Developing organoid-based bioartificial kidneys transplanted on chicken embryos

Chronic kidney disease is a major health problem with over 10% of the world population affected. In the final stage, replacement of the renal function is life-saving. However, conventional dialysis can only replace the filtering function of the kidney intermittently and leaves the tubular part unattended. Kidney transplants resolve some of these issues, but they are scarce and require lifelong immunosuppressants. An implantable bioartificial kidney (BAK) would deliver a significant improvement to existing renal replacement therapy.

A vascularised connection with the circulation of the recipient is pivotal for functionality of a BAK. A relatively simple way to analyse this connection is by using the chocioallantoic membrane (CAM) from a chicken embryo, with multiple advantages to conventional test animals. We aimed to transplant static and dynamic devices on the CAM with the option of growing epithelialised kidney cells on a semipermeable membrane. Adult stem cell-derived kidney organoids (tubuloids) are one candidate for placement into a functional BAK.

Chicken embryos were incubated ex ovo up to the embryonic day 14. On day 10, the chips were placed on the CAM with a 3D printed stabilising device. On the last day, 10 kDa dextran-FITC was administered intravenously to the embryo. In the dynamic chips, dialysate fluid was flushed through at flow rate 1 mL/h during several hours, essentially mimicking membrane dialysis. Fluorescence of the dialysate was determined with a platereader. In the static chips, the interaction between tubuloids and CAM was further investigated with qPCR.

The compound concentration in the dialysate increased over time and reached a stable level after approximately 2 hours. The gradient from blood to dialysate factors to approximately 1000x dilution. Biodistribution experiments confirmed that the chip was exposed to the sugar during at least 30 minutes, before accumulating in the liver. CAM vascular markers were suppressed after xenotransplantation of tubuloids. The tubuloids sustained their molecular identity.

The connection between the dynamic device and the ex ovo CAM acts as a proof-of-principle for in vivo vascularisation of an implantable BAK. We combined focus on implantability with a dynamic fluidic channel to constitute a novel application of the CAM. Further research to in vivo functionalisation of tubuloids is recommended. Outside the nephrology realm, our setup enables a translation into host-derived vascularisation of any epithelial cell type functionalised in a living recipient, with possible applications in personalised therapy evaluation and diagnostics.

Hoe kan een kippenembryo de behandelopties van een nierpatiënt verbeteren? Dat is de centrale vraag die mij tijdens deze stage heeft gedreven. In deze tekst leg ik eerst uit waarom we onderzoek doen naar transplanteerbare kunstnieren. Vervolgens leg ik uit hoe kippenembryo’s daarbij kunnen helpen. Als laatste bespreek ik hoe dit project in de toekomst kan worden voortgezet.

Chronische nierziekte is een veelvoorkomende aandoening waarbij de nieren geleidelijk steeds verder beschadigd raken. Afvalstoffen stapelen zich in het bloed, omdat de nieren hun filterfunctie niet goed meer vervullen. Dit kan symptomen geven zoals vermoeidheid, vochtophoping en jeuk. Meer dan 10  van de wereldbevolking heeft chronische nierziekte.

In het eindstadium moet de nierfunctie kunstmatig worden overgenomen. Dit kan door dialyse of een niertransplantatie. Dialyse heeft helaas ernstige bijwerkingen en beperkt de bewegingsvrijheid van patiënten. Voor niertransplantaties staat men meer dan 2 jaar op de wachtlijst. Bovendien moet de patiënt daarna levenslang medicijnen nemen die de afweer onderdrukken. Er valt dus nog veel te verbeteren aan de behandeling van nierziekte.

Het UMC Utrecht richt zich op het ontwikkelen van een transplanteerbare kunstnier. Dit is een kunstmatige nier die in het lichaam van de patiënt kan worden geplaatst. Zoals met alle innovaties, is deze ontwikkeling een grote puzzel met veel kleine stukjes. Het puzzelstukje van ons onderzoek gaat erover hoe een transplanteerbare kunstnier contact maakt met de bloedsomloop van de ontvanger. Dit contact noemen we een ‘vasculaire verbinding’.

Kippenembryo‘s worden vaker gebruikt voor onderzoek naar een vasculaire verbinding. Ze hebben meerdere voordelen ten opzichte van vaakgekozen proefdieren zoals muizen. Zo hebben ze bijvoorbeeld nog geen bewustzijn en ze zijn relatief gemakkelijk te houden. Wanneer ze 3 dagen oud zijn, halen we ze uit het ei en leggen we ze in een schaaltje. Daardoor komen er veel bloedvaatjes boven te liggen.

Wanneer het embryo 10 dagen oud is, plaatsen we een vloeistofkanaal op de bloedvaatjes. Dit kanaaltje heeft een doorlaatbare onderkant, zodat het een verbinding met de bloedsomloop kan aangaan. Om te voorkomen dat het omvalt, hebben we een houder ontworpen met 3D-printen. We hebben ontdekt dat het embryo langer blijft leven als we het kanaaltje op maat snijden met een lasersnijder.

We gaven het embryo een paar dagen de tijd om een vasculaire verbinding te vormen met het vloeistofkanaal. Vervolgens injecteerden we een speciaal gekleurde suiker in de bloedsomloop. Als er sprake is van een goede vasculaire verbinding, kan de suiker zich van de bloedsomloop verplaatsen naar het vloeistofkanaaltje. Het kanaaltje is dan in staat om het bloed te filteren. Als er geen goede vasculaire verbinding is, blijft de suiker in de bloedsomloop van het embryo.

Onze metingen lieten zien dat de suiker inderdaad uit de bloedsomloop werd gefilterd. Een deel werd door het embryo zelf gedaan, maar ook een deel werd opgenomen door het vloeistofkanaaltje. Dit betekent dat er een vasculaire verbinding is gemaakt met onze opstelling. Deze verbinding kan worden gebruikt om transplanteerbare kunstnieren verder te ontwikkelen.

Tijdens het project hebben we ook geprobeerd om gezonde niercellen in dit vloeistofkanaal te plaatsen. Het doel daarvan is dat deze cellen de nierfunctie van patiënten overnemen. Vooralsnog hebben we dit alleen op kippenembryo‘s getest. Het blijkt dat de cellen geen grote veranderingen ondergaan als we ze in verbinding zetten met het embryo. Of ze ook de nierfunctie kunnen overnemen, hebben we nog niet genoeg kunnen onderzoeken.

In de toekomst kan de vasculaire verbinding van ons vloeistofkanaal op verschillende manieren worden gebruikt. Binnen de nierafdeling willen we doorgaan met proberen gezonde niercellen in dit vloeistofkanaal te plaatsen. Als deze cellen uiteindelijk de nierfunctie van het embryo kunnen overnemen, is de volgende stap dat we ons onderzoek bij grotere proefdieren toepassen. In de verre toekomst hopen we het ook voor mensen te kunnen gebruiken.

Buiten de nierafdeling is de vasculaire verbinding ook van belang. Alle onderzoekers die bezig zijn met het ontwikkelen van kunstorganen, moeten vroeg of laat bedenken hoe ze het orgaan in verbinding zullen brengen met de bloedsomloop. Zij zouden ons puzzelstukje met de kippenembryo's goed kunnen gebruiken voor hun eigen onderzoek. Wie weet zal ons experiment niet alleen voor niercellen worden gebruikt, maar ook voor andere organen. De tijd zal het leren.

Please, feel free to contact me for questions.