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人肾小管细胞中与生物相关的流体剪切应力三维建模模拟体内转录剖面

肾脏对人体的稳态调节至关重要。它能够实现生理和调节功能,包括通过控制细胞外液量调节血压,维持pH平衡,保持适当的电解质平衡,激素的产生,废物和外来生物的清除。


肾单位的肾近端小管 (PT) 包含近端小管细胞 (PTC),这是一种负责活性蛋白运输和肾脏重吸收功能的特殊细胞类型。肾近端小管是溶质重吸收、分泌的主要部位,同时,也是肾脏疾病(包括药物引起的毒性)的起源地。


而二维细胞培养系统的人近端小管细胞(hptc)经常被用来研究这些过程。但是,这些系统不能模拟滤液流量、流体剪切力(FSS)和功能之间的相互作用,这些功能对于理解肾脏疾病和药物毒性至关重要。


今天所要分享的内容来自于《Scientific Reports 》期刊上名为《Three dimensional modeling of biologically relevant fluid shear stress in human renal tubule cells mimics in vivo transcriptional profiles. 》的一篇科学报告。文章主要是基于微流控芯片的3D模型中对人类RPTEC/TERT1 细胞(人近端小管样上皮细胞)进行 RNA 测序,以确定转录组变化。


实验测量了在三种不同流体剪切应力下处理该装置中的细胞后的转录变化。观察到 FSS 改变了 PTC 特异性基因的表达,并在全基因组关联研究 (GWAS) 中改变了先前与肾脏疾病相关的基因的表达。


部分实验结果



1.流体剪切应力影响人肾近端小管细胞的转录组谱


为了研究流体剪切应力 (FSS) 诱导的全局基因表达变化,实验使用 RNA 测序来测量暴露于 0.1 dyn/cm2、0.25 dyn/cm2或 0.5 dyn/cm2 流体剪切应力24 小时后的的RPTEC/TERT1 细胞转录组谱。


该芯片由三个平行通道组成,允许以小管状形状进行三维生长。实验将这些 FSS 条件中的每一个与在静态条件下维护的同一芯片上的控制通道进行了比较。我们从这些细胞中分离出总 RNA 并进行了 RNA 测序。我们分析了 FSS 处理的样品与静态对照样本,以阐明 FSS 改变的整体转录组谱。



2.流体剪切应力诱导相应基因的内吞过程和重吸收


实验测量了生理 FSS 或静态条件 24 小时后设备中人 RPTEC/TERT1 细胞的细胞白蛋白摄取。从流动中取出细胞并用 FITC 偶联的白蛋白处理,并使用荧光显微镜测量摄取。


与静态条件下生长的细胞相比,FSS下细胞对FITC偶联白蛋白的摄取显著增加。实验观察到的 FITC-白蛋白活性转运的增加可能是由流动动力学机制引起的转运增加所介导的。


3.异生物质外排转运蛋白的表达随流体剪切应力而变化


实验使用荧光图像分析来测量 FSS 暴露后外排转运活动的变化。在生理流体剪切应力 (0.5 dyn/cm2) 下保持在静态条件下的细胞中染料 Calcein-AM 和 CMFDA 的细胞积累。当转运蛋白主动流出底物时,荧光的减少是转运蛋白活性增加的量度。荧光底物积累的减少被量化并以图形方式证明。


实验结论


本研究展示了一种3D模型的实用性,用于模拟人肾近端小管细胞的体内功能。利用基因组学和功能分析表明,在3D流体设备中流体剪切应力下的细胞能够具有关键的PTC功能,并显示预期的PTC转录组谱,包括紧密连接的形成、药物外流、离子和溶质运输以及内吞作用。这是对RPTEC/TERT1细胞对FSS反应的首次转录组分析,不同的流速也表面可能与肾脏疾病有关的差异。


对肾功能和疾病的研究结果和正在进行的研究可以从更具生物学相关性的 PTC 模型中受益。这种新型体外模型为研究肾脏药理学、肾脏药物转运和与人类肾脏生物学相关的毒性提供了一种有用的方法。






参考文献:

[1]Ross Emily J,Gordon Emily R,Sothers Hanna,Darji Roshan,Baron Oakley,Haithcock Dustin,Prabhakarpandian Balabhaskar,Pant Kapil,Myers Richard M,Cooper Sara J,Cox Nancy J. Three dimensional modeling of biologically relevant fluid shear stress in human renal tubule cells mimics in vivo transcriptional profiles.[J]. Scientific reports,2021,11(1):


原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41598-021-93570-5

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