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Organoide renal

La enfermedad renal crónica afecta a 1 de cada 9 estadounidenses y a más de 300 millones de personas en todo el mundo. De éstos, aproximadamente el 2,5% tiene una etapa terminal de insuficiencia renal y requieren tratamiento con diálisis o de trasplantes para sobrevivir. El trasplante de riñón es la forma preferida de terapia de reemplazo; el 85% de los receptores sobreviven más de 5 años, en comparación con aproximadamente un 40% de los que se somenten a diálisis. Sin embargo, hay una escasez crítica de donantes de órganos y además los tiempos de espera pueden ser superiores a 5 años en muchos centros de Estados Unidos. Además, los receptores del trasplante deben tomar potentes agentes inmunosupresores para prevenir el rechazo. Los avances en la biología de células madre y en medicina regenerativa, alienta la esperanza de que algún día, la ingeniería tisular de órganos, con baja inmunogenicidad, pueda resolver el problema de la escasez de órganos. Pese a que se han producido rápidos avances en la regeneración de ciertos tejidos y de diversos tipos celulares (por ejemplo, de islotes del páncreas y de la tráquea), el riñón presenta algunos desafíos específicos.

El riñón maduro es un órgano exquisitamente complejo que contiene más de 20 tipos especializados de células. Además de estar compuesto de múltiples células diferenciadas, cada riñón contiene aproximadamente 1 millón de unidades de filtración conocidas como nefronas, que reciben cerca de un 20% del gasto cardíaco y producen 180 litros de filtrado urinario primario cada día. El proceso de filtrado asegura la excreción del exceso de sales y fluidos, de productos de desecho metabólicos y de toxinas exógenas. Además, el riñón y sus células especializadas orquestan muchos otras funciones fisiológicas críticas, incluyendo la regulación de la presión arterial, el pH, así como también la producción de glóbulos rojos y hormonas necesarias para la salud ósea.

Los experimentos embriológicos clásicos, realizados por Grobstein en la década de 1950, identificaron dos tipos de células progenitoras: del mesénquima metanéfrico (MM) y de la yema ureteral epitelial (UB, del inglés ureteric bud). Estas células son necesarias y suficientes para formar todos los tipos celulares subsecuentes, las nefronas maduras y las del sistema recolector renal. Estas dos poblaciones de células fundadoras, se derivan del mesodermo intermedio del feto. Un avance importante en la regeneración tisular ha sido proporcionada por la identificación de - cuatro genes: OCT4 (también llamado POU5F1), KLF4, MYC (o CMYC), y SOX2 - los que codifican los denominados factores de Yamanaka, capaces de establecer una reprogramación somática, de células ya diferenciadas hacia un estado inducido de células madre pluripotentes (iPSC, del inglés induced pluripotent stem cells). Dichas células pueden proliferar y dar lugar a cualquier tipo de célula en el cuerpo. Posteriormente, los investigadores determinaron el cóctel de genes y factores de crecimiento necesarios para provocar la diferenciación de las iPSC en células del MM o de la UB. Utilizando el conocimiento de estos hallazgos, se podrían crecer componentes del riñón maduro en laboratorio, sin embargo existe un gran obstáculo: cómo persuadir a estos dos tipos de células para diferenciarse, para producir un  riñón funcional, de una de manera coordinada.

Al alterar el tiempo de exposición, dosis, y la presencia de factores de crecimiento, el estudio de Minoru Takasato y colegas (doi:10.1038/nature15695) reportó recientemente un método en cultivos tridimensionales, los que contienen hasta 500 nefronas individuales, en el que se gatilló la formación de nefronas a partir de iPSC humanas, a través de la generación de estructuras tipo riñón, denominadas organoides (figura 1). Utilizando marcadores moleculares, se confirmó la presencia de poblaciones incipientes de UB y MM,  mostrando que estos progenitores son capaces de diferenciarse en tipos celulares especializados de la nefrona, incluyendo podocitos, células del túbulo proximal y nefronas distales. El mismo cóctel de factores de crecimiento, promovió el desarrollo de células del endotelio vascular, algunas de los cuales se convirtieron en glomérulos, esenciales para la filtración. Adicionalmente se observaron células del estroma, localizadas entre las nefronas.

Figura 1. Creación de un organoide renal.

Las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) se derivan de tejidos maduros (por ejemplo, la piel) mediante la introducción de cuatro genes que codifican los llamados factores de Yamanaka (OCT4 [conocido como POU5F1], KLF4, MYC [también llamado MYC], y SOX2). Si el donante de células de la piel lleva una mutación en un gen, todas y cada una de las iPSC contendrán la misma mutación. Tales células tienen el potencial de convertirse en cualquier tipo celular del cuerpo, lo que es determinado por el cóctel específico de factores de crecimiento que se proveen. Takasato y sus colegas identificaron la combinación de factores necesarios para impulsar a las iPSC a convertirse en progenitores renales (mesodermo intermedio) lo que a su vez puede dar lugar a muchos tipos diferentes de células maduras de riñón. Este proceso, en última instancia, genera una organoide tipo riñón que contiene 500 nefronas o unidades filtradoras. Ciertas aplicaciones clínicas inmediatas pueden incluir pruebas de la nefrotoxicidad de medicamentos actuales o nuevas, tratando al organoide con el compuesto y determinando posibles lesiones renales. Adicionalmente, el organoide llevará la misma mutación genética en células obtenidas de la donante original, permitiendo a los investigadores estudiar la función de tales genes y probar nuevos fármacos para el tratamiento de la enfermedad resultante de la mutación, en una estructura fisiológicamente relevante. El objetivo a largo plazo será optimizar el cóctel de factores de crecimiento para crecer tejidos renales más grandes y complejos, los que serían adecuados para el trasplante de órganos.

El potencial clínico de este descubrimiento es evidente. La capacidad de producir estructuras renales con poblaciones celulares representativas de tres compartimentos (nefronas, conducto colector, y del estroma), junto con vasos sanguíneos, acerca el objetivo de alcanzar la meta de una generación de riñones mediante ingeniería tisular para el trasplante. El desarrollo de riñones a partir de iPSC obtenidas de pacientes, podría proporcionar una fuente de órganos autólogos compatibles con el propio sistema inmune del afectado. Aunque se requieren de pasos adicionales para producir riñones con capacidad de filtración completamente funcional y de sistemas vasculares capaces de manejar las demandas de los riñones endógenos, este estudio representa un paso importante para alcanzar ese objetivo.

Una aplicación inmediata es el uso organoides de riñón para la detección de efectos nefrotóxicos de medicamentos nuevos o ya disponibles, evitando la necesidad de los costosos estudios in vivo. En esta investigación, se demostró la viabilidad de esta aplicación: se observaron lesiones tubulares y apoptosis en la exposición del organoide al cisplatino, un agente nefrotóxico conocido. Otra gran oportunidad, es la posibilidad de desarrollar organoides a partir de células de pacientes con enfermedades renales genéticas, que proporcionarían un modelo de tejido complejo (fisiológica y genéticamente idénticos a los individuos a partir de los cuales se derivan las iPSC) para la determinación de patogenicidad y para la prueba de nuevas terapias.