Forschende der University of Texas haben einen bisher unbekannten Prozess in Nierenzellen entdeckt, der Zellinhalte ausstößt, sodass sich die Zellen selbst verjüngen und funktionsfähig bleiben. Dieser Selbsterneuerungsprozess trägt dazu bei, zu erklären, wie Nieren – abgesehen von Verletzungen oder Krankheiten – ein Leben lang gesund bleiben können. Die Studie, die diesen Prozess beschreibt, wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Zellen in den proximalen Tuben der Niere sind mitotisch ruhend: Sie teilen sich nicht, um neue Zellen zu bilden. Bei Verletzungen oder Krankheiten haben Nierenzellen daher eine begrenzte Reparaturfähigkeit. Auch Stammzellen in der Niere können nur bis zu einem gewissen Grad neue Nierenzellen bilden, so Dr. Jie Zheng, Professor für Chemie und Biochemie an der Fakultät für Naturwissenschaften und Mathematik und Mitverfasserin der Studie.
„Wenn Nierenzellen schwer verletzt werden, sterben sie in den meisten Fällen ab und können sich nicht regenerieren“, sagt Zheng. „Früher oder später versagt die Niere einfach. Das ist eine große Herausforderung für das Gesundheitsmanagement bei Nierenkrankheiten. Alles, was wir derzeit tun können, ist, das Fortschreiten des Nierenversagens zu verlangsamen. Wir können das Organ nicht einfach reparieren, wenn es schwer oder durch eine chronische Krankheit geschädigt ist. Deshalb ist die Entdeckung dieses Selbsterneuerungsmechanismus wahrscheinlich eine der wichtigsten Erkenntnisse, die wir bisher gemacht haben.“
Eine unerwartete Entdeckung in Nierenzellen
Zheng forscht seit 15 Jahren am biomedizinischen Einsatz von Gold-Nanopartikeln als bildgebendes Verfahren zum grundlegenden Verständnis der glomulären Filtration, zur Früherkennung von Lebererkrankungen und zur gezielten Abgabe von Krebsmedikamenten. Ein Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf das Verständnis, wie Gold-Nanopartikel von den Nieren gefiltert und über den Urin ausgeschieden werden.
Gold-Nanopartikel passieren im Allgemeinen unbeschadet den Glomerulus und gelangen dann in die proximalen Tubuli. Die proximalen Tubulusepithelzellen internalisieren die Nanopartikel, die schließlich aus diesen Zellen entweichen und mit dem Urin ausgeschieden werden. Wie die Nanopartikel den Zellen entkommen, war bisher jedoch unklar.
Zheng und sein Team untersuchten Goldnanopartikel in proximalen tubulären Gewebeproben mit einem optischen Mikroskop, wechselten dann jedoch für eine bessere Auflösung zu einem Elektronenmikroskop (EM). „Mit dem EM sahen wir, dass die Gold-Nanopartikel in Lysosomen innerhalb großer Vesikel im Lumen, als dem Raum außerhalb der Epithelzellen, eingekapselt waren“, so Dr. Mengxiao Yu, außerordentliche Forschungsprofessorin. „Wir haben auch die Bildung dieser Vesikel beobachtet, die sowohl Nanopartikel als auch Organellen außerhalb der Zellen enthalten, und das war etwas, was wir vorher noch nicht gesehen hatten.“
Die Forscher fanden proximale röhrenförmige Zellen, die nach außen gerichtete Ausbuchtungen in den luminalen Membranen gebildet hatten, die nicht nur Gold-Nanopartikel, sondern auch Lysosomen, Mitochondrien, das endoplasmatische Retikulum und andere Organellen enthielten, die normalerweise auf das Innere einer Zelle beschränkt sind. Diese Inhalte wurden dann in einem Bläschen abgespalten, das in den extrazellulären Raum gelangte.
„In diesem Moment wussten wir, dass es sich um ein ungewöhnliches Phänomen handelt“, so Yu. „Das ist eine neue Methode für Zellen, Zellinhalte zu entfernen.“
Ein bislang unbekannter Erneuerungsprozess
Dieser Selbsterneuerungsmechanismus unterscheidet sich rundlegend von anderen bekannten Regenerationsprozessen wie der Zellteilung sowie von der Exozytose. Bei der Exozytose werden Fremdstoffe wie Nanopartikel in einem Vesikel innerhalb der Zelle eingekapselt. Dann verschmilzt die Vesikelmembran mit der inneren Zellmembran, die sich öffnet, um den Inhalt nach außen zu entlassen.
„Was wir entdeckt haben, unterscheidet sich völlig von den bisherigen Erkenntnissen darüber, wie Zellen Partikel eliminieren. Beim Extrusionsprozess findet keine Membranfusion statt, die alte Inhalte aus normalen Zellen entfernt und es den Zellen ermöglicht, sich mit neuen Inhalten zu versorgen“, sagte Yingyu Huang, Postdoc in Zhengs Labor. „Dies geschieht unabhängig davon, ob fremde Nanopartikel vorhanden sind oder nicht. Es ist ein intrinsischer, proaktiver Prozess, den die Nierenzellen nutzen, um länger zu überleben und richtig zu funktionieren“.
Zheng sagte, dass ihre Ergebnisse neue Forschungsbereiche erschließen. Epithelzellen, wie die in den proximalen Tubuli, kommen beispielsweise auch in anderen Geweben vor, etwa in den Wänden von Arterien, im Darm und im Verdauungstrakt.
„Im Bereich der Nanomedizin wollen wir die Anreicherung von Nanopartikeln im Körper so weit wie möglich minimieren. Wir wollen nicht, dass sie in den Nieren stecken bleiben, daher ist es sehr wichtig zu verstehen, wie Nanopartikel aus den proximalen Tubuli ausgeschieden werden“, so Zheng. „Wenn wir lernen könnten, diesen Selbsterneuerungsprozess zu regulieren oder zu überwachen, könnten wir auch einen Weg finden, die Nieren von Patienten mit Bluthochdruck oder Diabetes gesund zu erhalten.
Originalpublikation: Huang Y et al. Proximal tubules eliminate endocytosed gold nanoparticles through an organelle-extrusion-mediated self-renewal mechanism. Nature Nanotechnology 2023; 18: 637–646
Quelle: EurekAlert! (>> zur Pressemitteilung)
Bildquelle:© University of Texas at Dallas
