Billeddannelse af den renale mikrocirkulation i celleterapi

Kontakt:ali.ma@wecistanche.com

Katerina Apelt et

Cistanche stamme til nyresygdom, klik her for at få prøven

Abstrakt:

Renalmikrovaskulær sjældenhed spiller en central rolle i progressivnyresygdom. Derfor vil modaliteter til at visualisere mikrocirkulationen af ​​nyrerne øge vores forståelse af sygdomsmekanismer og kan følgelig give nye tilgange til evaluering af cellebaseret terapi. I øjeblikket mangler klinisk praksis imidlertid ikke-invasive, sikre og effektive billeddiagnostiske modaliteter til at overvåge renale mikrovaskulære ændringer over tid hos patienter, der lider af nyresygdom. For at understrege vigtigheden opsummerer vi den nuværende viden om nyremikrocirkulation og diskuterede involveringen i progressiv nyresygdom. Desuden præsenteres en oversigt over tilgængelige billeddannelsesteknikker til at afdække renal mikrovaskulær morfologi, funktion og adfærd med de tilhørende fordele og begrænsninger. I sidste ende kan nødvendigheden af ​​at vurdere og undersøge nyresygdom baseret på in vivo udlæsninger med en opløsning op til kapillærniveau give et paradigmeskifte for diagnose og terapi inden for området.nefrologi.

Nøgleord: nyre; mikrocirkulation; mikrovaskulærsjældenhed; celleterapi; billeddannelse

1. Introduktion

Nyrevaskulaturen har en anatomisk kompleks arkitektur, som afspejler dens unikke fysiologiske funktion [1]. På trods af den meget dynamiske tilpasning af det mikrovaskulære netværk til hæmodynamiske ændringer, kan vaskulær dysfunktion være konsekvensen eller endda årsagen tilnyresygdomsudvikling og progression [2,3]. Følgelig kan mikrovaskulær dysfunktion tjene som et tidligt kendetegn for fibrotisk nyreskade, hvilket implicerer, at ikke-invasiv vurdering og validering af renal mikrovaskulær arkitektur og funktion ville være en stor forbedring for at vurdere effektiviteten af ​​terapier rettet mod reduktion af renal fifibrose.

I klinisk praksis, sværhedsgraden af ​​kronisknyresygdom (CKD) er klassificeret baseret på den glomerulære filtrationshastighed (GFR), som afspejles mildt (60-89 ml/min/1,73 m2), moderat (30-59 ml/min/1,73 m2) eller alvorligt (15-29 ml/ min/1,73 m2 ) faldtnyrefungerebaseret på foruddefinerede kategorier [4]. Sygdomsprogression til fremskreden CKD og nyresygdom i slutstadiet (ESRD) er defineret ved forekomsten af ​​glomerulosklerose og tubulointerstitiel fifibrose med en GFR på mindre end 15 ml/min/1,73 m2. Adskillige undersøgelser har vist, at fænomenet med tab af nyrekapillærer, dvs. renal mikrovaskulær sjældenhed, er tæt korreleret med sværhedsgraden af ​​nyresygdommen og er involveret i biologien af ​​efterfølgende progression mod CKD [3,5-7]. Dannelsen af ​​renal fifibrose blev fremhævet som et centralt kendetegn for et sådant peritubulært kapillærtab og deraf følgende nyreepiteltab. Hvis mikrovaskulaturen i nyrerne kan beskyttes eller endda genoprettes, ville nyrens strukturelle vævsintegritet forbedres, og sygdomsprogression kan forhindres [2,8]. Derudover kan et terapeutisk vindue potentielt defineres for at vurdere sværhedsgraden af ​​skaden, før graden af ​​nyreskade er irreversibel. Især kan udnyttelse af celleterapier såsom lovende anvendelser af mesenkymale stromale celler (MSC'er) vurderes og forfines til behandling af renale vaskulære sygdomme. Imidlertid er en detaljeret forståelse af renal mikrovaskulær sjældenhed stadig hæmmet af fraværet af billeddannelsesmodaliteter, der muliggør høj opløsning og ikke-invasiv overvågning af kararkitektur og funktionalitet.

I denne gennemgang opsummerer vi den nuværende viden om den renale mikrovaskulatur og de patologiske mekanismer, der kan påvirke mikrocirkulationen. Vi diskuterer vigtigheden af ​​pericytter og giver indsigt i deres centrale rolle i at forårsage nyresygdomsprogression gennem mikrovaskulær dysfunktion og sjældenhed, samt udvikling afnyrefibrose. Vi beskriver efterfølgende nye udviklinger inden for billeddannelsesteknikker, der kan overvåge sådanne ændringer i nyrernes mikrocirkulation.

2. Nyrevaskulaturen

2.1. Den renale blodcirkulation

Den menneskelige krops mikrovaskulatur består af arterioler, kapillærer og venuler og bevirker udvekslingen af ​​ilt, næringsstoffer og metabolitter mellem blodet og det omgivende væv [8,9]. Åbenbart er mikrocirkulationens vitale funktion stramt reguleret baseret på organets metaboliske behov. Hovedansvaret for arterioler er at regulere blodgennemstrømningen ved at justere modstanden for at sikre, at den vitale udveksling på niveau med kapillærer kan udføres [10]. I denne henseende er kontinuerlig tilpasning til den homøostatiske efterspørgsel af det underliggende væv hovedsageligt afhængig af den dynamiske plasticitet af endotelceller. På samme tid er endotelsundheden i mikrocirkulationen afhængig af den tætte intercellulære kommunikation med pericytter, der fysisk stabiliserer blodkarrene, regulerer angiogenese og kontrollerer blodgennemstrømningen [11,12].

Nyren er et stærkt vaskulariseret organ, der udviser unikke morfologiske og funktionelle karakteristika, som afspejler den bemærkelsesværdige heterogenitet af dets vaskulære netværk [1,10]. Blod kommer ind i nyren via nyrearterien gennem hilum (Figur 1), som yderligere deler sig dikotomt i nyrebækkenet i segmentale arterier og forgrener sig progressivt i niveau med den lille bæger til interlobare arterier, som spredes mellem nyrepyramiderne [1,13 ]. Ved grænsen mellem cortex og medulla strømmer interlobare arterier ind i de bueformede arterier, og danner en anatomisk adskillelse mellem begge nyrekompartmenter [1]. I cortex opstår interlobulære arterier, også kendt som cortical radiate arteries eller cortical penetrerende arterioler, vinkelret op fra buede arterier og divergerer i afferente arterioler for at forsyne de forskellige grene af det glomerulære træ. Afhængigt af glomerulis placering samles filtreret blod i den kortikale kapillære plexus, der omgiver de proksimale og distale tubuli eller den medullære kapillære plexus i niveau med Henles løkke. Endelig dræner blodet ind i venesystemet, som løber parallelt med det arterielle netværk, der forlader nyren via den interlobulære, bueformede, interlobare, segmentale og til sidst renalvenen lige over urinlederen. Generelt er dette grundlæggende vaskulære mønster bevaret på tværs af pattedyr [14,15].

2.2. Nyrens kapillære netværk

Kompleksiteten af ​​den renale mikrovaskulaturarkitektur afspejles af en forskelligartet morfologi af de forskellige nyreblodkar (figur 2). Den strukturelle og funktionelle heterogenitet af nyreendotelet og deres omgivende perivaskulære celler går tæt hånd i hånd med typen af ​​kapillært netværk [15-17]. Faktisk er tilstedeværelsen af ​​forskellige kapillære lejer et bemærkelsesværdigt træk, der sikrer filtrering gennem det glomerulære kapillære netværk, samt sekretion og reabsorption via det peritubulære kapillære netværk og det medullære kapillære netværk [1,13,14]. Den kortikale mikrocirkulation sikrer hovedsageligt reabsorptionen af ​​det glomerulære filtrat, hvorimod salt- og vandudskillelsen overvejende reguleres af det medullære mikrovaskulære kompartment [14]. Interessant nok, selvom medulla udgør cirka 30 procent af den samlede nyrevævsmasse, udgør kun 10 procent af den totale renal blodgennemstrømning (RBF) denne del [10]. Baseret på den anatomiske position kan den renale mikrocirkulation opdeles i (i) kortikal mikrocirkulation; og (ii) medullær mikrocirkulation [13,14].

Den kortikale mikrocirkulation er fysisk adskilt af de buede arterier, der giver anledning til interlobulære arterier, der yderligere forgrener sig fra begge sider til flere afferente arterioler for at forsyne det glomerulære kapillærnetværk [14]. Forgreningen sker i en anden vinkel afhængigt af glomerulis placering i cortex. Via den afferente arteriole forsynes det glomerulære kapillærnetværk bestående af 6-8 kapillærløkker med blod, der efter filtrering udgår via den efferente arteriole [10]. Glomerulære kapillærer (figur 2a) er dannet af et tyndt, kontinuerligt og for det meste fladt fenestreret endotel, som er dækket af podocytter. De fenestrerede områder kan tage op til 20-50 procent af hele deres celleoverflade [16]. De kortikale glomeruli udgør 90 procent af alle glomeruli, der findes i nyrerne, og derfor er det ikke overraskende, at det meste af RBF overvejende strømmer igennem [13]. De resterende 10 procent af alle glomeruli ligger ved den cortico-medullære grænse og er større i størrelse. Udover størrelsesforskellene på glomeruli kan strukturelle forskelle mellem afferente og efferente arterioler, der forsyner de kortikale og juxtamedullære glomeruli, forklares med betydningen af ​​at bevare kapillærtrykket.

For at sikre korrekt blodfiltrering er diameterforskellen mellem kortikale afferente (figur 2b) og kortikale efferente (figur 2c) arterioler 15 µm versus 10 µm [13]. Blodtrykket reguleres ved siden af ​​afferente arterioler ved hjælp af modstandsændringer, hvilket forklarer det kontinuerlige endotel, der er pakket ind af glatte muskelceller (SMC'er) [18]. En nærmere inspektion af den afferente arteriole afslører tilstedeværelsen af ​​to vaskulære segmenter i stedet for et ensartet endotel langs hele karlængden, som man normalt støder på. Den proksimale del af den afferente arteriole er sammensat af et ikke-permeabelt endotel med tæt arrangerede SMC'er, som er nødvendige for karkontraktion. I modsætning til den distale del, som ligger tæt på glomerulus og består af et permeabelt endotel på grund af tilstedeværelsen af ​​fenestration. Interessant nok er denne fenestration et temmelig ualmindeligt træk i kar med højt intravaskulært tryk. Desuden omslutter terningformede renin-producerende pericytter den distale del af den afferente arteriole for at mediere reguleringen af ​​lokalt blodtryk i glomerulus [17,19].

Filtreret blod forlader hver af de kortikale glomeruli via den efferente arteriole for at samles i den tætte kortikale kapillære plexus, der omgiver nyretubuli [10]. Bortset fra det glomerulære kapillærsystem er dette andet kapillærkammer kendt som det peritubulære kapillærsystem [16]. De peritubulære kapillærer (figur 2d) er fenestrerede og tyndvæggede med en gennemsnitlig diameter på ca. 7 µm [13,15]. Disse kapillærer leverer ilt og næringsstoffer til tubuli i nyrebarken, men ikke nødvendigvis til den de stammer fra [10,15]. Peritubulære kapillærer udviser et mere kontinuerligt endotel samt en mindre diameter sammenlignet med medullære kapillærer i vasa recta [13,16]. Ved nyresygdom vil den glomerulære skade endelig påvirke de nedstrøms sekventielt arrangerede peritubulære kapillærer og derved accelerere nyresygdomsprogression [10,20].

Den juxtamedullære afferente arteriole (figur 2e) har en omtrentlig diameter på 20 µm, mens den juxtamedullære efferente arteriole (figur 2f) har en tykkere indre diameter på 20-25 µm [13]. Den efferente arteriole, der forlader den juxtamedullære glomerulus, er stærkt omgivet af flere SMC'er. Denne mærkbare forskel i kardiameter, såvel som en øget muskularisering, rejser debatten om involveringen af ​​denne glomerulus-type i iskæmi. Det ser ud til, at den renale vaskulære arkitektur er organiseret på en bestemt måde for at bevare medulla fra iskæmisk skade. Der er den hypotese, at afferente og efferente arterioler i de juxtamedullære glomeruli muligvis ikke er ansvarlige for at regulere medullært blodkammer (MBF), men dette ville også være i potentiel modstrid med deres rolle til at kontrollere den glomerulære filtrationshastighed [21]. I stedet ser det ud til, at den nedadgående vasa recta (DVR) af de vaskulære bundter placeret i den indre stribe af den ydre medulla er ansvarlig for at kontrollere MBF, hvilket kan forklare det høje antal pericytter, der omslutter dette karrum. DVR spiller derfor en nøglerolle i den langsigtede regulering af arterielt tryk [13]. Efferente arterioler forbundet med de juxtamedullære glomeruli strømmer gennem de vaskulære bundter, som er placeret i den indvendige stribe af den ydre medulla, bliver til DVR. DVR'en giver anledning til det medullære kapillærnetværk, der er forbundet med ascendens vasa recta (AVR) [1].

Den medullære mikrocirkulation starter, når de efferente arterioler, der stammer fra de juxtamedullære glomeruli, trænger dybere ind i vævet for at forsyne de resterende 30 procent af nyrevævet kendt som medulla [13,14]. Medulla af en nyrepyramide er anatomisk opdelt i to dele: den ydre medulla beliggende lige under cortex, efterfulgt af den indre medulla, der spreder sig indtil spidsen af ​​parenkymet, kaldet papillen. Generelt stiger antallet af medullære kapillærer fra nyrepyramidespidsen. Nærmere observation indikerer, at den ydre medulla yderligere kan underopdeles i den ydre strimmel og den stærkt vaskulariserede indre strimmel, der indeholder den tætte kapillære plexus og interbundle plexus [15]. De interbundte kapillærer er karakteriseret ved et fenestreret endotel og er forbundet med den buede vene [14,22].

Hver juxtamedullær efferente arteriole opdeles i flere bundter, kendt som de vaskulære bundter, for at danne grenene af DVR'en (Figur 2g), der har en større diameter sammenlignet med de peritubulære kapillærer i cortex [15,23]. Adskillige pericytter er knyttet til endotelet af DVR'en af ​​de vaskulære bundter [17]. Interessant nok falder antallet af pericytter, der omslutter karrene, i DVR (Figur 2h) af den indre medulla [15,17]. Dette morfologiske arrangement af DVR i det ydre og indre medulla-rum afspejler dens dobbelte funktion [10]. For at uddybe, optræder vasokonstriktion af DVR for det meste i den proksimale del, som er beliggende i den ydre medulla [15]. I den distale del, dvs. den indre medulla, finder der dog hovedsageligt elektrolytudveksling sted. Denne anatomiske forskel indebærer direkte en distinkt subpopulation af pericytter med hensyn til morfologisk udseende og funktionelle egenskaber [15,17].

Dybt inde i den indre medulla splittes forskellige grene af DVR'en op i et komplekst kapillarnetværk, før de forbindes til den væsentligt mindre AVR [10]. DVR'ens endotel er kontinuerlig i modsætning til endotelcellerne i AVR'en (figur 2i), som er stærkt fenestrerede. Til sidst opsamles alt blodet fra AVR, såvel som de peritubulære kapillærer i cortical capillary plexus ind i venesystemet. Generelt viser nyrevener en ekstremt tynd karvæg, og interlobulære, buede og interlobare vener er fenestrerede og indeholder mellemgulv. Overraskende nok viser interlobulære vener generelt større ligheder med peritubulære kapillærer end med vener på grund af det tynde og stærkt fenestrerede epitel.

De forskellige renale mikrovaskulære segmenter og deres elegante morfologiske udseende på celleniveau giver anledning til mistanke om, at den eksisterende kompleksitet er oversat til en endnu mere kompliceret sygdomsmekanisme. Derfor fokuserer det følgende afsnit på de underliggende processer involveret i renale mikrovaskulære funktionsfejl.

3. Renale mikrovaskulære funktionsfejl

3.1. Endotel dysfunktion

Det renale endotel er for det meste hvilende under fysiologiske forhold; som reaktion på mikromiljøændringer, dvs. forskydningsstress, hypoxi, oxidativt stress eller inflammation, sker der imidlertid endotelcelleaktivering, og angiogene vækstfaktorer produceres [24]. Afhængigt af triggeren kan endotelcelleaktivering inducere en pro-inflammatorisk og pro-trombotisk fænotype for at fremme immuncelleadhæsion og infiltration til mikrotrombidannelse. For at opretholde den vaskulære barriere for passende omfattende regulatorisk funktion og permeabilitet for transport af opløste stoffer er det imidlertid vigtigt at regulere den metaboliske tilstand af hvilende såvel som aktiverede endotelceller tæt.

Vævsintegritet og organfunktion er hovedsageligt afhængig af passende perfusion af det mikrovaskulære netværk [8]. Derfor er det ikke overraskende, at endotelceller udviser høj plasticitet for at sikre dynamisk tilpasning til miljøændringer ved at justere kapillærtallet, morfologiske form og funktion [1,2,8]. En længere periode med forhøjet blodtryk forårsager imidlertid irreversible ændringer i mikrocirkulationen, hvilket giver anledning til beskadigede endotelceller karakteriseret ved svækkede tilpasningsegenskaber. Denne forstyrrede homeostase afspejles af en reduktion af nitrogenoxid (NO), hypoxi-inducerbar faktor-1 (HIF-1) og vaskulær endotelvækstfaktor (VEGF), sammen med en stigning af andre faktorer som f.eks. som angiostatin, endostatin og trombospondin [1]. Især er modtageligheden over for endoteldysfunktion i nyrerne forskellig og afhænger af den endotelcelletype, der er placeret i de forskellige kompartmenter i nyrernes mikrocirkulation [16,24]. For at belyse de heterogene fænotyper af renale endotelceller og deres forskellige respons på mikrovaskulære ændringer, Dumas et al. [25] for nylig tilvejebragt et højopløseligt atlas over nyreendotelet ved at bruge enkeltcellet RNA-sekventering.

Endothelial dysfunktion opstår ofte samtidig med et akut og progressivt fald i nyrefunktionen [24]. Denne funktionsfejl forårsager en øget vaskulær modstand, som er ledsaget af en reduktion i RBF [26]. En længere periode med vasokonstriktion forårsager utilstrækkelig vævsperfusion og aktivering af stress- og vækstfaktorer, der fører til morfologiske ændringer [1]. Afhængigt af sværhedsgraden og især varigheden af ​​en given fornærmelse, kan RBF ændres irreversibelt ved at indføre strukturelle ændringer i mikrocirkulationen. Disse morfologiske ændringer er forårsaget af en proces kendt som mikrovaskulær ombygning. Mikrovaskulær remodellering er defineret som respons på funktionelle ændringer af mikrovaskulaturen, som følgelig kan forårsage ændring af mikrovaskulær arkitektur på et strukturelt niveau i et sidste forsøg på at nå hæmodynamisk homeostase [1,2,8]. Endelig kan endoteldysfunktion resultere i et fænomen kaldet 'no-reflow', hvorved perfusionen ikke kan genoprettes, hvilket i sidste ende fører til tubulær epitelcelleskade, der resulterer i akut nyreskade (AKI) [24].

Det er af stor betydning at fremhæve, at endoteldysfunktion ikke kun er forbundet med nyresygdom, men også aktivt driver sygdomsprogression [24]. Renal mikrovaskulær funktionsfejl afspejles af endotel dysfunktion fremkaldt af celleskade, som forstyrrer den tætte interaktion af pericytter med endotellaget og hæmmer cellulær kommunikation.

3.2. Pericyte involvering i nyrefejl

Et centralt træk ved CKD er det progressive tab af det peritubulære kapillære netværk, en proces, der omtales som sjældenhed [27]. Tubulointerstitiel fifibrose, såvel som beskadiget tubulært epitel, er forudgået af denne kapillære sjældenhed i nyren [27], mens denne mikrovaskulære sjældenhed er direkte korreleret med sværhedsgraden af ​​fifibrose [28,29]. Desuden har omfanget af sjældenhed vist sig at forudsige graden af ​​interstitiel skade såvel som ændringer i den glomerulære filtrationshastighed hos CKD-patienter [28]. Disse resultater tyder på en tidlig, hastighedsbegrænsende rolle for mikrovaskulær destabilisering/tab i udviklingen af ​​CKD og patogenesen af ​​fibrose [30]. Kronisk endotelcelleaktivering af kardiovaskulære risikofaktorer kan forårsage tab af pericytter, der spiller en kritisk rolle i stabilisering og proliferation af kapillærer via interaktioner med endotelceller [31]. Faktisk påviser akkumulering af beviser vigtigheden af ​​pericytter og deres involvering i renal mikrovaskulær sundhed [17].

Pericytter er perivaskulære muralceller med aflange processer, der dækker endotelet, som er indlejret i basalmembranen af ​​kapillærer [32]. De er celler af mesenkymal oprindelse og stammer fra Forkhead box D1 (FoxD1) plus stromal progenitor population, som også giver anledning til de andre muralceller i nyrevaskulaturen, herunder SMC'er, residente fibroblaster, reninceller og mesangiale celler [33], mens alle endotelceller i nyrevaskulaturen stammer fra stamcelleleukæmi (SCL) plus progenitorer [34]. Pericytter er forskellige fra residente (perivaskulære) fibroblaster, da de er indlejret i den vaskulære basalmembran, men de fleste undersøgelser i nyren skelner ikke mellem pericytter og perivaskulær fibroblaster [31,35], sandsynligvis på grund af mangel på specifikke markører. Markører, der almindeligvis bruges til at identificere pericytter, omfatter blodplade-afledt vækstfaktorreceptor- (PDGFR), chondroitinsulfat proteoglycan NG2, -glatmuskelaktin (SMA), cluster of differentiation 73 (CD73) og PDGFR, men disse markører identificerer forskellige ( overlappende) undergrupper af pericytter lokaliseret til forskellige anatomiske regioner, hvilket afspejler heterogeniteten af ​​denne cellepopulation [17] og højst sandsynligt også funktionel heterogenitet. Pericytter regulerer vaskulær udvikling, stabilisering, modning og ombygning [11] og kontrollerer blodgennemstrømningen ved vasokonstriktion. Pericytter reguleres funktionelt af vasokonstriktive faktorer såsom angiotensin II og adenosintriphosphat (ATP), samt af vasodilatatoriske faktorer som NO og prostaglandiner [17]. Modningen af ​​blodkar er afhængig af rekrutteringen af ​​perivaskulære celler for at stabilisere vaskulaturen og kontrollere blodtrykket [12].

I nyrerne omslutter pericytter de distale dele af de afferente arterioler i de corticale glomeruli og er hovedsageligt til stede ved de peritubulære kapillærer og ved vasa recta [13,19]. Derudover er mesangiale celler en (specialiseret) undergruppe af renale pericytter, der er vigtige for at opretholde strukturel støtte til glomerulære kapillærer og regulere glomerulær hæmodynamik. Endvidere medierer kontraktile juxtaglomerulære pericytter lokaliseret ved arteriolerne lokalt glomerulært blodtryk og påvirker det systemiske blodtryk gennem reninsekretion [19]. Interessant nok er renin-precursorceller, der stammer fra det stromale rum, spatiotemporalt forbundet med udvikling af blodkar, mens arteriel forgreningsdannelse viste sig at være forudgået af fremkomsten af ​​renin-udtrykkende celler ved forgreningspunktet [33,36]. Ved anvendelse af transgene renin reporter zebrafisk blev det desuden vist, at renin-udtrykkende celler går forud for angiogene spirer [37]. I den voksne musenyre observeres celler af renin-oprindelse også i perivaskulær placering og co-farve med pericyte markører (PDGFR /NG2) [38], hvilket tyder på en muligvis vigtig rolle for denne undergruppe i vaskulær vedligeholdelse.

3.3. Endotelcelle-pericyt-signaleringsinteraktioner

Pericytter interagerer med endotelcellerne gennem et væld af gensidige interaktioner, der regulerer de signalveje, der kræves til stabilisering og angiogen spiring. Pericytsignal til endotelet gennem udskilte faktorer såsom VEGF, PDGF, transformerende vækstfaktor- (TGF- ) og angiopoietin-1 (Ang-1), såvel som ved direkte endotel-pericyt-krydsning [39 ]. På samme måde signalerer endotelet til omgivende stromaceller ved hjælp af faktorer som angiopoietin-2 (Ang-2) ​​og PDGF. Ang-2 interfererer negativt med Ang-1-medieret Tie-2-signalering, hvilket resulterer i afbrydelse af pericyte-endotelcelle-interaktion og efterfølgende kardestabilisering og unormal mikrovaskulær remodellering [40,41]. Den kritiske betydning af interaktionen mellem perivaskulære stromaceller og endotelceller i opretholdelsen af ​​kapillærnetværket er også bevist af museundersøgelser, der viser, at når investeringen af ​​pericytter hæmmes, destabiliseres kapillærnetværket og sjældenhed forekommer [42]. For eksempel øger hyperglykæmi endothelial Ang-2-ekspression, hvilket får perivaskulære stromale celler til at migrere væk fra kapillærer [43]. Nylige undersøgelser fra vores laboratorium viste, at både hos rotter [44] og i humane donornyrer [45] fører iskæmi-reperfusionsskade til en hurtig forhøjelse af Ang-2/Ang-1-balancen, som er forbundet med tab af mikrovaskulær integritet. Hos patienter med diabetes blev der desuden observeret en reversering af kapillærsundheden og et fald i Ang-2/Ang-1-forhold og opløseligt trombomodulin (markør for endotelcelleskade) inden for 12 måneder efter samtidig nyre-pancreas-transplantation [46 ]. Ved siden af ​​angiopoietin/Tie2-vejene [47] reguleres endotel-pericytkrydsning af TGF-superfamiliesignalering [48], VEGF [49] og sphingosin-1-phosphat (S1P) signalveje [50].

3.4. Pericytter som forløber for myofifibroblaster

Murine genetiske afstamningssporingsmodeller har vist, at pericytter (og andre perivaskulære celler) er hovedkilden til -SMA-positive myofifibroblaster i musemodeller af renal fifibrose [51,52]. Faktisk har en nylig elegant undersøgelse, der involverer enkeltcellet RNA-sekventering, udpeget tre hovedkilder til myofibroblaster i humane nyrer: (i) NOTCH3 plus RGS5 plus PDGFR - pericytter; (ii) MEG3 plus PDGFR plus fibroblaster; og (iii) COLEC11 plus CXCL12 plus fibroblaster [53]. Under pericyt-til-myofibroblast-differentiering blev cellecyklusændringer observeret, som er i overensstemmelse med differentiering og ekspansion, og berigede veje inkluderede kanonisk WNT- og aktivatorprotein-1 (AP-1)-signalering samt aktiverende transkription faktor 2 (ATF2), PDGFR, integrin, ekstracellulær matrix (ECM) receptorinteraktion og TGF-signalveje [53]. Det er tidligere blevet vist, at en lille del af PDGFR plus cellepopulationen består af perivaskulær Gli1 plus progenitorer, der markerer en perivaskulær MSC-lignende cellepopulation, som også blev påvist at være nøglebidragydere til skadeinduceret organfifibrose via generering af myofifibroblaster [54] . Desuden blev gliom-associeret onkogen homolog 1 (Gli1) plus pericyttab vist at inducere kapillær sjældenhed og proksimal tubulær skade [55]. Det skal bemærkes, at da pericytter tidligere har været forbundet og er tæt beslægtet med MSC'er [56], rejser dette også spørgsmålet om, hvorvidt en undergruppe af pericytter kan være MSC'er og som sådan bidrager til nyregenerering. Faktisk har mange undersøgelser fundet en multipotent progenitor-lignende rolle for pericytter i forskellige væv [35,57,58].

Tilsammen bidrager mikrovaskulær sjældenhed direkte til puljen af ​​myofibroblaster, der er ansvarlige for den overdrevne generering af ECM-proteiner, der er hovedbestanddelen af ​​arvæv i fibrose. Derudover forårsager overgang fra pericyte til myofibroblast løsrivelse af pericytter fra karvæggen, hvilket resulterer i ustabile kapillærer, der i sig selv ville forårsage sjældenhed [52]. Ikke desto mindre skyldes sjældenhedens hovedpåvirkning på patogenesen af ​​kronisk nyresvigt et tab af nyreperfusion, som yderligere forværrer medullær iskæmi og driver udviklingen af ​​interstitiel fifibrose, som medieres af den øgede ekspression af TGF- og bindevævsvækstfaktor (CTGF) [59]. Mikrovaskulær sjældenhed kan således meget vel fungere som en hastighedsbegrænsende pro-fibrotisk switch i patogenesen af ​​kronisk nyresvigt. Faktisk kunne terapier rettet mod endotelcelle-pericyt-interaktion, f.eks. rettet mod PDGFR- eller VEGF-receptorsignalering, forhindre myofibroblastovergang og begrænse udviklingen af ​​fibrose [60-62], hvilket illustrerer kapillærnetværkets nøglerolle ved nyreskade og som et potentielt terapeutisk mål.

Baseret på ovenstående er det klart, at nyrens komplekse vaskulære arkitektur genererer flere perivaskulære rum, hver med deres egne specifikke funktioner og krav. Derfor er fremtidig forskning med fokus på en dybdegående klassificering af renale pericytter ved at karakterisere subpopulationer baseret på deres placering, cellemorfologi og funktion påkrævet. Som sådan kan nye billeddannelsesmodaliteter, der sigter mod at få adgang til små blodkar ikke-invasivt, give denne væsentlige information. Som eksemplificeret af området neurobiologi [12], kunne den veldefinerede kategorisering af forskellige undertyper af pericytter give nye veje til udvikling af målrettet terapi for vaskulær funktionsfejl.

4. Vaskulære billeddannelsesmodaliteter

Forskellige nyresygdomme afspejler et karakteristisk mønster af ultrastrukturelle ændringer. Som et resultat af teknologiske fremskridt inden for biomedicinsk billeddannelse, blev nyrefysiologiske og patofysiologiske mekanismer afsløret i løbet af de sidste par årtier [63]. Ved at fokusere på anatomiske og morfologiske ændringer i vævsarkitekturen blev vores viden om nyresygdom gradvist udvidet, hvilket forbedrede diagnostik og gav innovative behandlingsmuligheder. Imidlertid er dynamisk ændring af blodkar hovedsageligt blevet ignoreret på grund af udfordringen med at undersøge vaskulær adfærd i tidsserieeksperimenter. Som følge heraf er der et udækket medicinsk behov for at udvikle ikke-invasive billeddannelsesteknikker til at overvåge hæmodynamikken i nyrernes mikrocirkulation [16].

Det ville også være interessant at koble billeddannelsesresultater til (nye) biomarkører inden for det vaskulære nefrologiske felt. For eksempel viste vi, at ikke-kodende RNA'er er tæt forbundet med vaskulær skade [64,65]. Kombination af disse målinger kan give nye (kausale) sammenhænge og nye muligheder for diagnose. Når nye billeddannelsesmodaliteter kombineres med den nylige udvikling af enkeltcellebaserede teknikker såsom enkeltcellet RNA-sekventering og rumlig transkriptomik [53,66,67], kunne dette give mulighed for en hidtil uset dybdegående analyse af sammensætningen og dynamikken af nyrevaskulaturen. De følgende afsnit opsummerer allerede tilgængelige ex vivo og in vivo billeddannelsesmodaliteter til undersøgelse af morfologiske og funktionelle aspekter af den renale mikrovaskulatur.

4.1. Eks Vivo

Meget af vores viden om renal mikrovaskulatur stammer fra omfattende ex vivo analyse af vævsbiopsier. Følgelig evalueres cellebaseret terapi ofte ved vævssektionering og farvning. Selvom der er mange undersøgelser, der undersøger den terapeutiske effekt af MSC'er på nyrevaskulaturen [68], har få forskergrupper draget fordel af sofistikerede billeddannelsesmodaliteter, såsom mikrocomputertomografi (mikro-CT), til at vurdere MSC-terapi ved at undersøge 3D-arkitekturen af nyrevaskulaturen [69-74].

4.1.1. Mikrocomputertomografi (Micro-CT)

Introduktionen af ​​mikrocomputertomografi (mikro-CT) af Flannery et al. [75] i 1987 har åbnet nye veje til at studere gnaveres intakte vaskulatur for at opnå viden om sygdomsmekanismer med en høj rumlig opløsning. Denne ex vivo modalitet muliggjorde visualisering af den renale mikrovaskulære arkitektur og kvantificering af glomerulært antal, rumlig fordeling og volumen, som kan bruges som en indikator for den patofysiologiske tilstand af hele organet [76]. Opløsningen i ét 3D-synsfelt med 10.243 voxels tillod visualisering af afferente og efferente arterioler såvel som de glomerulære kapillærer i gnavernyrer. Hos rotter blev der anvendt en rekonstitueret voxelstørrelse på 21 µm [77], og hos grise blev nyrevaskulaturen undersøgt med en voxelstørrelse på 40 µm og scanningssynsfelt på 1,2 mm [78]. Fremskridt inden for mikro-CT gav mulighed for at afbilde rottens nefronblodkar med en voxel-opløsning på 1 µm inden for et scanningssynsfelt på 2 mm [79].

Baseret på kvantificeringsteknikken udviklet af Hillman et al. [80] under anvendelse af konventionel CT blev kararkitektur og vaskulært volumen inden for forskellige nyrevævsafdelinger bestemt i overensstemmelse med lignende undersøgelser, som evaluerede nyrekar baseret på histologiske vævssnit [77]. Interessant nok, ved at anvende billeddannelsesmodaliteter såsom mikro-CT, blev vigtigheden af ​​at undersøge peritubulære kapillærer og deres involvering i patologiske tilstande ud over den konventionelle måde at tænke på rollen af ​​det glomerulære kapillærnetværk øget.

Tidlige strukturelle ændringer af mikrovaskulaturen kan visualiseres og detekteres ved mikro-CT, og derfor er det ikke overraskende, at adskillige molekylære mekanismer på det vaskulære niveau involveret i nyresygdom blev identificeret ved mikro-CT. I forskellige nyresygdomsmodeller, såsom ved polycystisk nyresygdom (PKD), blev der beskrevet en sammenhæng mellem patologi og en nedsat mikrovaskulatur bestemt ved mikro-CT med en opløsning på 17 µm voxelstørrelse [81]. Desuden blev en øget kortikal mikrovaskulær tæthed observeret ved hyperkolesterolæmi som et tidligt tegn på progressiv nyremorfologisk skade [78]. Hos rotter med kronisk galdegang ligering blev kortikal hypoperfusion påvist ved mikro-CT, hvilket kan forklare forstyrrelsen af ​​salt- og vandretention med yderligere sygdomsprogression [82]. Desuden var det øgede oxidative stress i stenotiske nyrer forbundet med renal mikrovaskulær ombygning, og behandlingsmuligheder blev foreslået gennem kronisk antioxidantintervention [83].

En stor fordel ved mikro-CT er, at den aksiale, såvel som den radiale geometri af vaskulære systemer, kan defineres [84]. Udover at visualisere den renale vaskulære arkitektur i 3D, kan den rumlige tæthed af mikrokar værdsættes [78,83], kardensitet og størrelse kan bestemmes med en diameter på op til 80 µm i forskellige anatomiske nyrerum [77,78,83,85 ], og karrenes tortuositet kan observeres [83]. Desuden kunne det vaskulære kapillære volumen af ​​glomeruli såvel som de peritubulære kapillærer skelnes og kvantificeres i cortex [82].

En standardiseret kvantificeringsprotokol er blevet brugt i vid udstrækning til at undersøge mikrovaskulær ændring i de veldefinerede kortikale og medullære rum på et strukturelt niveau for at bestemme den vaskulære tæthed og diameter [77,82]. Ngo et al. [84] udførte en sammenligningsundersøgelse af mikro-CT og lysmikroskopi og konkluderede, at kvantificeringen af ​​den renale vaskulaturgeometri erhvervet ved mikro-CT er en gennemførlig og nøjagtig teknik. Den eneste merværdi ved lysmikroskopisk billeddannelse sammenlignet med mikro-CT er, at den tillader skelnen mellem arterier og vener gennem muligheden for at visualisere den vaskulære væg. Ved at anvende mikro-CT kunne arterier på henholdsvis 100 og 60 µm i diameter hos henholdsvis rotter og kaniner visualiseres i 3D. Imidlertid kan små blodkar mindre end 10 µm ikke identificeres korrekt ved mikro-CT, hvilket opfordrer til behovet for at vende tilbage til immunhistokemi for at fange selv de mindste nyrekapillærer [85].

4.1.2. Light Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM)

Med introduktionen af ​​lysark-fluorescensmikroskopi (LSFM) kan højopløsningsbilleddannelse af store volumener i dag opnås inden for en rimelig tid [86,87]. Gennem tilgængeligheden af ​​LSFM blev interessen flyttet fra rutinemæssigt anvendte konventionelle histologiske teknikker, der inkluderer sektionering af vævet, efterfulgt af farvning af mikrovaskulaturen, til at afbilde vævet som dets helhed. Volumetrisk analyse er gunstig, fordi ikke kun en udvalgt del af vævet undersøges, men også den dynamiske karakter af kararkitektur og adfærd bevares i 3D-visning.

For at bevare 3D-informationen laves en biologisk prøve gennemsigtig via forskellige optiske vævsrensningsprotokoller (OTC) for at minimere lysspredning og lysabsorption for yderligere FL-fluorescerende farvning [87]. I de senere år har OTC-metoder vundet popularitet, da 3D-billeddannelse giver mulighed for at studere intakte organer var muligt på grund af moderne fremskridt inden for LSFM. Konstruktion af et intakt organ eller endda et helt dyr med en opløsning på celleniveau i 3D kan erhverves inden for få minutter [88]. Med en opløsning, der kan sammenlignes med konfokal FL-fluorescensmikroskopi, har LSFM imidlertid et to-ordens bedre signal-til-støj-forhold, hvilket dramatisk reducerer FL-fluoroforblegning og fototoksisk, hvilket muliggør storskala billedbehandling, der kræves til OTC [89]. Yderligere fordele er, at det optagede antal billeder og optagehastigheden er større, mens den samlede billedbehandlingsvarighed er meget kortere.

Lige siden introduktionen af ​​LSFM er adskillige OTC-protokoller blevet forbedret og forfinet for forskellige vævsprøver og organer afledt af flere arter. I de sidste år er den ikke-toksiske opløsningsmiddelbaserede clearing med ethylcinnamat (ECi) i vid udstrækning anvendt til at klare murine nyrer [88,90,91]. Denne protokol er mindre tidskrævende, som for eksempel banebrydende protokoller CLARITY (clear lipid-exchanged akrylamid-hybridized rigid imaging), CUBIC (clear, unobstructed brain/body imaging cocktails and computational analysis) og/eller DISCO (tredimensional imaging of opløsningsmiddel-clearede organer), men det giver en relativt rimelig rensning af nyren med en lav mængde autofluorescens tilbage. Bemærkelsesværdigt arbejde blev udført af Ertürk og kolleger [92], som med succes rensede en hel menneskelig nyre ved hjælp af en ny vævspermeabiliseringstilgang kaldet SHANEL (små micellemedieret menneskelig organeffektiv rensning og mærkning). Cortexzonen blev bestemt til at have dimensioner på omkring 2742 ± 665 mm (gennemsnit ± SD), der indeholdt glomerulære kapillærer med en diameter på 221 ± 37 mm, og den afferente arteriole havde en diameter på 71 ± 28 mm. Desuden er der udviklet en meget sofistikeret dyb læringsbaseret ramme til kvantificering af den neuronale vaskulatur efter OTC, kaldet VesSAP (vessel segmentation & analysis pipeline), inden for neurovidenskaben [93].

På trods af, at der er opnået mange store fremskridt inden for OTC i de senere år, er der stadig nogle ulemper tilbage, da ekspressionen af ​​endogene FL-fluoroforer for det meste ikke er tilfredsstillende bevaret, hvilket begrænser brugen af ​​transgene dyr. En stor bekymring er imidlertid, at den morfologiske størrelse af vævet og følgelig af vaskulaturen ændres af de skrappe opløsningsmidler, der kræves til OTC. Derudover forbliver den enorme mængde data produceret af LSFM en udfordring, ikke kun for korrekt datalagring og håndtering, men også for kvantitativ analyse [87].

I en nøddeskal er en vigtig fordel ved at anvende teknikker som mikro-CT eller SFM, at rumlig karfordeling kan fanges, og strukturel sjældenhed af det vaskulære netværk identificeres med en passende opløsning til at afbilde næsten alle de renale kapillære strukturer. Begge teknikker kræver dog fiksering og kan derfor kun udføres ex vivo. For at overvåge morfologiske og funktionelle ændringer af den renale mikrovaskulatur ønskes in vivo tidsbilleddannelsesstrategier.

4.2. In Vivo

Anvendelsen af ​​in vivo billeddannelsesmodaliteter ville give mulighed for at evaluere cellebaseret terapi i realtid og validere mulige terapeutiske effekter på det vaskulære niveau. Som følge heraf presser fremskridt inden for in vivo biomedicinsk billeddannelse for at studere MSC-baserede effekter på nyrevaskulaturen. Kun en håndfuld undersøgelser har anvendt in vivo-billeddannelse til at undersøge MSC-virkning ved at bruge multifotonmikroskopi (MPM) [94], CT [95,96] og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) [95-97].

4.2.1. Multifotonmikroskopi (MPM)

Multifotonmikroskopi (MPM) afhænger kun af den samtidige absorption af to eller flere fotoner inden for brændplanet, som blev tilgængeligt i 1995 [98]. Dynamiske processer kan visualiseres in vivo på cellulært niveau, og udover at studere den renale vaskulære blodgennemstrømning [63], giver MPM mulighed for at overvåge forskellige renale mikrovaskulære segmenter i realtid. Den høje opløsning tillader visualisering af de afferente og efferente arterioler og af glomerulære kapillærer. Selvom det er teknisk muligt at få adgang til marv-mikrocirkulationen, er det alligevel en udfordring på grund af penetrationsdybden [98]. Det er dog muligt at visualisere en hel glomerulus med en omtrentlig diameter på 100 µm og få adgang til dynamiske processer på celleniveau.

Det er vigtigt, at in vivo mikrovaskulær lækage kan visualiseres og kvantificeres gennem Evans blå ekstravasation i fibrotiske nyrer af MPM [99]. Antallet af perfunderede kapillærer blev kvantificeret, og diameteren blev bestemt langt under 10 µm. For nylig anvendte vores forskningsgruppe MPM til at give in vivo beviser for, at humane pluripotente stamceller (hPSC)-afledte nyreorganoider dannede en funktionel forbindelse med den allerede eksisterende renale vaskulatur i mus efter nyresubkapseltransplantation [100.101].

Fordelene ved MPM er fraværet af ude af fokus FL-fluorescens og begrænset fotoblegning inden for fokalområdet [98]. En af ulemperne er imidlertid den begrænsede billeddannelsesdybde, der kræver anvendelse af et abdominal billeddannelsesvindue for at få adgang til nyrevaskulaturen in vivo [102,103]. Dette abdominale vindue tillader in vivo billeddannelse i flere uger op til en måned; indsættelsen af ​​et sådant billedvindue kræver imidlertid invasiv kirurgi og er forbundet med en chance for inflammation. Desuden går billedvinduer nogle gange tabt, og vævsnekrose kan forekomme [102]. Det er klart, at denne billeddannelsesmodalitet ikke kan oversættes til klinisk praksis.

Et interessant alternativ til at overvåge kapillær blodgennemstrømning non-invasivt ved sengekanten er opnåeligt siden introduktionen af ​​håndholdt vital mikroskopi (HVM) i klinisk praksis [104]. Selvom denne billeddannelsesmodalitet er baseret på en helt anden teknologi, dvs. sidestream og indfaldende mørkefelts videomikroskoper, tilbyder den en realtidsvurdering af overfladiske lokaliserede kapillærer. Nye klinisk implementerede algoritmer, kendt som MicroTools-softwarepakker muliggør automatiseret mikrovaskulær billeddannelsesanalyse af total og perfunderet kartæthed for at få adgang til angiogenese, karudvidelse/konstriktion og væskebalance, såvel som ilttilførselskapacitet baseret på kapillærhæmatokrit og erytrocythastighed [105 ]. For at studere den renale mikrovaskulatur er disse modaliteter imidlertid ikke egnede på grund af deres begrænsede penetrationsdybde.

4.2.2. Computertomografi (CT)

Ikke-invasive billeddannelsesmodaliteter, der er i stand til at overvåge og kvantificere morfologiske og funktionelle ændringer af den renale mikrovaskulatur, er meget efterspurgte for at bestemme mikrovaskulaturens rolle i sygdomsprogression til CKD. Selvom en årsagssammenhæng mellem kapillær sjældenhed og progression af nyrefibrose har været anerkendt i mange år, Ehling et al. [3] var de første til at udføre ikke-invasive kvalitative og kvantitative analyser af anatomiske og funktionelle vaskulære ændringer under progressionen af ​​CKD. Et progressivt fald i renal blodvolumen er blevet observeret ved in vivo kontrastforstærket mikro-CT i tre murine modeller med progressiv nyre-fifibrose, dvs. iskæmi-reperfusionsskade (IRI), unilateral ureteral obstruktion og Alport-mus. Udover funktionelle ændringer af mikrokarrene korrelerede peritubulært vaskulært tab med dannelsen af ​​fibrotisk væv inden for alle tre CKD-musemodeller. Men for at få information om forgreningspunkter, kardiameter og snoethed var ex vivo mikro-CT påkrævet, hvilket indikerer behovet for nye biomedicinske billeddannelsesteknologier, der giver adgang til mikrokar in vivo med en tæt på cellulær opløsning.

En stor fordel ved CT er, at visualiseringen af ​​nyrevaskulaturen erhverves inden for få minutter med en rimelig opløsning, hvilket giver 3D-information om den vaskulære organisation. Ved at bruge jod-baserede kontrastmidler forbedres kontrasten, og der opnås en endnu mere detaljeret afbildning af mikrovaskulaturen. For nylig blev kvalitativ og kvantitativ vurdering ved mikro-CT af murine nyrer under fysiologiske og patologiske tilstande forfinet ved perfusion med phosphowolframsyre (PTA) for at øge kontrasten i blodkarrene [106]. Selvom begrænsningen, at arterier og vener ikke klart kunne skelnes fra hinanden, fangede opløsningen med en voxelstørrelse på 40 µm in vivo og en voxelstørrelse på 12,5 µm ex vivo organisationen op til niveauet af buede blodkar.

En anden stor ulempe ved at bruge CT til at overvåge nyresygdom er imidlertid nødvendigheden af ​​at anvende jodholdige radiografiske kontrastmidler. Disse kontrastmidler er kendt for at forårsage nefrotoksicitet, hvilket er en kontraindikation for klinisk anvendelse hos patienter med allerede eksisterende nyreinsufficiens [107-109]. Den akutte svækkelse af nyrerne på grund af det administrerede kontrastmiddel ændrer nyrernes hæmodynamik og forårsager medullær hypoxi, som især er uønsket ved undersøgelse af renal mikrovaskulær sjældenhed. Tilsvarende elimineres gadolinium-baserede kontrastmidler, der er almindeligt anvendt i MRI, af nyrerne og ser ud til at forårsage nedsat nyrefunktion [110].

4.2.3. Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)

MR blev introduceret i klinisk praksis i 1980'erne og blev straks en af ​​de mest anvendte billeddannelsesteknikker [111]. MR er en ikke-invasiv og ikke-ioniserende billeddannelsesmodalitet, der anvender et stærkt magnetfelt, og ved at bruge T1 og T2 kontrastmidlers ændring, kan blodets afslappende egenskaber påvises. Desuden visualiserer magnetisk resonansangiografi (MRA) den vaskulære arkitektur af små dyr ved at bruge et gadolinium-baseret kontrastmiddel. En stor ulempe ved MRA er imidlertid den vanskelige brug af det påkrævede kontrastmiddel. Heldigvis kan nyreperfusion bestemmes med og uden behov for kontrastmidler, der giver både fordele og begrænsninger [112].

Uden brug af et kontrastmiddel udnytter spin-mærkning endogent vand som et diffust sporstof, der kun gør det muligt at kvantificere perfusionen i nyrebarken, da den medullære transittid er for lang til at blive fanget. For at bestemme den renale blodgennemstrømning måles derudover faseforskydninger af spins langs én retning, hvilket indebærer behovet for et vinkelret billeddannelsesplan mod arterierne af interesse for at opnå en nøjagtig måling [112]. Derfor er det ikke overraskende, at denne teknik giver en stor udfordring, når det kommer til at visualisere nyrearterier, for ikke at tale om de små kortikale kapillærer.

Karfunktionalitet kan bestemmes ved at kvantificere RBF ved MR-perfusion og overvåge iltningstilstanden ved blod-oxygen-niveau-afhængig kontrast (BOLD) billeddannelse [112,113]. Den væsentligste begrænsning af funktionel MR er imidlertid at opnå pålidelige og reproducerbare resultater i organer, der er påvirket af respiratoriske bevægelser, som omfatter nyrerne, selvom det er mindre modtageligt for bevægelsesartefakter sammenlignet med leveren eller tarmen [112]. På trods af det faktum, at 1,5 Tesla-funktionelle MRI-udførte feasibility-undersøgelser gav store løfter ved udførelse af voxel-vis kvantificering [114], kunne perfusionsabnormiteter kun påvises i patologiske områder, hvilket rejser spørgsmålet om, hvorvidt mindre vaskulær ændring vil blive opdaget tilstrækkeligt. Med introduktionen af ​​en MRI-scanner med en magnetisk feltstyrke på 3.0 Tesla blev signal-støj-forholdet enormt forbedret [115.116], men den opnåede opløsning er stadig et problem.

Opløsningen leveret af MR er hovedsageligt afhængig af magnetfeltstyrken og kan optimeres til et givet magnetfelt ved at tilpasse pulssekvenserne [111]. Den rumlige opløsning er hovedsageligt begrænset af signal-til-støj-forholdet, der kræver en hurtig optagelsestid og generelt opnår en opløsning på 3 × 4 mm i pixelstørrelse [117]. Selv når der anvendes et højt magnetfelt på 7 Tesla, er den bedste opløsning, man kan opnå med BOLD, omkring 500 µm. Udover den utilfredsstillende opløsning og begrænsningen til at visualisere de fleste dynamiske processer, er en anden stor ulempe, at MR er forbundet med høje omkostninger og kræver særlige faciliteter og vedligeholdelse.

4.2.4. Ultralyd

Fremskridt inden for ultralyd introducerede et paradigmeskifte for ikke-invasiv overvågning af strukturel og funktionel renal mikrovaskulær ændring og åbnede nye veje til at udforske små fartøjer med et bærbart system til en relativt lav pris. I en rottemodel af akut iskæmi forårsaget af alvorlig hypoperfusion i 1 time, blev renal blodgennemstrømning evalueret i realtid ved at bruge farve- og pulsed-wave (PW) Doppler-ultralyd [118]. Farve-doppler-billeddannelse afslørede også vanskeligheden ved at visualisere buede arterier på grund af deres relativt lille størrelse og den vinkelrette probepositionering for at fange arteriestrømmen, der kræves til beregning af blodhastighed og anvendelse af Doppler-vinkelkorrektion. Blodhastigheden kunne dog kun beregnes ved de intrarenale arterier, dvs. segmentale, interlobare og buede arterier. Følgelig kunne information om mikrocirkulation ikke opnås på grund af begrænsningen af ​​opløsning, som konventionel ultralyd giver.

Med introduktionen af ​​ultrahurtig Doppler-ultralydsteknologi kan der opnås en større opløsning ved ufokuseret bølgetransmission, som sender flere synkrone bølger med en høj billedhastighed samtidigt i ét helt synsfelt, i stedet for at scanne linje-per-linje gennem anvendelse af fokuseret stråletransmission [119]. Denne plane bølgetransmission er det grundlæggende koncept bag ultrahurtig Doppler ultralydsbilleddannelse og gør det muligt at detektere kortikale kar fra en transplanteret menneskelig nyre med en diameter under 1 mm [120]. Desuden giver ultrahurtig Doppler-ultralyd en meget gunstig in vivo-teknik til at overvåge renal mikrovaskulær sjældenhed i prækliniske undersøgelser (figur 3A). På trods af fremskridtene med ultrahurtig Doppler-ultralyd er adgang til et kapillærniveau stadig afhængig af brugen af ​​kontrastforstærkede midler [121]. Ikke desto mindre er der ingen nævneværdige sikkerhedsproblemer ved brug af et kontrastforstærket middel til Doppler-ultralyd, især i sammenligning med CT- og MR-kontrastmidler, der ofte viser nefrotoksicitet [122]. Imidlertid kan en utrolig opløsning af den murine nyrevaskulatur opnås in vivo (figur 3B).

Ultralydslokaliseringsmikroskopi (ULM) løste afvejningen mellem rumlig opløsning og penetrationsdybde ved på den ene side at anvende ultrahurtig Doppler ultralydsbilleddannelse og på den anden side at gøre brug af ultralydskontrastmidler i form af gasfyldte mikrobobler [121,123,124]. Blandt andre Errico et al. [123] foreslog ULM til at afbilde kraniale mikrokar med en diameter på 10 µm over hele dybden af ​​den murine hjerne, som er cirka 10 mm tyk. I en nylig publikation har Demené et al. [125] kunne fange cerebrovaskulær blodstrømsdynamik på mikroskopisk niveau dybt i den menneskelige hjerne ved at spore intravenøst ​​injicerede mikrobobler individuelt for at forbedre superopløsningsbilleddannelse og muliggøre vaskulær opløsning på op til 25 µm. For at få fat i denne fantastiske præstation er det afgørende at nævne, at ingen anden ikke-invasiv billeddannelsesmodalitet kunne visualisere mikrovaskulaturen in vivo under en millimetrisk skala. For at nå denne bemærkelsesværdige rumlige opløsning in vivo var der to store udfordringer at overvinde: kranieafvigelsen og bevægelsesartefakter. Selvom anvendelsen af ​​ULM til abdominale organer såsom nyrerne ikke hæmmes af afvigelsen af ​​knoglestrukturer, repræsenterer bevægelsesartefakter en stor vanskelighed. Nylige in vivo undersøgelser gav imidlertid med succes første forsøg på at afbilde nyrevaskulaturen ved ULM [5.126.127].

Forskellige vaskulære rum i rottenyren kunne skelnes, og ved at anvende mikrobobler blev opløsningen øget for at visualisere de tynde karbundter i vasa recta, der er adskilt med en afstand på 400 µm fra hinanden [5]. Derudover er aksial blodhastighed, dvs. under 2 mm/s, forbundet med strømmen af ​​renale mikrokar, blevet estimeret ved at spore injicerede mikrobobler med en diameter på 1 µm, der kan nå kardiameter mindre end 20 µm. Song et al. [127] afbildede de renale kortikale mikrokar fra kaniner og kunne klart adskille kar in vivo med en diameter på 76 µm. Selvom respiratoriske bevægelser kunne korrigeres, forbliver bevægelsesartefakter ud af planet udfordrende og umulige at korrigere, da billeddannelsesinformation ikke helt kunne erhverves [5].

For nylig er AKI-til-CKD-progression blevet undersøgt ved kontrastforstærket ultrahurtig Doppler-ultralyd i en musemodel af ensidig IRI [6]. Ved hjælp af indsprøjtning af mikrobobler blev 32 µm små renale blodkar identificeret, og vaskulære ændringer i nyren blev kvantificeret, dvs. renal blodvolumen, vaskulær tæthed og snoethed. Den vaskulære tæthed af cortex og corticomedullary junction erhvervet ved ultralyd under in vivo billeddannelse var i overensstemmelse med kvantificering opnået efter CD31 immunfarvning, som er anerkendt som en gylden standard i vaskulær biologi. Dette er i tråd med en anden undersøgelse, udført af Cao et al. [128], som illustrerede, at AKI-sværhedsgraden kan bestemmes ved kontrastforstærket ultralyd ved hjælp af mikrobobleinjektion. Nyreperfusionsmålinger in vivo er tæt korreleret med nyreskade bestemt på histologisk niveau.

I overensstemmelse med disse ultralydsundersøgelser har Hueper et al. [7] tidligere antydet, at nyreperfusion kan forudsige AKI-til-CKD-progression bestemt ved MR.

Mikroboble-forstærket ultralydsbilleddannelse af nyrevaskulaturen er allerede blevet udført med succes hos mennesker for at bestemme renal mikrovaskulær perfusion og viste store perspektiver for diagnose [129-133]. Interessant nok er denne billeddannelsesmodalitet blevet anvendt ved nyretransplantation for at bestemme perfusionsstatus for nyre-allotransplantater, som kan give en passende ikke-invasiv udlæsning til at forudsige akut afstødning [134]. Udover operatørafhængighed, som kan repræsentere en begrænsning ved anvendelse af ultralyd, var styrken af ​​inter-observatør-enigheden meget høj mellem to læsere, hvilket afspejler stor gennemførlighed ved anvendelse i kliniske omgivelser [132]. På grund af bærbarheden og den tidsbesparende og enkle tilpassede applikation giver ultralyd med kontrastforstærkede mikrobobler gode perspektiver til evaluering af nyrernes mikrovaskulatur i klinisk praksis, især hos ICU-patienter [135]. Denne teknologi giver derfor et stort løfte om oversættelse til klinisk praksis efter at have mestret korrektionen af ​​abdominale bevægelsesartefakter til robust mikroboblesporing med høj præcision.

5. Konklusioner og perspektiver

Den slående heterogenitet af den renale vaskulære arkitektur afspejler dens komplekse funktionelle mangfoldighed og kompartmentalisering, med en logisk konsekvens, at undersøgelse af mikrovaskulær ændring og sjældenhed kræver sofistikerede billeddannelsesmodaliteter. Udviklingen, anvendelsen og forbedringen af ​​in vivo billeddannelsesmodaliteter til at studere renale vaskulære sygdomme vil give en større forståelse af virkningen af ​​celleterapier såsom MSC på det vaskulære niveau og kan belyse specifikke biomarkører, der kan overvåges under sygdomsprogression.

Referencer

1. Chade, AR Renal vaskulær struktur og sjældenhed. Kompr. Physiol. 2013, 3, 817-831. [CrossRef] [PubMed]

2. Chade, AR Små kar, stor rolle: nyremikrocirkulation og progression af nyreskade. Hypertension 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. Kvantitativ mikro-computertomografi billeddannelse af vaskulær dysfunktion i progressive nyresygdomme. J. Am. Soc. Nephrol. 2016, 27, 520-532. [CrossRef] [PubMed]

4. Chen, TK; Knicely, DH; Grams, ME kronisk nyresygdom diagnose og behandling: en gennemgang. Physiol. Opfør dig. 2019, 322, 1294-1304. [CrossRef] [PubMed]

5. Foiret, J.; Zhang, H.; Ilovitsh, T.; Mahakian, L.; Tam, S.; Ferrara, KW Ultralydslokaliseringsmikroskopi til afbildning og vurdering af mikrovaskulatur i en rottenyre. Sci. Rep. 2017, 7, 13662. [CrossRef] [PubMed]

6. Chen, Q.; Yu, J.; Rush, BM; Stocker, SD; Tan, RJ; Kim, K. Nyre 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. Akut nyreskade: Arteriel spin-mærkning for at overvåge nedsat nyreperfusion hos mus - sammenligning med histopatologiske resultater og nyrefunktion. Radiologi 2014, 270, 117–24. [CrossRef]

8. Levy, BI; Schiffrin, EL; Mourad, JJ; Agostini, D.; Vicaut, E.; Safar, MIG; Struijker-Boudier, HA. Nedsat vævsperfusion, en patologi, der er fælles for hypertension, fedme og diabetes mellitus. Oplag 2008, 118, 968–976. [CrossRef]

9. Carmeliet, P.; Jain, RK Molekylære mekanismer og kliniske anvendelser af angiogenese. Nature 2011, 473, 298-307. [CrossRef]

10. Molema, G.; Aird, WC Vaskulær heterogenitet i nyren. Semin. Nephrol. 2012, 32, 145-155. [CrossRef]

11. Armulik, A.; Abramson, A.; Betsholtz, C. Endotel/pericyt-interaktioner. Circ. Res. 2005, 97, 512-523. 03.16652.d7. [CrossRef]

12. Attwell, D.; Mishra, A.; Hall, CN; O'Farrell, FM; Dalkara, T. Hvad er en pericyt? J. Cereb. Blodgennemstrømningsmetab. 2016, 36, 451-5. [CrossRef]

13. Evans, RG; Eppel, GA; Anderson, WP; Denton, KM Mekanismer, der ligger til grund for den differentielle kontrol af blodgennemstrømning i nyremarven og cortex. J. Hypertens. 2004, 22, 1439-1451. [CrossRef]

14. Pallone, TL; Silldorff, EP; Turner, MR Intrarenal blodstrøm: Mikrovaskulær anatomi og regulering af medullær perfusion. 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 Renal medullær cirkulation. Kompr. Physiol. 2012, 2, 97-140. [CrossRef] [PubMed]

16. Guerci, P.; Ergin, B.; Ince, C. Makro- og mikrocirkulationen af ​​nyrerne. Bedste praksis. Res. Clin. Anæstesiol. 2017, 31, 315-329. [CrossRef]

17. Shaw, I.; Rider, S.; Mullins, J.; Hughes, J.; Péault, B. Pericytes i nyrevaskulaturen: Roller i sundhed og sygdom. Nat. Rev. Nephrol. 2018, 14, 521-534. [CrossRef]

18. Rosivall, L.; Peti-Peterdi, JJ Heterogenitet af den afferente arteriole - Korrelationer mellem morfologi og funktion. Nephrol. Urskive. Transplantation. 2006, 21, 2703-2707. [CrossRef]

19. Stefanska, A.; Kenyon, C.; Christian, HC; Buckley, C.; Shaw, I.; Mullins, JJ; Péault, B. Menneskelige nyrepericytter producerer renin. Nyre Int. 2016, 90, 1251-1261. [CrossRef]

20. Schlondorff, DO Oversigt over faktorer, der bidrager til patofysiologien af ​​progressiv nyresygdom. Nyre Int. 2008, 74, 860–866. [CrossRef]

21. Pallone, TL; Zhang, Z.; Rhinehart, K. Fysiologi af den renale medullære mikrocirkulation. Er. J. Physiol. Ren. Physiol. 2003, 284, F253-66. [CrossRef] [PubMed]

22. Pallone, TL Komplekse karbundter, tykke opadgående lemmer og aquaporiner: Vridning af den ydre medulla. Er. J. Physiol. Ren. Physiol. 2014, 306, 505-506. [CrossRef] [PubMed]

23. Zimmerhackl, BL; Robertson, CR; Jamison, RL Den medullære mikrocirkulation. Nyre Int. 1987, 31, 641-647. [CrossRef] [PubMed]

24. Dumas, SJ; Meta, E.; Borri, M.; Luo, Y.; Li, X.; Rabelink, TJ; Carmeliet, P. Fænotypisk mangfoldighed og metabolisk. Nat. Rev. Nephrol. 2021, 1-24. [CrossRef]

25. Dumas, SJ; García-Caballero, M.; Carmeliet, P. Metaboliske signaturer af distinkte endotelfænotyper. 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. Endotelets struktur og funktion i nyresundhed og sygdom. Nat. Rev. Nephrol. 2019, 15, 87-108. [CrossRef]

27. Lang, DA; Norman, JT; Fint, LG Gendannelse af nyrernes mikrovaskulatur til behandling af kronisk nyresygdom. Nat. Rev. Nephrol. 2012, 8, 244-250. [CrossRef]

28. Choi, YJ; Chakraborty, S.; Nguyen, V.; Nguyen, C.; Kim, BK; Shim, SI; Suki, WN; Truong, LD Peritubulært kapillærtab er forbundet med kronisk tubulointerstitiel skade i human nyre: Ændret ekspression af vaskulær endotelvækstfaktor. Hum. Pathol. 2000, 31, 1491-1497. [CrossRef]

29. Ishii, Y.; Sawada, T.; Kubota, K.; Fuchinoue, S.; Teraoka, S.; Shimizu, A. Skade og progressivt tab af peritubulære kapillærer i udviklingen af ​​kronisk allograft nefropati. Nyre Int. 2005, 67, 321-332. [CrossRef]

30. Serón, D.; Alexopoulos, E.; Raftery, MJ; Hartley, B.; Cameron, JS Antal interstitielle kapillærtværsnit vurderet af monoklonale antistoffer: Relation til interstitiel skade. Nephrol. Urskive. Transplantation. 1990, 5, 889-893. [CrossRef]