Alex Hughes, seorang Profesor Pembantu dalam Bioengineering di Penn Engineering dan dalam Biologi Sel dan Pembangunan di Penn Medicine, menganggap ginjal sebagai karya seni. “Saya rasa perkembangan ginjal itu proses yang sangat cantik,” kata Hughes.
Kebanyakan orang hanya melihat ginjal dalam potongan melintang melalui buku teks atau semasa membedah ginjal haiwan dalam kelas biologi sekolah menengah: sekeping berbentuk kacang yang dipenuhi dengan tiub kecil. “Saya rasa itu meremehkan betapa menawannya struktur ini,” ujar Hughes yang menunjukkan bahawa ginjal berkembang in utero seperti hutan paip yang bercabang secara eksponensial.
Irama ginjal
Ginjal, yang dipenuhi dengan tiub yang dikelompokkan dalam unit-unit yang dikenali sebagai nefron, berfungsi untuk membersihkan darah, menjaga keseimbangan cairan dan elektrolit dalam badan, serta mengatur tekanan darah. Organ ini memainkan peranan penting ketika vertebrata muncul dari lautan: seperti yang dinyatakan dalam satu kertas, ginjal ‘memelihara lautan primitif’ dalam diri kita semua.
Malangnya, ginjal menghadapi banyak cabaran dalam dunia moden. Makanan yang terlalu masin, berat badan berlebihan, kurang bersenam, pengambilan alkohol yang berlebihan, dan merokok semuanya boleh meningkatkan tekanan darah, yang merosakkan saluran darah kecil dalam ginjal, sama seperti diabetes.
Dalam sesetengah kes, kerosakan pada nefron ginjal dapat diperlahankan dengan perubahan gaya hidup. Namun, berbeza dengan hati, tulang, dan kulit, yang boleh menghasilkan semula tisu yang rosak, ginjal mempunyai kapasiti regenerasi yang terbatas. Tanpa pemindahan, nefron yang kita miliki sejak lahir perlu bertahan seumur hidup.
Beban penyakit ginjal kronik
Hari ini, satu dalam sepuluh orang di seluruh dunia – lebih dari 850 juta, termasuk lebih satu dari tujuh warganegara Amerika – mengalami penyakit ginjal kronik (CKD). Keadaan ini sukar dikesan pada peringkat awal. Menurut Pusat Kawalan dan Pencegahan Penyakit (CDC), sebanyak 90% orang Amerika dengan CKD tidak menyedari mereka mempunyai kondisi tersebut. Penyakit ini juga progresif dan tidak dapat disembuhkan. Menjelang 2040, CKD dijangka akan menjadi penyebab kelima yang paling tinggi menyebabkan kehilangan tahun hayat di seluruh dunia.
Akhirnya, CKD boleh membawa kepada kegagalan ginjal, di mana terdapat hanya dua rawatan: dialisis – yang boleh menelan belanja puluhan ribu dolar setahun, seringkali menyakitkan, dan memerlukan pesakit menghabiskan berjam-jam setiap minggu terikat pada mesin yang menyaring darah – atau pemindahan ginjal. Senarai menunggu untuk menerima ginjal baru di Amerika Syarikat adalah sekitar 100,000 orang dan mengambil masa tiga hingga lima tahun.
Walaupun semua orang yang lahir hari ini mengamalkan gaya hidup yang lebih sihat, jutaan masih akan menderita penyakit ini. Kecacatan perkembangan pralahir yang paling umum melibatkan ginjal dan saluran kencing, yang mempengaruhi 2% daripada semua kelahiran, atau hampir tiga juta bayi setiap tahun.
Ada beban klinikal yang besar dari penyakit ginjal. Dan ada sedikit jurutera yang berusaha mencipta penyelesaian baru.”
Alex Hughes, Profesor Pembantu dalam Bioengineering di Penn Engineering dan dalam Biologi Sel dan Pembangunan di Penn Medicine
Sehubungan itu, Lab Hughes menumpukan usaha untuk memahami mekanisme di sebalik perkembangan ginjal dan menggunakan wawasan tersebut untuk menciptakan tisu ginjal dari awal, yang dapat mengurangkan keperluan untuk dialisis dan pemindahan. “Saya rasa ada banyak peluang untuk memikirkan tentang sintesis semula tisu ginjal untuk perubatan regeneratif,” kata Hughes.
Membangun tanpa pelan
Untuk menumbuhkan ginjal tiruan, penyelidik seperti Hughes perlu memahami cara alam menciptakan organ ini. Ini sebenarnya lebih sukar daripada yang disangka. Semua jantung dan sistem peredaran darah kelihatan lebih kurang sama, tetapi tidak ada dua pasang ginjal yang sama.
Ginjal terbentuk apabila tiubnya bercabang, satu proses yang bervariasi yang membuatkan beberapa orang mempunyai sembilan kali lebih banyak nefron berbanding yang lain – yang mungkin memberikan lebih banyak kuasa penapisan dan jangka hayat. “Ada banyak variasi dalam berapa banyak nefron yang kita miliki,” kata Hughes. “Jika anda mempunyai nefron lebih sedikit, adakah ini bermakna anda mempunyai peluang yang lebih tinggi untuk menghidap penyakit ginjal kronik? Penyelidikan nampaknya menyokong ini.”
Mekanisme yang mengawal proses cabang dan pembentukan nefron telah lama tidak difahami. “Ia seperti rangkaian pengagihan air di sebuah bandar,” kata Hughes, “tetapi ia dibina oleh sel-sel yang entah bagaimana tahu apa yang perlu dibina dan di mana jiran-jiran mereka berada dan apa persimpangan yang perlu dibuat, semuanya tanpa pelan.”
Dalam kajian terbaru mereka yang diterbitkan dalam Nature Materials, Hughes dan pasukannya mengenal pasti satu pengawal potensi perkembangan ginjal: gelombang tekanan mekanikal yang kecil, yang berlaku apabila tiub ginjal yang padat saling bergesel. “Bayangkan berada dalam lif yang sudah sesak,” jelas Hughes. “Jika anda terus menambah orang, ia akan mencipta tekanan mekanikal – anda sebenarnya akan mendorong orang dengan siku anda.”
Hughes dan rakan-rakannya – termasuk penulis bersama Louis Prahl, seorang sarjana pasca doktoral di Lab Hughes, Jiageng Liu, pelajar doktoral Bioengineering, dan John Viola, seorang lulusan PhD dalam Bioengineering – menganalisis imej mikroskopik ginjal haiwan yang sedang berkembang pada pelbagai waktu untuk menentukan geometri mereka dan memberi tekanan pada organ-organ tersebut dengan alat kecil untuk mengukur kekerasan mereka. Semakin padat tiub tersebut, semakin kaku tisu yang terbentuk. Ketika cabangan tiub berlanjutan, mereka mendapati bahawa setiap cabang tambahan menyebabkan denyutan tekanan mekanikal, yang mereka percaya boleh menjadi salah satu isyarat untuk pembentukan nefron.
Hasilnya, pasukan Hughes menyimpulkan, setiap tiub bersaing untuk ruang dengan jirannya. Dalam erti kata lain, tidak ada pelan induk untuk ginjal, membantu menjelaskan mengapa jumlah nefron dalam ginjal matang berbeza dari orang ke orang. Penemuan ini menunjukkan bahawa perkembangan ginjal mirip dengan tarian improvisasi, di mana setiap tiub bertindak balas terhadap sentuhan jirannya.
Dalam video yang dihasilkan oleh Lab Hughes untuk memvisualisasikan proses tersebut, nefron yang bersebelahan terbentuk satu demi satu, seolah-olah mengikuti rentak. “Ia masih hipotesis,” tambah Hughes, “tetapi kami rasa sel stem di sekeliling tiub ini seakan-akan mendengar gelombang tekanan mekanikal ini untuk membimbing keputusan mereka tentang bila untuk membentuk nefron atau bila tidak.” Jika penyelidik dapat menyimulasikan irama itu, mereka mungkin dapat membimbing perkembangan ginjal tiruan, yang akan menjadi kemajuan besar dalam merawat CKD.
Bahan yang tepat
Pada masa ini, tisu ginjal tiruan – dalam bentuk kelompok sel yang dikenali sebagai organoid – masih jauh dari kegunaan klinikal. Jika ginjal normal terdiri daripada koleksi teratur pelbagai jenis sel, organoid sering berakhir sebagai jisim sel yang tidak teratur dan berada di tempat yang salah. “Anda boleh menciptakan jenis sel yang betul,” kata Hughes, “tetapi organisasi spatialnya kebanyakannya tidak betul.”
Organisasi spatial ginjal sangat penting – sebuah loji penapisan air tidak dapat berfungsi jika paip tidak sejajar. Malangnya, cabang tiub dalam organoid biasanya tidak mencukupi dan tidak dapat mengalir ke satu titik keluar. Dalam erti kata lain, mereka tidak dapat melaksanakan fungsi yang paling penting dalam ginjal: menapis sisa dari darah dan memastikan sisa itu keluar dari badan. “Ada banyak inovasi kejuruteraan yang perlu dilakukan untuk memandu tisu ini agar lebih menyerupai kehidupan,” kata Hughes.
Sebahagian daripada masalah ini adalah bahawa organoid ginjal memerlukan sekurang-kurangnya tiga jenis sel stem yang berbeza: satu untuk tiub, satu untuk nefron, dan satu untuk struktur sokongan seperti saluran darah. Tidak seperti, misalnya, organoid usus, yang menggambarkan tisu usus dan boleh dibesarkan dari satu jenis sel stem, organoid ginjal secara inheren lebih rumit.
Dalam satu kertas terbaru yang diterbitkan dalam Cell Systems, Lab Hughes mencadangkan satu penyelesaian baru: mencipta komuniti kecil dari pelbagai jenis sel, dibentuk dalam mozaik. Dengan menyesuaikan nisbah setiap jenis sel stem, penyelidik dapat mempengaruhi komposisi organoid.
Hughes dan rakan-rakannya – termasuk penulis utama Catherine Porter dan Samuel Grindel, kedua-duanya pelajar doktoral Bioengineering, dan Grace Qian, seorang graduan Bioengineering 2023 dan pelajar doktoral semasa di Universiti California Berkeley serta Universiti California San Francisco – membangunkan microwells yang disesuaikan, di mana mereka membesar pelbagai kombinasi sel stem ginjal, hampir seperti tukang baker yang mencuba resepi baru.
Seiring perubahan nisbah, penyelidik menyedari terdapat “puncak” dalam pembentukan tiub, menunjukkan komposisi yang optimum untuk menumbuhkan tisu ginjal, yang mereka sebut sebagai “nisbah goldilocks”. “Jika kita mengubah nisbah, kita melihat komposisi organoid yang sangat berbeza,” kata Hughes. “Jadi anda boleh menganggap ini sebagai organoid yang direka di mana anda mempunyai kawalan ke atas hasilnya.”
Dari lab ke klinik
Akhirnya, Hughes berharap untuk menggabungkan kedua-dua wawasan ini – ke dalam gelombang tekanan mekanikal yang mempengaruhi perkembangan ginjal, dan nisbah yang membentuk pembentukan organoid – menjadi aplikasi klinikal. “Anda boleh bayangkan apabila organoid ini berdiferensiasi,” katanya, “anda boleh menyimulasikan proses ritmik itu dan melihat jika tiba-tiba anda boleh mempercepatkan hasil skala yang lebih besar.”
Kepentingan mengembangkan alternatif kepada pemindahan dan dialisis sukar untuk dipandang remeh. Pada kadar sekarang, tidak akan pernah cukup ginjal untuk pemindahan. “Saya rasa itu adalah jurang besar yang dapat diisi oleh jurutera,” kata Hughes. Di pejabatnya, dia menyimpan jam tangan poket datuknya, sebagai peringatan betapa fungsi dan bentuk berkait rapat bila datang kepada rekaan objek mekanikal yang rumit. Jam tersebut masih berfungsi.
Kajian ini dijalankan di Sekolah Kejuruteraan dan Sains Gunaan Universiti Pennsylvania dan disokong oleh National Science Foundation (DMR-2309043 dan Anugerah CAREER 2339278 dan 2047271) dan National Institutes of Health National Institute of General Medical Sciences (R35GM133380), National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases (R01DK132296), serta Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (K25HD097288 dan R21HD112663).
Penulis bersama tambahan untuk kertas yang dirujuk termasuk Aria Zheyuan Huang, Trevor J. Chan, Gabriela Hayward-Lara dan Catherine M. Porter dari Penn Engineering, serta Chenjun Shi dan Jitao Zhang dari Wayne State University.
Sumber:
Universiti Pennsylvania Sekolah Kejuruteraan dan Sains Gunaan
Rujukan jurnal:
Prahl, L. S., et al. (2024). Jamming of nephron-forming niches in the developing mouse kidney creates cyclical mechanical stresses. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-024-02019-3.