Nouveaux outils d'imagerie pour mesurer le nombre de néphrons in vivo : opportunités pour la néphrologie du développement

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Résumé

Le mammifèreun reinest un organe complexe, nécessitant la fonction concertée de millions de néphrons. Le nombre de néphrons est constant après la néphrogenèse au cours du développement, et la perte de néphrons au cours d'une vie peut entraîner une susceptibilité aux maladies aiguës ou aiguës.maladie rénale chronique. De nouvelles technologies sont en cours de développement pour compter les néphrons individuels dans le rein in vivo. Cette revue décrit ces technologies et souligne leur pertinence pour les études sur le développement et la maladie rénale humaine.

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Introduction

Le rein de mammifère est un organe complexe qui a évolué pour contrôler un large éventail de processus physiologiques. Ces processus comprennent le volume sanguin, la pression artérielle, la pression osmotique, l'élimination des déchets et l'homéostasie des métabolites. Le développement normal des reins nécessite la formation réciproque du bourgeon urétéral et du mésenchyme métanéphrique. Ceci est suivi d'un processus de ramification itératif et d'une cascade de signalisation pour maintenir un pool renouvelable de cellules progénitrices, qui produisent les cellules différenciées qui remplissent les diverses fonctions des reins.

La durée et la fin de la néphrogenèse varient selon les espèces. Chez les humains et les primates non humains, la naissance et la fin de la néphrogenèse humaine se produisent à des moments similaires; la néphrogenèse se termine à environ 35 semaines de gestation chez l'homme. Les espèces qui donnent naissance à des portées de progéniture ont souvent une période variable de néphrogenèse postnatale naturelle. Le nombre de néphrons varie-t-il selon l'espèce, la souche,sexe, et les facteurs environnementaux et génétiques ? Le nombre de néphrons humains est très variable (200,000 à 2,7 millions), d'après des études réalisées à l'autopsie. Une large gamme de nombres de néphrons a également été observée lors d'une autopsie néonatale humaine, ce qui suggère que cette gamme est établie au cours de la néphrogénèse.

Le nombre de néphrons peut déterminer la susceptibilité à de nombreuses pathologies rénales, et la perte de néphron peut accélérer le développement de la maladie rénale chronique (CKD). Il est donc important de considérer les causes du faible nombre et de la perte de néphrons et de comprendre pourquoi une telle gamme de nombre de néphrons reste chez l'homme. Il est de plus en plus évident que la génétique et les facteurs épigénétiques déterminés par la santé et la nutrition maternelles sont des déterminants essentiels de la néphrogénèse. Le développement fœtal est limité par l'énergie disponible de la mère, régulée par la fonction placentaire. La pression de sélection évolutive régie par la capacité de reproduction a donné la priorité à la croissance cérébrale par rapport au développement fœtal et postnatal précoce des reins, plus de 50 % du taux métabolique au repos étant alloué au cerveau tout au long de la première année de vie. Ainsi, la dénutrition maternelle, le stress environnemental ou l'infection entraînent une restriction de croissance intra-utérine ou un accouchement prématuré et une régulation négative de la méthylation de l'ADN dans les cellules progénitrices du néphron. Les mécanismes moléculaires nécessaires au développement d'un rein sain ont été principalement étudiés dans des modèles de rongeurs. Cependant, jusqu'à récemment, il y avait peu de comparaisons directes entre le développement rénal chez les rongeurs et chez l'homme.

La perte de néphron est généralement surmontée par l'hypertrophie et l'hyperfiltration des néphrons restants, mise en évidence par le maintien du DFG rénal entier. L'hypertrophie est une adaptation à court terme pour maintenir l'homéostasie métabolique tout au long des années de reproduction. Cependant, il existe des contraintes physiques sur l'hypertrophie adaptative, limitées par la surface tubulaire nécessaire au transport et la résistance à l'écoulement résultant de l'augmentation de la longueur tubulaire. Cette contrainte est surmontée chez les plus grands mammifères (baleines) en conditionnant 100 millions de néphrons dans de petites unités unipapillaires qui contiennent des tubules courts. Au-delà des années de reproduction, l'augmentation des lésions oxydatives cellulaires résultant de l'accumulation de facteurs de stress (ischémie, hypoxie, infection) favorise la perte continue de néphrons qui se superpose à la sénescence, reflétée par une réduction de 50 % du nombre de néphrons dans la population vieillissante normale.

Malgré notre compréhension croissante du développement rénal et du rôle de l'environnement gestationnel dans l'établissement de la santé rénale, nous manquons toujours d'une vue intégrée des néphrons individuels dans le contexte de l'organe fonctionnel intact. Les méthodes actuelles non biaisées pour estimer les nombres glomérulaires nécessitent la destruction du rein, ce qui limite leur potentiel dans l'analyse longitudinale et l'utilisation in vivo. Le développement de techniques d'imagerie non invasives pour suivre le nombre de néphrons fonctionnels tout au long du cycle de vie fournirait des informations clés pour prédire la progression de la maladie rénale chronique et pour mesurer l'efficacité de nouvelles interventions.

De nouveaux outils radiologiques sont en cours de développement pour relever ces défis et fournir un moyen non invasif de suivi et de mesure de la masse des néphrons in vivo. Cette technologie a le potentiel de fournir de nouvelles informations sur le développement rénal et son rôle dans la progression de la maladie plus tard dans la vie. Les observations disponibles grâce à cette technologie comprennent le nombre de néphrons, le volume et l'hypertrophie glomérulaire, et éventuellement la fonction d'un seul néphron. Cette revue décrira l'état actuel de cette nouvelle technologie et fournira une vue de ses applications potentielles dans la science préclinique et les investigations cliniques.

Approches ex vivo pour mesurer le nombre de néphrons et la taille des glomérules

Les approches les plus développées pour mesurer le nombre de néphrons et la taille des glomérules sont basées sur la stéréologie basée sur la conception. Le tissu est préparé et sectionné pour la microscopie, et les tailles des structures, telles que les glomérules, observées sur les lames sont analysées pour déduire les volumes moyens des structures dans le tissu d'origine. Cela peut être réalisé dans des organes excisés ou à partir de tissu de biopsie en prélevant systématiquement et au hasard le tissu. La technique du dissecteur-fractionneur a révélé des différences basées sur la population dans le nombre de néphrons et l'hyperfiltration chez l'homme25 et a été largement utilisée pour étudier des modèles animaux de maladies humaines.

Pour éviter la section requise par la stéréologie, de nouvelles approches d'imagerie ont été récemment développées pour compléter les données de biopsie et pour mesurer le nombre de néphrons. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est le plus souvent basée sur la détection de protons de l'eau dans les tissus, principalement de l'eau, à l'aide de champs magnétiques. Le sujet ou l'échantillon est placé à l'intérieur d'un grand champ magnétique. Les intensités de champ magnétique typiques utilisées pour l'IRM clinique vont de 1,5T à 7T. Les systèmes d'IRM précliniques utilisent souvent des intensités de champ beaucoup plus importantes pour un rapport signal/bruit élevé et un contraste et une résolution d'image améliorés. L'IRM fournit une large gamme de techniques de contraste d'image pour visualiser les tissus mous et ne nécessite pas de rayonnement ionisant. L'IRM fournit également une haute résolution dans les systèmes précliniques et cliniques.

La ferritine cationique (CF) a été introduite en tant qu'agent de contraste injecté par voie intraveineuse pour détecter et imager les glomérules dans tout le rein par IRM. Les nanoparticules chargées, y compris la ferritine, ont été utilisées pendant des décennies pour étudier la structure et la fonction de la membrane basale à l'aide de la microscopie électronique (EM). Le CF a été créé à l'origine comme traceur pour la microscopie électronique par Danon, qui a montré qu'il pouvait se lier aux sites anioniques. . La molécule de ferritine est détectée dans EM en raison de son noyau d'oxyde de fer dense aux électrons. Ce même noyau d'oxyde de fer est souvent magnétique, ce qui le rend détectable par MR. Cette technique, l'IRM renforcée par la ferritine cationique (CFE-MRI), a été utilisée pour compter chaque glomérule dans les reins de rats sains30, ex vivo, et a été utilisée pour mesurer la distribution intra-rénale des volumes glomérulaires. CFE-MRI a également été utilisé pour compter et mesurer chaque glomérule dans le rein de souris3], et les volumes glomérulaires ont été cartographiés pour révéler la variation spatiale de la taille glomérulaire. Ces résultats ont été confirmés par plusieurs groupes. Les mesures de rat et de souris à l'aide de CFE-MRI ont été validées par la stéréologie du dissecteur-fractionneur.

La CFE-MRI a également été réalisée dans des reins intacts de donneurs humains où la CF a été injectée directement dans l'artère rénale et le rein a été rincé avec une solution saline avant d'être fixé et imagé. CFE-MRI dans les reins humains a fourni une vue tridimensionnelle de laglomérulaire rénalmorphologie, montrant une hypertrophie glomérulaire hétérogène et des régions de perte de néphrons probablement associées à l'hypertension non traitée du patient. Les régions de perte de néphron étaient corrélées avec l'histologie des mêmes régions, démontrant à la fois la sclérose vasculaire et glomérulaire.

Ces études initiales se sont concentrées sur les modifications du nombre de néphrons et de la morphologie glomérulaire dans les maladies rénales chroniques et aiguës. Dans Bennett et al-26, la distribution de la mucoviscidose dans le rein a été redistribuée en raison d'une pathologie glomérulaire précoce dans un modèle de rat de glomérulosclérose focale et segmentaire, avant la présentation de la protéinurie. Chez la souris, la CFE-MRI a été appliquée pour détecter et cartographier l'hypertrophie glomérulaire dans le modèle d'oligosyndactylisme (Os/plus) de la réduction des néphrons31. Plus récemment nous avons montré quelésion rénale aiguëdans un modèle de lapin nouveau-né a provoqué une perte détectable de glomérules avec réorganisation vasculaire35 Ainsi, le suivi des changements dans l'étiquetage de la FC par IRM peut être un outil important pour comprendre l'impact des dommages au cours du développement et son impact sur la santé rénale plus tard dans la vie.

Il y a quelques considérations importantes dans la validation de CFE-MRI en utilisant d'autres techniques, telles que la stéréologie des directeurs-fractionneur employée dans ces premières études. Le CFE-MRI ne peut mesurer que les glomérules qui sont perfusés, tandis que les approches histologiques détectent également les glomérules qui ne le sont pas. Si les deux sont directement comparés lorsqu'il y a des glomérules sous ou non perfusés, les mesures IRM seront plus faibles. Les facteurs structurels et fonctionnels, tels que la pression oncotique, les taux de perfusion capillaire et la structure du GBM, qui affectent l'accumulation de CF dans le GBM, sont mal compris, il est donc possible que l'absorption glomérulaire soit modulée par des processus pathologiques qui modulent le CFE-MRI de manière qui n'ont pas été décrits. Enfin, les dommages au GBM ou la protéinurie peuvent provoquer une fuite du CF dans les tubules, conduisant à un marquage diffus plutôt que ponctué des glomérules observé par IRM. Dans les études de développement, la structure de charge du GBM et la filtration glomérulaire varient avec l'âge gestationnel. Dans tous ces cas, il est important de comprendre les paramètres impliqués dans l'étiquetage des FC grâce à des enquêtes continues. Il est également essentiel d'établir la toxicologie de CF, qui semble minime chez les animaux sains, mais doit être étudiée avec chaque nouveau modèle.

Xray-CT a été récemment démontré pour la mesure de la microstructure rénale et la cartographie du nombre de néphrons dans le rein intact, ex vivo. L'un des principaux avantages de la tomodensitométrie est sa simplicité, sa rapidité d'utilisation et son faible coût par rapport à l'IRM. Un inconvénient est l'utilisation de rayonnements ionisants, qui peut limiter son utilisation in vivo ou dans des applications cliniques. Néanmoins, C offre une imagerie haute résolution de structures marquées ex vivo qui peuvent ensuite être co-enregistrées avec l'anatomie des tissus mous en utilisant d'autres modalités d'imagerie.

La microscopie à feuille de lumière après compensation optique de l'ensemble de l'organe a été utilisée pour mesurer le nombre de glomérules et la taille de la touffe capillaire dans les reins de souris intacts. Cette approche attrayante présente l'avantage de l'automatisation et de la visualisation de l'ensemble du glomérule à une résolution microscopique dans l'ensemble de l'organe ou dans des échantillons de grands organes.

Approches in vivo pour la mesure directe du nombre de néphrons et de la taille des glomérules

Des outils établis et émergents pour mesurer le nombre de néphrons ex vivo ont permis de déduire l'hétérogénéité inter et intra-sujet du nombre de néphrons et du volume glomérulaire. Ces outils commencent à combler des lacunes critiques dans notre connaissance de la structure rénale et de son lien avec la fonction rénale, in vivo. Ces questions incluent : 1) Quelle est la relation entre le nombre et la taille des glomérules avec la filtration individuelle des néphrons ?, 2) Quelle est la distribution spatiale du nombre de néphrons et de la taille des glomérules et sa relation avec la pathologie ?, et 3) Le taux de sénescence glomérulaire changement dans la santé et les maladies rénales? Cliniquement, il est possible d'estimer le nombre de néphrons in vivo en utilisant une combinaison de rayons X/CT et de biopsie. Ce type de travail commence à fournir un lien critique entre le nombre de néphrons et la fonction rénale. Plusieurs publications ont démontré que l'IRM peut être utilisée pour détecter des glomérules individuels chez un animal vivant. Les premiers travaux dans ce domaine utilisant l'IRM-CFE étaient limités à des régions spécifiques du rein. Dans un rapport, un amplificateur sans fil a été développé pour augmenter localement le signal dans le rein afin de permettre le co-enregistrement de néphrons uniques pendant la filtration et la fonction4. Plus récemment, deux publications ont rapporté des mesures de glomérules individuels in vivo dans l'ensemble du rein par CFE-IRM chez le rat et la souris. Cette approche a également été utilisée dans une expérience longitudinale, démontrant que la CFE-MRI peut potentiellement être utilisée pour surveiller les changements du nombre de néphrons au fil du temps en réponse à la thérapie ou pour suivre le développement rénal.

Un défi principal avec CFE-MRI in vivo est la sensibilité. La désoxyhémoglobine dans le sang est paramagnétique et peut provoquer un artefact de susceptibilité magnétique dans les capillaires qui réduit la plage dynamique de détection des glomérules marqués avec CF. Pour résoudre ce problème, la ferritine peut être modifiée pour incorporer plus de fer et le noyau d'oxyde métallique du CF peut être modifié pour le rendre plus facilement détectable sans l'artefact de susceptibilité. Cependant, d'autres stratégies de détection s'accompagnent de compromis en termes de rendement du produit ou de vitesse d'imagerie, de sorte que la première démonstration de CFE-MRI n'a pas utilisé ces approches. La clé de CFE-MRI est de contrôler le mouvement et de s'assurer que la bobine de radiofréquence (RF) est suffisamment sensible sur l'ensemble du rein.

Perspectives pour la néphrologie du développement : Structure et fonction Ici, nous avons décrit les outils émergents pour mesurer directement la dotation en néphrons, à la fois ex vivo et in vivo. La tomodensitométrie par rayons X permet une acquisition d'image et un phénotypage rapides, ex vivo. Des outils tels que la tomodensitométrie par rayons X associée à la biopsie ont l'avantage d'être rapidement déployés en clinique, avec un inconvénient d'invasivité, d'utilisation de rayonnements ionisants et de potentiel de biais d'échantillon. Les approches basées sur l'IRM surmontent le besoin de rayonnement ionisant et fournissent un contraste combiné des tissus mous, et peuvent être utilisées à la fois ex vivo et in vivo. L'IRM-CFE nécessite l'injection d'un agent de contraste qui doit être considéré comme sûr avant de pouvoir être utilisé en clinique. Alors que la mesure in vivo du nombre de néphrons en est à ses balbutiements, de nouvelles séquences d'acquisition d'images pour une imagerie rapide, en plus d'un matériel et d'un traitement d'image améliorés, ont le potentiel de rendre ces outils d'IRM pratiques pour une utilisation de routine. Au fur et à mesure que la technique mûrit, d'autres séquences d'impulsions seront déployées pour réduire la sensibilité à l'artefact de susceptibilité induit par les FC, et la physique de l'environnement magnétique local sera mieux comprise pour potentiellement révéler encore plus d'informations. Il existe également des opportunités uniques de combiner la morphologie glomérulaire et tubulaire avec d'autres stratégies d'acquisition d'images pour fournir une vue complète de la microstructure, de l'anatomie globale et de la physiologie du rein in vivo. Ces informations combinées peuvent être utilisées pour étudier le développement de la perte de néphrons au fil du temps, une caractéristique principale des maladies rénales aiguës et chroniques et des maladies rénales progressives au cours du développement.

Le raffinement récent de la visualisation et de la segmentation des images, grâce à des outils analytiques ou à l'intelligence artificielle, permet d'extraire de grandes quantités d'informations à partir d'images tridimensionnelles de tissus. Certaines techniques émergentes, telles que l'imagerie du tenseur de susceptibilité, promettent de fournir de nouvelles informations pouvant être utilisées comme substitut de la microstructure tissulaire. Dans le rein, cela peut faciliter les cartes combinées des glomérules, des tubules, du système vasculaire et de l'interstitium à partir d'une combinaison d'images co-enregistrées. Il peut également être possible de co-enregistrer directement ces images à l'imagerie optique ou à des informations obtenues par d'autres modalités d'imagerie radiologique. Il est important dans chaque cas de valider largement ces nouveaux outils et éventuellement de standardiser certains protocoles d'acquisition entre les institutions pour fournir un haut niveau de reproductibilité. La disponibilité et la facilité d'utilisation de nouveaux outils conduiront probablement à de nouvelles approches en science des données pour intégrer les informations de tous ces mécanismes et modalités de contraste afin d'offrir une nouvelle vision quantitative du rein chez un grand nombre de sujets. En développement, ces outils pourront éventuellement être combinés dans des études longitudinales. L'adoption et la création de nouveaux apprentissages automatiques seront essentielles à cet effort.

Un défi restant consiste à traduire les mesures du nombre de néphrons pour l'imagerie in vivo chez l'homme49. Une mesure clinique du nombre de néphrons ou du volume glomérulaire permettrait potentiellement des thérapies individualisées adaptées aux observations de patients spécifiques et pourrait fournir une vision entièrement nouvelle développement.