Золотые наночастицы помогли открыть механизм самообновления клеток почек

Ученые из Техасского университета в Далласе обнаружили ранее неизвестный процесс уборки в клетках почек, в результате которого ненужное содержимое выбрасывается, а клетки омолаживаются и остаются работоспособными и здоровыми.

Этот процесс самообновления, принципиально отличающийся от регенерации других тканей организма, позволяет объяснить, почему при отсутствии травм и заболеваний почки могут оставаться здоровыми в течение всей жизни. Этот механизм описан исследователями в работе, опубликованной 17 апреля в журнале Nature Nanotechnology.

В отличие от печени и кожи, где клетки делятся для создания новых дочерних клеток и регенерации органа, клетки проксимальных канальцев почки находятся в состоянии митотического покоя — они не делятся для создания новых клеток. В случае легкого повреждения или заболевания клетки почки обладают ограниченными восстановительными способностями, и стволовые клетки почки могут образовывать новые клетки, но только до определенного момента, говорит доктор Цзе Чжэн, профессор химии и биохимии Школы естественных наук и математики и соавтор исследования.

В большинстве случаев при сильном повреждении клетки почки погибают и не могут регенерироваться, — говорит Чжэн, заведующий кафедрой естественных наук и математики.

Рано или поздно почка просто откажет. Это большая проблема в управлении здоровьем при заболеваниях почек. Все, что мы можем сделать в настоящее время, — это замедлить прогресс почечной недостаточности. Мы не можем легко восстановить орган при его серьезном повреждении или хроническом заболевании.

Поэтому открытие этого механизма самообновления, вероятно, является одним из наиболее значимых открытий, сделанных нами на сегодняшний день». Университет UTD, располагающий прекрасной базовой базой и преданным своему делу персоналом, является отличным местом для проведения таких передовых исследований».

По его словам, дальнейшие исследования могут привести к совершенствованию наномедицины и раннему выявлению заболеваний почек.

Неожиданная находка

По словам исследователей, открытие застало их врасплох.

В течение 15 лет Чжэн занимался исследованием биомедицинского использования золотых наночастиц в качестве агентов визуализации, для фундаментального понимания гломерулярной фильтрации, ранней диагностики заболеваний печени и адресной доставки противораковых препаратов. Часть этой работы была посвящена пониманию того, как наночастицы золота фильтруются почками и выводятся из организма с мочой.

Исследования показали, что наночастицы золота обычно проходят через структуру в почке, называемую гломерулой, а затем попадают в проксимальные канальцы, составляющие более 50% почки. Было показано, что эпителиальные клетки проксимальных канальцев интернализуют наночастицы, которые в конечном итоге покидают эти клетки и выводятся с мочой. Но как именно они выходят из клеток, пока неясно.

В декабре 2021 г. Чжэн и его команда химиков — научный сотрудник и ведущий автор исследования Йинъю Хуанг PhD'20 и соавтор исследования доктор Мэнсяо Ю, доцент, — исследовали золотые наночастицы в образцах тканей проксимальных канальцев с помощью оптического микроскопа, но для лучшего разрешения перешли на один из электронных микроскопов (ЭМ) университета.

С помощью ЭМ мы увидели, что золотые наночастицы инкапсулированы в лизосомы внутри больших везикул в просвете, то есть в пространстве за пределами эпителиальных клеток, — сказал Ю.

Везикулы — это небольшие мешочки, заполненные жидкостью, которые находятся как внутри, так и снаружи клеток и переносят различные вещества.

Но мы также наблюдали образование этих везикул, содержащих как наночастицы, так и органеллы, вне клеток, и это отличалось от того, что мы видели раньше, — сказал Ю.

Исследователи обнаружили клетки проксимальных канальцев, в люминальных мембранах которых образовались направленные наружу выпуклости, содержащие не только наночастицы золота, но и лизосомы, митохондрии, эндоплазматический ретикулум и другие органеллы, обычно находящиеся внутри клетки. Выдавленное содержимое затем сжималось в везикулу, которая выплывала во внеклеточное пространство.

В тот момент мы поняли, что это необычное явление, — говорит Ю.

Это новый для клеток способ удаления клеточного содержимого.

Уникальный процесс обновления

Механизм самообновления, опосредованный экструзией, принципиально отличается от других известных регенеративных процессов — таких, как деление клеток, и от уборки помещений, например, экзоцитоза. При экзоцитозе чужеродные вещества, например наночастицы, инкапсулируются в везикулу внутри клетки. Затем мембрана везикулы сливается с внутренней мембраной клетки, которая открывается и выпускает содержимое наружу.

То, что мы обнаружили, полностью отличается от прежних представлений о том, как клетки уничтожают частицы. В процессе экструзии не происходит слияния мембран, что приводит к удалению старого содержимого из нормальных клеток и позволяет клеткам обновляться за счет свежего содержимого, — сказал Хуанг.

Это происходит независимо от наличия или отсутствия чужеродных наночастиц. Это внутренний, проактивный процесс, который клетки используют для того, чтобы дольше прожить и нормально функционировать.

По словам Чжэна, полученные им результаты открывают новые области для изучения. Например, эпителиальные клетки, подобные клеткам проксимальных канальцев, встречаются и в других тканях, например, в стенках артерий, в кишечнике и пищеварительном тракте.

В области наномедицины мы хотим максимально снизить накопление наночастиц в организме. Мы не хотим, чтобы они застревали в почках, поэтому очень важно понять, как наночастицы выводятся из проксимальных канальцев, — сказал Чжэн.

Кроме того, если мы научимся регулировать или контролировать этот процесс самообновления, мы сможем найти способ сохранить почки здоровыми у пациентов с высоким кровяным давлением или диабетом.

Если бы мы смогли разработать способы неинвазивного обнаружения признаков этого процесса, то, возможно, это могло бы стать индикатором раннего заболевания почек.

14.07.2023