Die umfassende Entdeckung der Forscher zeigt, wie sich Nierenzellen selbst erneuern

Wissenschaftler der University of Texas in Dallas haben einen bisher unbekannten „Housekeeping“-Prozess in Nierenzellen entdeckt, der unerwünschte Inhalte ausstößt, was zu Zellen führt, die sich selbst verjüngen und funktionsfähig und gesund bleiben.

Der Selbsterneuerungsprozess, der sich grundlegend von der Regeneration anderer Körpergewebe unterscheidet, hilft zu erklären, wie die Nieren, abgesehen von Verletzungen oder Krankheiten, ein Leben lang gesund bleiben können. Die Forscher beschrieben den Mechanismus in einer am 17. April veröffentlichten Studie Natur-Nanotechnologie.

Anders als in der Leber und der Haut, wo sich Zellen teilen, um neue Tochterzellen zu bilden und das Organ zu regenerieren, sind die Zellen in den proximalen Tubuli der Niere mitotisch im Ruhezustand – sie teilen sich nicht, um neue Zellen zu erzeugen. Bei leichten Verletzungen oder Erkrankungen verfügen Nierenzellen zwar über begrenzte Reparaturfähigkeiten und Stammzellen in der Niere können neue Nierenzellen bilden, allerdings nur bis zu einem gewissen Grad, sagte Dr. Jie Zheng, Professor für Chemie und Biochemie an der School of Naturwissenschaften und Mathematik und Mitautor der Studie.

„Wenn Nierenzellen schwer verletzt werden, sterben sie in den meisten Fällen ab und können sich nicht regenerieren“, sagte Zheng, ein angesehener Lehrstuhlinhaber für Naturwissenschaften und Mathematik. „Ihre Niere wird früher oder später einfach versagen. Das ist eine große Herausforderung im Gesundheitsmanagement bei Nierenerkrankungen. Alles, was wir derzeit tun können, ist, das Fortschreiten des Nierenversagens zu verlangsamen. Wir können das Organ nicht einfach reparieren, wenn es schwer verletzt ist oder durch eine chronische Erkrankung vorliegt.“

„Deshalb ist die Entdeckung dieses Selbsterneuerungsmechanismus wahrscheinlich eine der bedeutendsten Erkenntnisse, die wir bisher gemacht haben. Mit hervorragenden Kerneinrichtungen und engagiertem Personal ist UTD ein großartiger Ort, um solch bahnbrechende Forschung durchzuführen.“

Weitere Forschung könnte zu Verbesserungen in der Nanomedizin und zur Früherkennung von Nierenerkrankungen führen, sagte er.

Ein unerwarteter Befund

Die Forscher sagten, ihre Entdeckung habe sie überrascht.

Seit 15 Jahren untersucht Zheng die biomedizinische Verwendung von Goldnanopartikeln als Bildgebungsmittel, zum grundlegenden Verständnis der glomerulären Filtration und zur Früherkennung von Leber erkrankungund für die gezielte Abgabe von Krebsmedikamenten. Ein Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf das Verständnis, wie Goldnanopartikel von den Nieren gefiltert und über den Urin aus dem Körper ausgeschieden werden.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Goldnanopartikel im Allgemeinen unbeschadet eine Struktur in der Niere, den sogenannten Glomerulus, passieren und dann in die proximalen Tubuli gelangen, die über 50 % der Niere ausmachen. Es wurde gezeigt, dass proximale tubuläre Epithelzellen die Nanopartikel verinnerlichen, die schließlich diesen Zellen entkommen und im Urin ausgeschieden werden. Aber wie sie aus den Zellen entkommen, ist unklar.

Im Dezember 2021 haben Zheng und sein Chemieteam – Forschungswissenschaftler und leitender Studienautor Yingyu Huang Ph.D. ’20 und der mitkorrespondierende Autor Dr. Mengxiao Yu, wissenschaftlicher Mitarbeiter, untersuchten Goldnanopartikel in proximalen röhrenförmigen Gewebeproben mit einem optischen Mikroskop, wechselten jedoch für eine bessere Auflösung zu einem der Elektronenmikroskope (EM) der Universität.

„Mithilfe der EM haben wir Goldnanopartikel gesehen, die in Lysosomen in großen Vesikeln im Lumen, dem Raum außerhalb der Epithelzellen, eingekapselt sind“, sagte Yu.

Vesikel sind kleine, mit Flüssigkeit gefüllte Säcke, die sich sowohl innerhalb als auch außerhalb von Zellen befinden und verschiedene Substanzen transportieren.

„Aber wir beobachteten auch die Bildung dieser Vesikel, die sowohl Nanopartikel als auch Organellen enthielten, außerhalb von Zellen, und das hatten wir noch nie zuvor gesehen“, sagte Yu.

Die Forscher fanden proximale Röhrenzellen, die in ihren Lumenmembranen nach außen gerichtete Ausbuchtungen gebildet hatten, die nicht nur Goldnanopartikel, sondern auch Lysosomen, Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum und andere Organellen enthielten, die typischerweise auf das Innere einer Zelle beschränkt sind. Der extrudierte Inhalt wurde dann in ein Vesikel abgeklemmt, das in den extrazellulären Raum schwamm.

„In diesem Moment wussten wir, dass dies ein ungewöhnliches Phänomen war“, sagte Yu. „Das ist eine neue Methode für Zellen, Zellinhalte zu entfernen.“

Ein neuer Erneuerungsprozess

Der durch Extrusion vermittelte Selbsterneuerungsmechanismus unterscheidet sich grundlegend von anderen bekannten regenerativen Prozessen – wie der Zellteilung – und Reinigungsaufgaben wie der Exozytose. Bei der Exozytose werden Fremdstoffe wie Nanopartikel in einem Vesikel im Inneren der Zelle eingekapselt. Dann verschmilzt die Vesikelmembran mit der Innenseite der Zellmembran, die sich öffnet und den Inhalt nach außen abgibt.

„Was wir entdeckt haben, unterscheidet sich völlig von dem bisherigen Verständnis darüber, wie Zellen Partikel eliminieren. Beim Extrusionsprozess gibt es keine Membranfusion, wodurch alte Inhalte aus normalen Zellen entfernt werden und die Zellen sich mit neuen Inhalten aktualisieren können“, sagte Huang. „Das passiert unabhängig davon, ob fremde Nanopartikel vorhanden sind oder nicht. Es ist ein intrinsischer, proaktiver Prozess, den diese Zellen nutzen, um länger zu überleben und richtig zu funktionieren.“

Zheng sagte, ihre Erkenntnisse eröffnen neue Forschungsbereiche. Beispielsweise kommen Epithelzellen, wie die in den proximalen Tubuli, in anderen Geweben vor, beispielsweise in den Wänden von Arterien sowie im Darm und Verdauungstrakt.

„Auf dem Gebiet der Nanomedizin wollen wir die Ansammlung von Nanopartikeln im Körper so gering wie möglich halten. Wir möchten nicht, dass sie in den Nieren stecken bleiben. Deshalb ist es sehr wichtig zu verstehen, wie Nanopartikel aus den proximalen Tubuli eliminiert werden.“ “ sagte Zheng. „Wenn wir außerdem lernen könnten, diesen Selbsterneuerungsprozess zu regulieren oder zu überwachen, könnten wir möglicherweise einen Weg finden, die Nieren von Patienten mit hohem Blutdruck oder Diabetes gesund zu halten.“

„Wenn wir Möglichkeiten entwickeln könnten, die Signatur dieses Prozesses nichtinvasiv zu erkennen, könnte dies vielleicht ein Indikator für eine frühe Nierenerkrankung sein.“