La malattia renale cronica (cronic kidney disease, CKD), caratterizzata da fibrosi progressiva e declino della funzione renale nel tempo, causa migliaia di morti premature ogni anno e riduce la qualità di vita. Nello stadio terminale (end-stage renal disease) richiede terapie salvavita come la dialisi e/o il trapianto di rene. La fibrosi tubulo-interstiziale è il risultato finale della maggior parte delle patologie renali e, al momento, non esistono farmaci anti-fibrotici efficaci che migliorino la prognosi della CKD.
Il trapianto renale è la terapia ideale ma vi è scarsità di organi disponibili e, nonostante i progressi tecnico-terapeutici, la sopravvivenza a lungo termine dei trapianti è rimasta in pratica invariata negli ultimi decenni. I pazienti trapiantati, poi, hanno la necessità di assumere cronicamente farmaci immunosoppressori che aumentano il rischio di comorbidità a lungo termine (infezioni, neoplasie).
Il progetto dei laboratori dell¿Institute for Liver and Digestive Health, UCL presso il Royal Free Hospital di Londra, al quale il proponente andrà a prendere parte, è quello di sviluppare un sistema colturale 3D mediante un organoide renale umano con lo scopo di utilizzarlo come piattaforma per lo studio dell¿effetto dei farmaci sulla modulazione delle interazioni cellulari eterotipiche e la patogenesi della fibrosi nella CKD. Gli organoidi renali saranno sviluppati utilizzando cellule renali umane adulte combinate con hydrogels derivati dalla matrice extracellulare (ECM) di reni adulti umani decellularizzati. Attualmente per questi studi sono utilizzati hydrogels derivati da ECM di sintesi e xenogeniche che offrono supporto meccanico per le colture cellulari in vitro, ma mancano delle caratteristiche meccaniche e biochimiche organo-specifiche necessarie per promuovere le funzioni cellulari endogene. Gli organoidi renali umani potrebbero garantire un microambiente renale umano ottimale per fornire agli studi futuri maggiore traslazionabilità nell¿uomo.
Gli organoidi rappresentano un importante ponte tra le colture cellulari tradizionali bidimensionali (2D) e i modelli pre-clinici in vivo, fornendo un sistema di coltura migliore dei sistemi mono-strato tradizionali, e molto più maneggevole per la manipolazione delle vie di signalling e di modificazione genetica dei modelli in vivo. Per esempio, i modelli sferici tridimensionali (3D) di organoidi epatici riproducono in maniera più fedele le funzioni del fegato umano in vitro rispetto alle colture 2D, e sono stati utilizzati con successo nei modelli di fibrosi epatica. Inoltre, le colture 3D sono superiori nel mantenimento della morfologia e la differenziazione delle cellule renali. Ad esempio, in questo tipo di colture viene conservata la capacità di espressione del citocromo P450, che è di rilevante importanza per gli studi di tossicità farmacologica. Lo sviluppo di organoidi renali umani, pertanto, fornisce uno strumento sempre più importante per la creazione di modelli in vitro di patologie renali, per lo studio di biomarcatori e per gli studi di farmacologia.
Nonostante siano ormai validati protocolli per lo sviluppo di organoidi renali umani, essi mancano del microambiente cellulare tessuto-specifico come, ad esempio, la matrice extracellulare (ECM), che risulta essenziale per favorire la crescita, la migrazione e la differenziazione cellulare. La ECM, un insieme di molecole funzionali e strutturali, è altamente dipendente dal citotipo residente potendo variare nella sua composizione da tessuto a tessuto (e anche all'interno di diverse regioni dello stesso tessuto). Attualmente, i principali sistemi di coltura mediante organoidi si basano sull'utilizzo di Matrigel (derivato da sarcoma murino) come piattaforma 3D che, introducendo potenziali fattori tissutali specie-specifici indefiniti, complica la loro applicazione nella medicina rigenerativa e negli studi su farmaci. Al contrario, la produzione di uno scaffold di rene umano fornisce una piattaforma di ECM 3D tessuto-specifica che con l'inserimento di cellule (ad es. cellule renali adulte primarie) fornirebbe un organoide renale molto più fedele e realistico. Il vantaggio di utilizzare scaffold acellulari è la possibilità non solo di servirsi di una ECM come componente strutturale, ma anche studiare i segnali di trasduzione intrinseci (attraverso, ad esempio, fattori di crescira e citochine) per guidare la proliferazione e la differenziazione cellulare. Il gruppo di ricerca dell'Institute for Liver and Digestive Health di Londra ha già applicato con successo questa tecnica riuscendo a ottenere la ricellularizzazione di scaffold di fegato, precedentemente decellularizzati, mediante l'inserimento di cellule epatiche parenchimali e cellule endoteliali. Più recentemente, sempre dallo stesso gruppo, è stato sviluppato un protocollo di decellularizzazione di reni umani e sono stati eseguiti studi iniziali sull'architettura della ECM. In aggiunta, la loro esperienza è molto estesa nell'isolamento e nella coltura di cellule renali adulte umane.