New strategies envisioning functional recovery of the injured kidney

Abstract

Kidney diseases represent a major healthcare burden worldwide. It is estimated that one in ten persons suffer from kidney dysfunction. Indeed, a decline in renal function is considered an independent risk factor for both cardiovascular disease and all-cause mortality. The problem is only aggravated by treatment alternatives, with dialysis and transplantation being the only currently available renal replacement therapies. Envisioning the functional recovery of the injured kidney, two regenerative resources were explored: porcine-derived kidney decellularized matrices and renal progenitor cells from human origin. For that, the decellularization process was optimized to obtain porcine kidney decellularized tissue. A full characterization of this matrix in terms of morphology, structural integrity, biochemical content, thermal and molecular properties and protein content was performed. Indeed, porcine-derived matrices were validated as an adequate raw material for the production of several decellularized-based substrates. Namely, kidney tissue-derived electrospun membranes were fabricated for the development of a tubular filtration barrier model. Additionally, decellularized tissue was used for the fabrication of a particulate matrix and a bioink, where 3D cultures of isolated renal cells were established envisioning implantation. Indeed, these cells already shown to possess reparative properties when injected into the injured kidney tissue alone, with limited efficacy. They were also used to develop an organoid model of the glomerulus. Overall, renal progenitor cells demonstrated versatility, specific differentiation into renal phenotypes and proliferation capacity when embedded on the matrix substrates. The works developed in this thesis show that decellularized-based biomaterial substrates may have multiple applications, from modeling systems to moldable implantable scaffolds for tissue engineering strategies. These substrates demonstrated physiological kidney tissue characteristics, allowing cultured cells to represent morphological, phenotypic and functional properties of in vivo systems. Ultimately, this thesis allowed for the development of advanced strategies comprising both relevant cells and biomaterial substrates that may have greater implications in the biomedical field as promising solutions to address renal pathologies in its early stages.

As doenças renais representam um grande problema económico-social. Está estimado que uma em cada dez pessoas sofre de disfunção renal. São também consideradas um fator de risco para doenças cardiovasculares e para a taxa de mortalidade geral. Este problema é agravado visto que as únicas opções de tratamento atuais são a diálise e transplantação. Visto que o objetivo inicial da tese é a recuperação do rim lesado, foram explorados dois recursos regenerativos: matriz extracelular de rim de porcino decelularizadas e células progenitoras renais de origem humana. O processo de descelularização foi cuidadosamente otimizado com vista a obter matrizes descelularizadas. Posteriormente, foi feita uma caracterização completa da matriz de porcino em termos de morfologia, integridade estrutural, conteúdo bioquímico, propriedades térmicas e moleculares e ainda conteúdo proteico. Estas matrizes foram usadas como base para produção de diversos biomateriais. Foram fabricadas membranas fibrosas por electrofiação para o desenvolvimento de um modelo in vitro da barreira de filtração tubular. A matriz descelularizada foi usada para obter partículas e também uma biotinta, onde foram estabelecidas culturas 3D de células renais isoladas, com o objetivo final de implantação. Estas células demonstraram anteriormente o seu potencial quando injetadas num rim lesado, com limitada eficácia. Nesta tese, as mesmas células foram também usadas para desenvolver um modelo de organoide do glomérulo. As células progenitoras renais demonstraram ter versatilidade, capacidade de diferenciação específica em fenótipos renais e de proliferação quando cultivadas nas matrizes. Os materiais produzidos a partir da matriz decelularizada demonstraram poder ser usados em múltiplas aplicações, desde modelos para estudos in vitro até scaffolds implantáveis para estratégias de engenharia de tecidos. Estes biomateriais demonstraram ter uma variabilidade fisiológica semelhante à do rim, o que permitiu às células cultivadas modelar propriedades dos sistemas in vivo, nomeadamente morfológicas, fenotípicas e funcionais. Por fim, esta tese permitiu o desenvolvimento de estratégias avançadas compostas por células e biomateriais relevantes, que podem ter imensas implicações biomédicas como soluções promissoras para o tratamento de lesões renais em estágios iniciais.