugoročnoj regulaciji arterijskog tlaka [13]. Eferentne arteriole povezane s jukstamedularnim glomerulima teku kroz vaskularne snopove, koji se nalaze u unutarnjoj pruzi vanjske medule, pretvaraju se u DVR. DVR dovodi do medularne kapilarne mreže koja je povezana s uzlaznom vasa recta (AVR) [1].

Medularna mikrocirkulacija počinje kada eferentne arteriole koje potječu iz jukstamedularnih glomerula uđu dublje u tkivo kako bi opskrbile preostalih 30 posto bubrežnog tkiva poznatog kao medula [13,14]. Srž jedne bubrežne piramide anatomski je podijeljena na dva dijela: vanjsku srž smještenu točno ispod korteksa, nakon koje slijedi unutarnja srž koja se širi do vrha parenhima, nazvana papila. Općenito, broj kapilara medule raste od vrha bubrežne piramide. Pomnije promatranje pokazuje 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 s lučnom venom [14,22].

Svaka jukstamedularna eferentna arteriola dijeli se u nekoliko snopova, poznatih kao vaskularni snopovi, kako bi se formirale grane DVR (Slika 2g) koje imaju veći promjer u usporedbi s peritubularnim kapilarama korteksa [15,23]. Nekoliko pericita pričvršćeno je na endotel DVR vaskularnih snopova [17]. Zanimljivo je da se broj pericita koji obavijaju krvne žile smanjuje u DVR (Slika 2h) unutarnje moždine [15,17]. Ovaj morfološki raspored DVR-a u vanjskom i unutarnjem odjeljku medule odražava njegovu dvostruku funkciju [10]. Da pojasnimo, vazokonstrikcija DVR-a uglavnom se javlja u proksimalnom dijelu, koji se nalazi u vanjskoj meduli [15]. U distalnom dijelu, tj. unutarnjoj meduli, međutim, odvija se uglavnom izmjena elektrolita. Ova anatomska razlika izravno implicira različitu subpopulaciju pericita u smislu morfološkog izgleda i funkcionalnog svojstva [15,17].

Duboko unutar unutarnje medule, različite grane DVR-a razdvajaju se u složenu kapilarnu mrežu prije povezivanja sa znatno manjim AVR-om [10]. Endotel DVR-a je kontinuiran, za razliku od endotelnih stanica AVR-a (Slika 2i), koje su jako fenestrirane. Na kraju se sva krv skuplja iz AVR-a, kao i peritubularnih kapilara kortikalnog kapilarnog pleksusa u venski sustav. Općenito, bubrežne vene imaju izrazito tanku vaskularnu stijenku, a interlobularne, lučne i interlobarne vene su fenestrirane i sadrže dijafragme. Iznenađujuće, interlobularne vene pokazuju općenito veće sličnosti s peritubularnim kapilarama nego s venama zbog tankog i jako fenestriranog epitela.

Različiti bubrežni mikrovaskularni segmenti i njihov elegantan morfološki izgled na staničnoj razini izazivaju sumnju da se postojeća složenost prevodi u još kompliciraniji mehanizam bolesti. Stoga se sljedeći dio usredotočuje na temeljne procese uključene u bubrežne mikrovaskularne kvarove.

3. Bubrežni mikrovaskularni kvarovi

3.1. Endotelna disfunkcija

Bubrežni endotel uglavnom miruje u fiziološkim uvjetima; međutim, kao odgovor na promjene mikrookoliša, tj. smični stres, hipoksiju, oksidativni stres ili upalu, dolazi do aktivacije endotelnih stanica i proizvodnje angiogenih faktora rasta [24]. Ovisno o okidaču, aktivacija endotelnih stanica može inducirati proupalni i protrombotski fenotip za promicanje adhezije imunoloških stanica i infiltracije za stvaranje mikrotromba. Međutim, da bi se održala vaskularna barijera za prikladnu veliku regulacijsku funkciju i propusnost za transport otopljene tvari, bitno je čvrsto regulirati metaboličko stanje mirnih, kao i aktiviranih endotelnih stanica.

Integritet tkiva i funkcija organa uglavnom ovise o odgovarajućoj perfuziji mikrovaskularne mreže [8]. Stoga nije iznenađujuće da endotelne stanice pokazuju visoku plastičnost kako bi osigurale dinamičku prilagodbu promjenama u okolišu prilagođavanjem broja kapilara, morfološkog oblika i funkcije [1,2,8]. Dugotrajno razdoblje povišenog krvnog tlaka, međutim, uzrokuje ireverzibilne promjene u mikrocirkulaciji, što dovodi do ozlijeđenih endotelnih stanica koje karakteriziraju oslabljena svojstva prilagodbe. Ova poremećena homeostaza odražava se smanjenjem dušikovog oksida (NO), čimbenika induciranog hipoksijom-1 (HIF-1) i faktora rasta vaskularnog endotela (VEGF), zajedno s povećanjem drugih čimbenika kao što su kao što su angiostatin, endostatin i trombospondin [1]. Osjetljivost na endotelnu disfunkciju u bubregu je raznolika i ovisi o tipu endotelnih stanica koje se nalaze unutar različitih odjeljaka bubrežne mikrocirkulacije [16,24]. Kako bi razjasnili heterogene fenotipove bubrežnih endotelnih stanica i njihov različit odgovor na mikrovaskularne promjene, Dumas et al. [25] nedavno su dali atlas visoke rezolucije bubrežnog endotela korištenjem sekvenciranja jednostanične RNA.

Endotelna disfunkcija često se javlja zajedno s akutnim i progresivnim smanjenjem funkcije bubrega [24]. Ovaj kvar uzrokuje povećani vaskularni otpor, što je popraćeno smanjenjem RBF [26]. Dugotrajno razdoblje vazokonstrikcije uzrokuje neadekvatnu tkivnu perfuziju i aktivaciju faktora stresa i rasta što dovodi do morfoloških promjena [1]. Ovisno o težini i osobito trajanju bilo kojeg danog inzulta, RBF se može nepovratno promijeniti uvođenjem strukturnih promjena u mikrocirkulaciju. Te su morfološke promjene uzrokovane procesom poznatim kao mikrovaskularna remodelacija. Mikrovaskularno remodeliranje definira se kao odgovor na funkcionalne promjene mikrovaskulature, koje posljedično mogu uzrokovati promjenu mikrovaskularne arhitekture na strukturnoj razini u posljednjem pokušaju postizanja hemodinamske homeostaze [1,2,8]. Konačno, disfunkcija endotela može rezultirati fenomenom koji se naziva 'no-reflow', pri čemu se perfuzija ne može obnoviti, što na kraju dovodi do oštećenja epitelnih stanica tubula koje rezultira akutnom ozljedom bubrega (AKI) [24].

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

3.2. Učešće pericita u bubrežnom kvaru

Središnja značajka CKD je progresivni gubitak peritubularne kapilarne mreže, proces koji se naziva razrjeđivanje [27]. Tubulointersticijalnoj fifibrozi, kao i oštećenom tubularnom epitelu, prethodi ovo kapilarno razrijeđenje u bubregu [27], dok je ovo mikrovaskularno razrijeđenje u izravnoj korelaciji s težinom fifibroze [28,29]. Štoviše, utvrđeno je da opseg razrijeđenosti predviđa stupanj oštećenja intersticija kao i promjene u brzini glomerularne filtracije u bolesnika s KBB-om [28]. Ovi nalazi upućuju na ranu, ograničavajuću ulogu mikrovaskularne destabilizacije/gubitka u razvoju CKD i patogenezi fibroze [30]. Kronična aktivacija endotelnih stanica kardiovaskularnim čimbenicima rizika može uzrokovati gubitak pericita koji igraju ključnu ulogu u stabilizaciji i proliferaciji kapilara putem interakcija s endotelnim stanicama [31]. Doista, prikupljanje dokaza ukazuje na važnost pericita i njihovu uključenost u bubrežno mikrovaskularno zdravlje [17].

Periciti su perivaskularne muralne stanice s izduženim procesima koji prekrivaju endotel i koji su ugrađeni unutar bazalne membrane kapilara [32]. One su stanice mezenhimskog podrijetla i proizlaze iz Forkhead box D1 (FoxD1) plus populacije stromalnih progenitora, koje također stvaraju druge muralne stanice bubrežne vaskulature uključujući SMC, rezidentne fibroblaste, reninske stanice i mezangijske stanice [33], dok sve endotelne stanice vaskulature bubrega potječu od leukemije matičnih stanica (SCL) plus progenitora [34]. Periciti se razlikuju od rezidentnih (perivaskularnih) fibroblasta budući da su ugrađeni u vaskularnu bazalnu membranu, ali većina studija u bubrezima ne pravi razliku između pericita i perivaskularnih fibroblasta [31,35], vjerojatno zbog nedostatka specifičnih markera. Markeri koji se obično koriste za identifikaciju pericita uključuju receptor faktora rasta koji potječe iz trombocita (PDGFR), kondroitin sulfat proteoglikan NG2, aktin glatkih mišića (SMA), klaster diferencijacije 73 (CD73) i PDGFR, ali ti markeri identificiraju različite ( preklapanje) podskupova pericita lokaliziranih u različitim anatomskim regijama, odražavajući heterogenost ove stanične populacije [17] i najvjerojatnije također funkcionalnu heterogenost. Periciti čvrsto reguliraju vaskularni razvoj, stabilizaciju, sazrijevanje i remodeliranje [11] i kontroliraju protok krvi vazokonstrikcijom. Periciti su funkcionalno regulirani vazokonstrikcijskim čimbenicima poput angiotenzina II i adenozin trifosfata (ATP), kao i vazodilatacijskim čimbenicima poput NO i prostaglandina [17]. Sazrijevanje krvnih žila ovisi o regrutiranju 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 u vasa recta [13,19]. Osim toga, mezangijske stanice su (specijalizirana) podskupina bubrežnih pericita koji su važni u održavanju strukturne potpore za glomerularne kapilare i reguliranju glomerularne hemodinamike. Nadalje, kontraktilni jukstaglomerularni periciti smješteni u arteriolama posreduju u lokalnom glomerularnom krvnom tlaku i utječu na sustavni krvni tlak putem izlučivanja renina [19]. Zanimljivo je da su stanice prekursora renina koje potječu iz stromalnog odjeljka prostorno-vremenski povezane s razvojem krvnih žila, dok se pokazalo da formiranju arterijskih grana prethodi pojava stanica koje eksprimiraju renin na mjestu grananja [33,36]. Štoviše, korištenjem transgenih zebrica reportera renina, pokazano je da stanice koje eksprimiraju renin prethode angiogenim klicama [37]. U bubregu odraslog miša, stanice podrijetla renina također su uočene na perivaskularnim mjestima i obojene zajedno s pericitnim markerima (PDGFR/NG2) [38], što ukazuje na moguću važnu ulogu ove podskupe u održavanju krvožilnog sustava.

3.3. Signalne interakcije endotelne stanice i pericita

Periciti stupaju u interakciju s endotelnim stanicama kroz mnoštvo recipročnih interakcija koje reguliraju signalne putove potrebne za stabilizaciju i angiogeno klijanje. Signal pericita do endotela putem izlučenih faktora kao što su VEGF, PDGF, transformirajući faktor rasta (TGF-) i angiopoetin-1 (Ang-1), kao i izravnim preslušavanjem endotela i pericita [39 ]. Slično, endotel signalizira okolnim stromalnim stanicama pomoću faktora kao što su angiopoetin-2 (Ang-2) ​​i PDGF. Ang-2 negativno interferira s Ang-1-posredovanom Tie-2 signalizacijom, što rezultira prekidom interakcije pericita i endotelnih stanica i posljedičnom 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, pokazujući da, kada je ulaganje pericita otežano, kapilarna mreža je destabilizirana i dolazi do razrjeđivanja [42]. Na primjer, hiperglikemija povećava endotelnu ekspresiju Ang-2 uzrokujući migriranje perivaskularnih stromalnih stanica iz kapilara [43]. Nedavne studije iz našeg laboratorija pokazale su da i kod štakora [44] i kod bubrega ljudskog donora [45] ishemijsko-reperfuzijska ozljeda dovodi do brzog povećanja ravnoteže Ang-2/Ang-1, što je povezano s gubitkom mikrovaskularnog integriteta. Štoviše, u bolesnika s dijabetesom, uočeno je poništenje zdravlja kapilara i smanjenje omjera Ang-2/Ang-1 i topljivog trombomodulina (markera ozljede endotelnih stanica) unutar 12 mjeseci nakon istovremene transplantacije bubrega i gušterače [46]. ]. Uz putove angiopoetin/Tie2 [47], preslušavanje endotela i pericita regulirano je signaliziranjem TGF superfamilije [48], VEGF [49] i signalnim putovima sfingozin-1-fosfata (S1P) [50].

3.4. Periciti kao prekursor miofibroblasta

Modeli praćenja genetske linije miševa pokazali su da su periciti (i druge perivaskularne stanice) glavni izvor -SMA pozitivnih miofibroblasta u mišjim modelima bubrežne fifibroze [51,52]. Zapravo, nedavna elegantna studija koja uključuje sekvenciranje jednostanične RNA odredila 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]. Tijekom diferencijacije od pericita do miofibroblasta, primijećene su promjene staničnog ciklusa koje su u skladu s diferencijacijom i ekspanzijom, a obogaćeni putovi uključivali su signalizaciju kanonskog WNT-a i aktivatorskog proteina-1 (AP-1), kao i aktiviranje transkripcije faktor 2 (ATF2), PDGFR, integrin, interakcija receptora izvanstaničnog matriksa (ECM) i TGF-signalni putovi [53]. Prethodno je pokazano da se mali dio stanične populacije PDGFR plus sastoji od perivaskularnih Gli1 plus progenitora koji označavaju perivaskularnu staničnu populaciju sličnu MSC-u za koju se pokazalo da također ključno doprinosi fifibrozi organa izazvanoj ozljedom stvaranjem miofibroblasta [54] . Štoviše, pokazalo se da onkogen homolog 1 (Gli1) povezan s gliomom plus gubitak pericita inducira razrjeđivanje kapilara i proksimalno tubulno oštećenje [55]. Važno je napomenuti, budući da su periciti prethodno bili povezani i blisko povezani s MSC-ima [56], ovo također postavlja pitanje mogu li podskup pericita biti MSC-i i kao takvi pridonijeti regeneraciji bubrega. Zapravo, mnoga su istraživanja otkrila multipotentnu ulogu poput progenitora pericita u različitim tkivima [35,57,58].

Uzeto zajedno, mikrovaskularno razrjeđivanje izravno doprinosi skupu miofibroblasta koji su odgovorni za prekomjerno stvaranje ECM proteina koji su glavni sastojak ožiljnog tkiva kod fibroze. Osim toga, prijelaz pericita u miofibroblast uzrokuje odvajanje pericita od vaskularne stijenke, što rezultira nestabilnim kapilarama koje bi same po sebi uzrokovale razrjeđivanje [52]. Unatoč tome, glavni utjecaj razrjeđivanja na patogenezu kroničnog zatajenja bubrega uzrokovan je gubitkom bubrežne perfuzije koji dodatno pogoršava medularnu ishemiju i potiče razvoj intersticijske fifibroze, koja je posredovana pojačanom ekspresijom TGF-a i čimbenika rasta vezivnog tkiva (CTGF) [59]. Dakle, mikrovaskularna refakcija može dobro funkcionirati kao profibrotični prekidač koji ograničava brzinu u patogenezi kroničnog zatajenja bubrega. Doista, terapije usmjerene na interakciju endotelne stanice i pericita, npr. 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 terapijski cilj.

Na temelju gore navedenog, jasno je da složena vaskularna arhitektura bubrega stvara više perivaskularnih odjeljaka, svaki sa svojim specifičnim funkcijama i zahtjevima. Stoga su potrebna buduća istraživanja usmjerena na dubinsku klasifikaciju bubrežnih pericita karakterizacijom subpopulacija na temelju njihove lokacije, morfologije stanica i funkcije. Kao takvi, novi modaliteti snimanja koji imaju za cilj neinvazivni pristup krvnim žilama male veličine mogli bi pružiti ove bitne informacije. Kao što je prikazano na području neurobiologije [12], dobro definirana kategorizacija različitih podtipova pericita mogla bi pružiti nove puteve za razvoj ciljane terapije za vaskularne poremećaje.

4. Modaliteti vaskularne slike

Različite bolesti bubrega odražavaju karakterističan obrazac ultrastrukturnih promjena. Kao rezultat tehnološkog napretka u području biomedicinskog oslikavanja, bubrežni fiziološki i patofiziološki mehanizmi razotkriveni su tijekom posljednjih nekoliko desetljeća [63]. Usredotočujući se na anatomske i morfološke promjene arhitekture tkiva, naše znanje o bubrežnoj bolesti progresivno se povećavalo što je poboljšalo dijagnostiku i pružilo inovativne mogućnosti liječenja. Međutim, dinamička promjena krvnih žila uglavnom je zanemarena zbog izazova istraživanja vaskularnog ponašanja 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 s (novim) biomarkerima u području vaskularne nefrologije. Na primjer, pokazali smo da su nekodirajuće RNA usko povezane s vaskularnom ozljedom [64,65]. Kombiniranjem ovih mjerenja mogu se dobiti novi (uzročni) odnosi i nove mogućnosti dijagnoze. Štoviše, kada se novi modaliteti snimanja spoje s nedavnim razvojem tehnika temeljenih na jednoj stanici, kao što je sekvenciranje jednostanične RNK i prostorna transkriptomika [53,66,67], to bi moglo omogućiti dubinsku analizu sastava i dinamike bez presedana. bubrežne vaskulature. Sljedeći odjeljci sažimaju već dostupne ex vivo i in vivo modalitete snimanja za istraživanje morfoloških i funkcionalnih aspekata bubrežne mikrovaskulature.

4.1. Ex vivo

Velik dio našeg znanja o bubrežnoj mikrovaskulaturi proizlazi iz sveobuhvatne ex vivo analize biopsija tkiva. U skladu s tim, terapija temeljena na stanicama često se procjenjuje sečenjem i bojenjem tkiva. Iako postoje mnoge studije koje istražuju terapijski učinak MSC-a na bubrežnu vaskulaturu [68], malo je istraživačkih skupina iskoristilo prednosti sofisticiranih modaliteta snimanja, kao što je mikrokompjutorizirana tomografija (micro-CT), za procjenu terapije MSC-a ispitivanjem 3D arhitekture. bubrežne vaskulature [69-74].

4.1.1. Mikro-kompjutorizirana tomografija (Micro-CT)

Uvođenje mikrokompjutorizirane tomografije (micro-CT) Flanneryja i sur. [75] 1987. otvorio je nove puteve za proučavanje intaktne vaskulature glodavaca u cilju stjecanja znanja o mehanizmima bolesti s visokom prostornom rezolucijom. Ovaj ex vivo modalitet omogućio je vizualizaciju bubrežne mikrovaskularne arhitekture i kvantifikaciju glomerularnog broja, prostorne distribucije i volumena, što se može koristiti kao pokazatelj patofiziološkog stanja cijelog organa [76]. Rezolucija u jednom 3D vidnom polju s 10243 voksela omogućila je vizualizaciju aferentnih i eferentnih arteriola, kao i glomerularnih kapilara bubrega glodavaca. Kod štakora je korištena veličina rekonstituiranog 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 području mikro-CT-a pružio je mogućnost snimanja krvnih žila nefrona štakora s razlučivošću voksela od 1 µm unutar vidnog polja skeniranja od 2 mm [79].

Na temelju tehnike kvantifikacije koju su razvili Hillman et al. [80] korištenjem konvencionalnog CT-a, arhitektura žila i vaskularni volumen unutar različitih odjeljaka bubrežnog tkiva određeni su u skladu sa sličnim studijama, koje su procjenjivale bubrežne žile na temelju histoloških presjeka tkiva [77]. Zanimljivo je da je primjenom slikovnih modaliteta kao što je mikro-CT povećana važnost istraživanja peritubularnih kapilara i njihove uključenosti u patološka stanja uz konvencionalni način razmišljanja o ulozi glomerularne kapilarne mreže.

Rane strukturne promjene mikrovaskulature mogu se vizualizirati i detektirati pomoću mikro-CT-a, pa stoga nije iznenađujuće da je mikro-CT-om identificirano nekoliko molekularnih mehanizama na vaskularnoj razini koji su uključeni u bubrežnu bolest. U različitim modelima bubrežne bolesti, kao što je policistična bolest bubrega (PKD), opisana je korelacija između patologije i smanjene mikrovaskulature utvrđene mikro-CT-om s razlučivošću veličine voksela od 17 µm [81]. Štoviše, povećana kortikalna mikrovaskularna gustoća uočena je kod hiperkolesterolemije kao rani znak progresivnog morfološkog oštećenja bubrega [78]. U štakora s kroničnom podvezivanjem žučnih vodova mikroCT-om je otkrivena kortikalna hipoperfuzija, što može objasniti poremećaj retencije soli i vode s daljnjom progresijom bolesti [82]. Osim toga, kod stenotičnih bubrega povećani oksidativni stres povezan je s mikrovaskularnim remodeliranjem bubrega, a predložene su mogućnosti liječenja kroničnom antioksidativnom intervencijom [83].

Velika prednost mikro-CT-a je u tome što se može definirati aksijalna, kao i radijalna geometrija vaskularnih sustava [84]. Osim vizualizacije vaskularne arhitekture bubrega u 3D, može se procijeniti prostorna gustoća mikrožila [78,83], može se odrediti gustoća i veličina krvnih žila promjera do 80 µm u različitim anatomskim odjeljcima bubrega [77,78,83,85 ], a može se uočiti i zakrivljenost krvnih žila [83]. Štoviše, vaskularni kapilarni volumen glomerula, kao i peritubularne kapilare mogu se razlikovati i kvantificirati unutar korteksa [82].

Standardizirani protokol kvantifikacije široko se koristi za istraživanje mikrovaskularnih promjena unutar dobro definiranih kortikalnih i medularnih odjeljaka na strukturnoj razini kako bi se odredila vaskularna gustoća i promjer [77,82]. Ngo i sur. [84] proveli su usporednu studiju mikro-CT-a i svjetlosne mikroskopije i zaključili da je kvantifikacija geometrije bubrežne vaskulature dobivena mikro-CT-om izvediva i točna tehnika. Jedina dodana vrijednost svjetlosnog mikroskopa u usporedbi s mikro-CT-om je ta što omogućuje razlikovanje arterija i vena kroz mogućnost vizualizacije vaskularne stijenke. Međutim, primjenom mikro-CT-a, arterije promjera 100 odnosno 60 µm štakora i zečeva mogu se vizualizirati u 3D. Međutim, male krvne žile manje od 10 µm ne mogu se ispravno identificirati pomoću mikro-CT-a, što ukazuje na potrebu povratka na imunohistokemiju kako bi se uhvatile čak i najmanje bubrežne kapilare [85].

4.1.2. Fluorescentna mikroskopija svjetlosnog lista (LSFM)

S uvođenjem fluorescentne mikroskopije svjetlosnog lista (LSFM), danas se mogu postići slike visoke rezolucije velikih volumena u razumnom vremenu [86,87]. Kroz dostupnost LSFM-a, interes je pomaknut s rutinski primjenjivanih konvencionalnih histoloških tehnika koje uključuju rezanje tkiva, nakon čega slijedi bojenje mikrovaskulature, prema prikazivanju tkiva kao cjeline. Volumetrijska analiza je povoljna jer se ne ispituje samo odabrani dio tkiva, već je i dinamički karakter arhitekture i ponašanja žile sačuvan u 3D prikazu.

Kako bi se zadržale 3D informacije, biološki uzorak se čini prozirnim putem različitih protokola za čišćenje optičkog tkiva (OTC) kako bi se minimaliziralo rasipanje svjetlosti i apsorpcija svjetlosti za daljnje FL fluorescentno bojenje [87]. Posljednjih su godina OTC metode stekle popularnost jer 3D snimanje pruža priliku za proučavanje intaktnih organa koje je moguće zahvaljujući suvremenom napretku LSFM-a. Konstrukcija netaknutog organa ili čak cijele životinje s rezolucijom na staničnoj razini u 3D može se postići u roku od nekoliko minuta [88]. Uz rezoluciju usporedivu s konfokalnom FL fluorescentnom mikroskopijom, LSFM, međutim, ima dva reda veličine bolji omjer signala i šuma, dramatično smanjujući izbjeljivanje FL fluorofora i fototoksičnost, omogućujući obradu slika velikih razmjera potrebnu za OTC [89]. Dodatne prednosti su veći snimljeni broj slika i brzina snimanja, dok je ukupno trajanje snimanja mnogo kraće.

Otkako je uveden LSFM, nekoliko OTC protokola je poboljšano i dorađeno za različite uzorke tkiva i organe koji potječu od nekoliko vrsta. Posljednjih godina, netoksično čišćenje na bazi otapala etil cinamatom (ECi) naširoko se primjenjuje za čišćenje mišjih bubrega [88,90,91]. Ovaj protokol oduzima manje vremena, kao na primjer pionirski protokoli CLARITY (jasno kruto oslikavanje hibridizirano hibridiziranim lipidima), CUBIC (jasni, neometani kokteli oslikavanja mozga/tijela i računalna analiza) i/ili DISCO (trodimenzionalno oslikavanje organi očišćeni otapalom), ali nudi relativno razumno čišćenje bubrega s malom količinom preostale autofluorescencije. Ertürk i kolege [92] izvršili su izvanredan posao, koji su uspješno očistili cijeli ljudski bubreg novim pristupom permeabilizacije tkiva nazvanim SHANEL (učinkovito čišćenje i označavanje ljudskih organa posredovano malim micelama). Utvrđeno je da zona korteksa ima dimenzije od oko 2742 ± 665 mm (srednja vrijednost ± SD) koja sadrži glomerularne kapilare promjera 221 ± 37 mm, a aferentna arteriola ima promjer 71 ± 28 mm. Štoviše, visoko sofisticirani okvir temeljen na dubokom učenju za kvantificiranje neuronske vaskulature nakon OTC-a, nazvan VesSAP (cijevovodi za segmentaciju i analizu krvnih žila), razvijen je u području neuroznanosti [93].

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

Ukratko, jedna važna prednost primjene tehnika kao što su mikro-CT ili SFM je ta što se može uhvatiti prostorna distribucija krvnih žila i identificirati strukturna razrijeđenost vaskularne mreže s prikladnom rezolucijom za prikaz gotovo svih bubrežnih kapilarnih struktura. Međutim, obje tehnike zahtijevaju fiksaciju i stoga se mogu izvesti samo ex vivo. Za praćenje morfoloških i funkcionalnih promjena bubrežne mikrovaskulature, poželjne su in vivo strategije snimanja vremena.

4.2. In Vivo

Primjena in vivo modaliteta snimanja ponudila bi priliku za procjenu stanične terapije u stvarnom vremenu i validaciju mogućih terapijskih učinaka na vaskularnoj razini. Kao posljedica toga, napredak u polju in vivo biomedicinskog oslikavanja zahtijeva proučavanje učinaka MSC-a na bubrežnu vaskulaturu. Samo je mali broj studija primijenio in vivo snimanje za ispitivanje djelovanja MSC-a, koristeći multifotonsku mikroskopiju (MPM) [94], CT [95,96] i magnetsku rezonanciju (MRI) [95-97].

4.2.1. Višefotonska mikroskopija (MPM)

Multifotonska mikroskopija (MPM) ovisi o istovremenoj apsorpciji dva ili više fotona samo unutar žarišne ravnine, a postala je dostupna 1995. [98]. Dinamički procesi mogu se vizualizirati in vivo na staničnoj razini, a osim proučavanja protoka krvi u bubrežnim žilama [63], MPM nudi mogućnost praćenja različitih bubrežnih mikrovaskularnih segmenata u stvarnom vremenu. Visoka rezolucija omogućuje vizualizaciju aferentnih i eferentnih arteriola i glomerularnih kapilara. Iako je tehnički moguće pristupiti medularnoj mikrocirkulaciji, ipak ostaje izazov zbog dubine prodiranja [98]. Međutim, moguće je vizualizirati cijeli glomerul s približnim promjerom od 100 µm i dobiti pristup dinamičkim procesima na staničnoj razini.

Važno je da se in vivo mikrovaskularno curenje može vizualizirati i kvantificirati kroz ekstravazaciju Evans plavog u fibrotičnim bubrezima pomoću MPM [99]. Broj prokrvljenih kapilara je kvantificiran, a promjer je određen daleko ispod 10 µm. Nedavno je naša istraživačka skupina primijenila MPM kako bi pružila in vivo dokaze da organoidi bubrega izvedeni iz ljudskih pluripotentnih matičnih stanica (hPSC) stvaraju funkcionalnu vezu s već postojećom bubrežnom vaskulaturo u miševa nakon subkapsularne transplantacije bubrega [100,101].

Prednosti MPM-a su odsutnost FL fluorescencije izvan fokusa i ograničeno fotoizbjeljivanje unutar žarišne regije [98]. Međutim, jedan od nedostataka je ograničena dubina snimanja koja zahtijeva primjenu prozora za snimanje abdomena za pristup bubrežnoj vaskulaturi in vivo [102,103]. Ovaj abdominalni prozor omogućuje in vivo snimanje nekoliko tjedana do jednog mjeseca; međutim, umetanje takvog slikovnog prozora zahtijeva invazivnu operaciju i povezano je s mogućnošću upale. Štoviše, prozori slike se ponekad izgube i može doći do nekroze tkiva [102]. Očito je da se ovaj način snimanja ne može prevesti u kliničku praksu.

Zanimljiva alternativa za neinvazivno praćenje kapilarnog protoka krvi uz krevet je moguća od uvođenja ručne vitalne mikroskopije (HVM) u kliničku praksu [104]. Iako se ovaj modalitet snimanja temelji na potpuno drugačijoj tehnologiji, tj. video-mikroskopima bočnog toka i incidentnog tamnog polja, on nudi procjenu površno smještenih kapilara u stvarnom vremenu. Novi klinički implementirani algoritmi, poznati kao softverski paketi MicroTools, omogućuju automatiziranu mikrovaskularnu analizu slika ukupne i perfuzirane gustoće krvnih žila za pristup angiogenezi, dilataciji/suženju krvnih žila i ravnoteži tekućine, kao i kapacitetu isporuke kisika na temelju kapilarnog hematokrita i brzine eritrocita [105]. ]. Međutim, ti modaliteti nisu prikladni za proučavanje bubrežne mikrovaskulature zbog ograničene dubine prodiranja.

4.2.2. Kompjuterizirana tomografija (CT)

Neinvazivni modaliteti snimanja koji mogu pratiti i kvantificirati morfološke i funkcionalne promjene bubrežne mikrovaskulature vrlo su potrebni da bi se odredila uloga mikrovaskulature u napredovanju bolesti do KBB-a. Iako je uzročna veza između prorijeđivanja kapilara i progresije bubrežne fibroze prepoznata već mnogo godina, Ehling i sur. [3] prvi su proveli neinvazivne kvalitativne i kvantitativne analize anatomskih i funkcionalnih vaskularnih promjena tijekom progresije CKD-a. Progresivno opadanje bubrežnog volumena krvi primijećeno je in vivo mikro-CT-om pojačanim kontrastom u tri mišja modela s progresivnom fifibrozom bubrega, tj. ishemijsko-reperfuzijska ozljeda (IRI), jednostrana ureteralna opstrukcija i Alport miševi. Osim funkcionalnih promjena mikrožila, peritubularni vaskularni gubitak korelirao je sa stvaranjem fibrotičnog tkiva unutar sva tri modela miša s KBB-om. Međutim, da bi se dobile informacije o točkama grananja, promjeru krvnih žila i zakrivljenosti, bio je potreban ex vivo mikroCT, što ukazuje na potrebu za novim tehnologijama biomedicinskog snimanja koje omogućuju pristup mikrožilama in vivo s rezolucijom bliskom staničnoj.

Glavna prednost CT-a je u tome što se vizualizacija bubrežne vaskulature postiže u roku od nekoliko minuta uz razumnu rezoluciju, 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-om mišjih bubrega u fiziološkim i patološkim stanjima poboljšana perfuzijom fosfovolframove kiseline (PTA) kako bi se pojačao kontrast unutar krvnih žila [106]. Iako postoji ograničenje da se arterije i vene ne mogu jasno razlikovati jedne od drugih, rezolucija s veličinom voksela od 40 µm in vivo i veličinom voksela od 12,5 µm ex vivo zabilježila je organizaciju do razine lučnih krvnih žila.

Još jedan veliki nedostatak korištenja CT-a za praćenje bubrežne bolesti je, međutim, potreba za korištenjem jodiranih radiografskih kontrastnih sredstava. Poznato je da ova kontrastna sredstva uzrokuju nefrotoksičnost, što je kontraindikacija za kliničku primjenu u bolesnika 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 bubrežna mikrovaskularna refakcija. Slično tome, kontrastna sredstva na bazi gadolinija koja se naširoko koriste u MRI uklanjaju se putem bubrega i čini se da uzrokuju oštećenje bubrega [110].

4.2.3. Magnetna rezonancija (MRI)

MRI je uveden u kliničku praksu 1980-ih i odmah je postao jedna od najčešće korištenih slikovnih tehnika [111]. MRI je neinvazivni i neionizirajući modalitet snimanja koji primjenjuje jako magnetsko polje i korištenjem izmjene kontrastnog sredstva T1 i T2 mogu se otkriti svojstva opuštanja krvi. Štoviše, angiografija magnetske rezonancije (MRA) vizualizira vaskularnu arhitekturu malih životinja korištenjem kontrastnog sredstva na bazi gadolinija. Međutim, glavni nedostatak MRA je teška uporaba potrebnog kontrastnog sredstva. Srećom, bubrežna perfuzija može se odrediti sa i bez potrebe za kontrastnim sredstvima, što nudi i prednosti i ograničenja [112].

Bez upotrebe kontrastnog sredstva, spin-obilježavanje iskorištava prednost endogene vode kao difuzibilnog tragača koji omogućuje samo kvantificiranje perfuzije unutar bubrežnog korteksa budući da je vrijeme medularnog prolaza predugo da bi se uhvatilo. Štoviše, da bi se odredio bubrežni protok krvi, mjere se fazni pomaci spinova duž jednog smjera, što implicira potrebu za okomitom ravninom snimanja prema arterijama od interesa za postizanje točnog mjerenja [112]. Stoga ne čudi da 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 ovisnom o razini kisika u krvi (BOLD) [112,113]. Međutim, glavno ograničenje funkcionalne MRI je postizanje pouzdanih i ponovljivih rezultata u organima koji su pod utjecajem respiratornih pokreta, što uključuje bubreg, iako je manje osjetljiv na artefakte pokreta u usporedbi s jetrom ili crijevom [112]. Unatoč činjenici da su studije izvedivosti provedene funkcionalnom MRI od 1,5 Tesla dale veliko obećanje pri izvođenju vokselske kvantifikacije [114], abnormalnosti perfuzije mogle su se otkriti samo u patološkim područjima postavljajući pitanje hoće li se manje vaskularne promjene dovoljno otkriti. Uvođenjem MRI skenera s jakošću magnetskog polja od 3.0 Tesla, omjer signala i šuma je strahovito poboljšan [115,116], međutim, postignuta rezolucija ostaje problem.

Razlučivost koju daje MRI uglavnom ovisi o jakosti magnetskog polja i može se optimizirati za bilo koje magnetsko polje prilagodbom sekvenci impulsa [111]. Prostorna razlučivost je uglavnom ograničena omjerom signala i šuma koji zahtijeva brzo vrijeme prikupljanja i općenito postiže razlučivost od 3 × 4 mm u veličini piksela [117]. Čak i kada se primijeni visoko magnetsko polje od 7 Tesla, najbolja rezolucija koju možete postići s BOLD je oko 500 µm. Osim nezadovoljavajuće razlučivosti i ograničenja vizualizacije većine dinamičkih procesa, još jedan veliki nedostatak je to što je MRI povezan s visokim troškovima i zahtijeva posebne objekte i održavanje.

4.2.4. Ultrazvuk

Napredak u ultrazvuku uveo je promjenu paradigme za neinvazivno praćenje strukturnih i funkcionalnih bubrežnih mikrovaskularnih promjena i otvorio nove puteve za istraživanje malih krvnih žila s prijenosnim sustavom uz relativno nisku cijenu. U štakorskom modelu akutne ishemije uzrokovane teškom hipoperfuzijom tijekom 1 sata, bubrežni protok krvi procijenjen je u stvarnom vremenu korištenjem ultrazvuka u boji i Doppler ultrazvuka s pulsnim valom (PW) [118]. Color Doppler slika također je otkrila poteškoće u vizualizaciji arkuatnih arterija zbog njihove relativno male veličine i okomitog pozicioniranja sonde za hvatanje arterijskog protoka potrebnog za izračunavanje brzine krvi i primjenu Doppler korekcije kuta. Međutim, brzina krvi mogla se izračunati samo na intrarenalnim arterijama, tj. segmentalnim, interlobarnim i arkuatnim arterijama. Sukladno tome, podaci o mikrocirkulaciji nisu se mogli dobiti zbog ograničenja razlučivosti konvencionalnog ultrazvuka.

S uvođenjem ultrabrze Doppler ultrazvučne tehnologije, veća razlučivost mogla bi se postići nefokusiranim prijenosom valova koji šalje nekoliko sinkronih valova velikom brzinom sličica istovremeno u jednom cijelom vidnom polju, umjesto skeniranja redak po redak putem primjene prijenos fokusiranog snopa [119]. Ovaj prijenos ravnog vala temeljni je koncept ultrabrzog Doppler ultrazvučnog snimanja i omogućuje otkrivanje kortikalnih žila transplantiranog ljudskog bubrega promjera ispod 1 mm [120]. Štoviše, ultrabrzi Doppler ultrazvuk pruža vrlo povoljnu in vivo tehniku ​​za praćenje mikrovaskularne refakcije bubrega u pretkliničkim studijama (Slika 3A). Unatoč napretku ultrabrzog Doppler ultrazvuka, pristup kapilarnoj razini još uvijek se oslanja na korištenje sredstava s pojačanim kontrastom [121]. Ipak, nema spomena vrijednih sigurnosnih pitanja pri korištenju kontrastnog sredstva za Doppler ultrazvuk, osobito u usporedbi s CT i MRI kontrastnim sredstvima koja često pokazuju nefrotoksičnost [122]. Međutim, nevjerojatna rezolucija mišje bubrežne vaskulature može se postići in vivo (Slika 3B).

Ultrazvučna lokalizacijska mikroskopija (ULM) riješila je kompromis između prostorne razlučivosti i dubine penetracije, s jedne strane, primjenom ultrabrzog Doppler ultrazvučnog snimanja, as druge strane, korištenjem ultrazvučnih kontrastnih sredstava u obliku mikromjehurića ispunjenih plinom [121,123,124]. Između ostalih, Errico i sur. [123] predložili su ULM za snimanje kranijalnih mikrožila promjera 10 µm po cijeloj dubini mišjeg mozga koji je debljine približno 10 mm. U nedavnoj publikaciji, Demené et al. [125] mogli bi uhvatiti dinamiku cerebrovaskularnog protoka krvi na mikroskopskoj razini duboko u ljudskom mozgu praćenjem intravenozno ubrizganih mikromjehurića pojedinačno kako bi se poboljšala slika super-razlučivosti i omogućila vaskularna rezolucija do 25 µm. Da bismo shvatili ovo nevjerojatno postignuće, ključno je spomenuti da nijedan drugi neinvazivni način snimanja ne bi mogao vizualizirati mikrovaskulaturu in vivo ispod milimetarske skale. Kako bi se postigla ova izvanredna prostorna rezolucija in vivo, postojala su dva glavna izazova koja je trebalo prevladati: aberacija lubanje i artefakti kretanja. Iako primjena ULM-a za trbušne organe kao što je bubreg nije ometena aberacijom koštanih struktura, artefakti pokreta predstavljaju veliku poteškoću. Međutim, nedavne in vivo studije uspješno su pružile prve pokušaje snimanja bubrežne vaskulature pomoću ULM [5,126,127].

Mogli su se razlikovati različiti vaskularni odjeljci unutar bubrega štakora, a primjenom mikromjehurića povećana je razlučivost kako bi se vizualizirali tanki snopovi krvnih žila vasa recta koji su međusobno udaljeni 400 µm [5]. Dodatno, aksijalna brzina krvi, tj. ispod 2 mm/s, povezana s protokom bubrežnih mikrožila procijenjena je praćenjem ubrizganih mikromjehurića promjera 1 µm koji mogu doseći promjer žile manji od 20 µm. Song i sur. [127] snimili su bubrežne kortikalne mikrožile zečeva i mogli su jasno razdvojiti krvne žile in vivo s promjerom od 76 µm. Iako se respiratorni pokreti mogu ispraviti, artefakti kretanja izvan ravnine i dalje su izazovni i nemoguće ih je ispraviti jer se slikovni podaci ne mogu u potpunosti dobiti [5].

Nedavno je progresija AKI-a u CKD proučavana ultrabrzim Doppler ultrazvukom s pojačanim kontrastom na mišjem modelu unilateralne IRI [6]. Ubrizgavanjem mikromjehurića identificirane su male bubrežne krvne žile od 32 µm i kvantificirane su vaskularne promjene u bubregu, tj. volumen bubrežne krvi, gustoća krvnih žila i zavojitost. Vaskularna gustoća korteksa i kortikomedularnog spoja dobivena ultrazvukom tijekom snimanja in vivo bila je u skladu s kvantifikacijom dobivenom nakon imunološkog bojenja CD31, što je prepoznato kao zlatni standard u vaskularnoj biologiji. Ovo je u skladu s drugom studijom koju su proveli Cao i sur. [128], koji je ilustrirao da se težina AKI može odrediti ultrazvukom s pojačanim kontrastom ubrizgavanjem mikromjehurića. Mjerenja bubrežne perfuzije in vivo usko su povezana s oštećenjem bubrega utvrđenim na histološkoj razini.

U skladu s tim ultrazvučnim studijama, Hueper et al. [7] prethodno su predložili da bubrežna perfuzija može predvidjeti progresiju AKI-a u CKD utvrđenu MRI-om.

Ultrazvučno oslikavanje bubrežne vaskulature pojačano mikromjehurićima već je uspješno provedeno kod ljudi za određivanje bubrežne mikrovaskularne perfuzije i pokazalo je velike perspektive za dijagnozu [129-133]. Zanimljivo je da je ovaj način snimanja primijenjen u transplantaciji bubrega za određivanje statusa perfuzije bubrežnih alografta, što može pružiti prikladno neinvazivno očitavanje za predviđanje akutnog odbacivanja [134]. Osim ovisnosti o operateru koja može predstavljati ograničenje pri korištenju ultrazvuka, snaga dogovora između promatrača bila je vrlo visoka između dva čitača što odražava veliku izvedivost pri primjeni u kliničkom okruženju [132]. Zbog prenosivosti, uštede vremena i jednostavne prilagođene primjene, ultrazvuk s mikromjehurićima pojačanim kontrastom pruža izvrsne perspektive za procjenu bubrežne mikrovaskulature u kliničkoj praksi, osobito kod bolesnika na intenzivnoj njezi [135]. Ova tehnologija stoga nudi veliko obećanje za prijenos u kliničku praksu nakon uspješnog svladavanja korekcije artefakata pokreta abdomena za robusno praćenje mikromjehurića s visokom preciznošću.

5. Zaključci i perspektive

Zapanjujuća heterogenost vaskularne arhitekture bubrega odražava njezinu složenu funkcionalnu raznolikost i podijeljenost, s logičnom posljedicom da proučavanje mikrovaskularnih promjena i razrijeđenosti zahtijeva sofisticirane modalitete snimanja. Razvoj, primjena i poboljšanje in vivo modaliteta snimanja za proučavanje bubrežnih vaskularnih bolesti omogućit će bolje razumijevanje djelovanja staničnih terapija kao što je MSC na vaskularnoj razini i može razjasniti specifične biomarkere koji se mogu pratiti tijekom progresije bolesti.

Reference

1. Chade, AR Vaskularna struktura i razrijeđenost bubrega. Kompr. Physiol. 2013, 3, 817–831. [CrossRef] [PubMed]

2. Chade, AR Male žile, 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 mikrokompjutorizirana tomografija vaskularne disfunkcije kod progresivnih bolesti bubrega. J. Am. Soc. Nefrol. 2016, 27, 520–532. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, TK; Knicely, DH; Grams, ME Dijagnoza i liječenje kronične bubrežne bolesti: pregled. Physiol. ponašaj se 2019, 322, 1294–1304. [CrossRef] [PubMed]

5. Foiret, J.; Zhang, H.; Ilovitsh, T.; Mahakian, L.; Tam, S.; Ferrara, KW Ultrazvučna lokalizacijska mikroskopija za prikaz 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 poremećaja bubrežne perfuzije u miševa—usporedba s histopatološkim rezultatima i bubrežnom funkcijom. Radiologija 2014, 270, 117–24. [CrossRef]

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

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

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

12. Armulik, A.; Abramson, A.; Betsholtz, C. Interakcije endotel/pericit. Circ. Res. 2005., 97, 512–523. 03.16652.d7. [CrossRef]

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

13. Evans, RG; Eppel, GA; Anderson, WP; Denton, KM Mehanizmi koji leže u osnovi diferencijalne kontrole protoka krvi u bubrežnoj srži 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 Bubrežna medularna cirkulacija. Kompr. 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 bubrežnoj vaskulaturi: Uloge u zdravlju i bolesti. Nat. vlč. Nefrol. 2018, 14, 521–534. [CrossRef]

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

20. 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 čimbenika koji pridonose patofiziologiji progresivne bubrežne bolesti. Kidney Int. 2008, 74, 860–866. [CrossRef]

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

22. Pallone, TL Složeni vaskularni snopovi, debeli uzlazni krakovi i akvaporini: istiskivanje vanjske medule. 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. vlč. Nefrol. 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. vlč. Nefrol. 2019, 15, 87–108. [CrossRef]

27. Dugi, DA; Norman, JT; Dobro, LG Obnavljanje bubrežne mikrovaskulature za liječenje kronične bolesti bubrega. Nat. vlč. Nefrol. 2012, 8, 244–250. [CrossRef]

28. Choi, YJ; Chakraborty, S.; Nguyen, V.; Nguyen, C.; Kim, BK; Shim, SI; Suki, WN; Truong, LD Peritubularni gubitak kapilara povezan je s kroničnim tubulointersticijskim oštećenjem u ljudskom bubregu: promijenjena ekspresija faktora rasta vaskularnog endotela. Pjevušiti. Pathol. 2000, 31, 1491–1497. [CrossRef]

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

30. Serón, D.; Alexopoulos, E.; Raftery, MJ; Hartley, B.; Cameron, JS Broj poprečnih presjeka intersticijskih kapilara procijenjenih monoklonskim antitijelima: odnos s oštećenjem intersticija. Nefrol. Biraj. Presaditi. 1990, 5, 889–893. [CrossRef]