В настоящее время распространенность заболеваний почек во всем мире достигает 8–16%, причем около 2 миллионов пациентов находятся на заместительной почечной терапии, на диализе либо имеют трансплантат почки [5]. Острое повреждение почек может быть вызвано ишемией (вследствие низкого артериального давления, синдрома длительного сдавления, хирургических операций с пережатием почечных сосудов), воздействием нефротоксических веществ (в частности, антибиотиков и противоопухолевых препаратов) или обструкцией мочевыводящих путей, тогда как в основе хронического повреждения часто лежит сахарный диабет или артериальная гипертензия. Хроническая почечная недостаточность может быть следствием острых заболеваний почек, а также склеротического поражения почечных клубочков, аутоиммунных и инфекционных заболеваний [4][6]. В связи с пандемией коронавирусной инфекции COVID-19 особую актуальность приобретает проблема развивающегося у части пациентов и ассоциированного с высокой летальностью поражения почек вследствие как прямого нефротоксического действия вируса SARS-CoV-2, так и вызываемой им системной воспалительной реакции [7].

В эксперименте повреждение почек чаще всего моделируют временным пережатием сосудов с целью вызывать реперфузионное поражение [8, 9] или введением цитотоксического препарата цисплатина [10][11]. Известны и другие экспериментальные модели поражения почек. В частности, острое повреждение почек вызывают внутримышечным введением глицерина, которое, индуцируя рабдомиолиз и гемолиз, тем самым подвергает почки воздействию токсичных концентраций миоглобина и гемоглобина [12]. Для моделирования хронических заболеваний почек используют инъекции антибиотиков, обладающих нефротоксическим действием [13], одностороннюю перевязку мочеточника [14, 15] либо субтотальную нефрэктомию [16].

Повреждение почек сопровождается генерацией активных форм кислорода как клетками почечной паренхимы, так и инфильтрирующими иммунными клетками, что приводит к окислительному стрессу и гибели клеток путем некроза и апоптоза. В частности, показано, что ишемически-реперфузионное повреждение почек вызывает деградацию антиапоптотического белка Bcl 2 (B-cell lymphoma 2, белок В-клеточной лимфомы 2) и, как следствие, повышение частоты апоптоза; кроме того, наблюдается массовый некроз, а в сохранившихся клетках в течение нескольких дней после реперфузии остается нарушенным функционирование митохондрий.

«Сигналы опасности», высвобождаемые из клеток при некрозе (ядерные белки, дезоксирибонуклеиновая кислота, аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), белки теплового шока, мочевая кислота), активируют иммунную систему, что приводит к усилению воспаления и усугубляет повреждение почечной паренхимы [17]. Кроме того, повреждение почек сказывается на состоянии их микроциркуляторного русла: перициты мигрируют из стенки капилляра в интерстиций, что приводит к гибели эндотелия и снижению плотности капиллярной сети [18]. Дисфункция эндотелия, лейкоцитарная инфильтрация и некроз могут приводить к изменению проницаемости сосудов, образованию микротромбов и развитию локальной ишемии, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее повреждение ткани [17]. В случае хронического заболевания почек следствием длительно протекающего воспалительного процесса является фиброз, связанный с активацией фибробластов и индукцией эпителио-мезенхимного перехода в эпителиальных клетках [19], а также с дифференцировкой перицитов в миофибробласты [18].

Частичное восстановление поврежденных почечных структур — канальцев и в меньшей степени почечных телец — возможно благодаря наличию в почке клеток с характеристиками стволовых или родоначальных. В частности, клетки наружного слоя капсулы Боумена, расположенные в области сосудистого полюса — так называемые париетальные эпителиальные клетки, — способны дифференцироваться в подоциты, а их субпопуляция с фенотипом CD133+CD24+PDX– — также и в эпителий канальцев. Возможно, в поврежденной почке идет и обратный процесс дифференцировки подоцитов в париетальные эпителиальные клетки с их миграцией в наружный листок капсулы [20]. Другой потенциальный источник регенерации почечных телец — ренин-продуцирующие гладкомышечные клетки приносящих артериол, которые могут мигрировать в клубочек и дифференцироваться в подоциты, мезангиальные клетки, перициты и эритропоэтин-продуцирующие клетки [21]. Однако в целом регенеративный потенциал почечных телец невысок. Значительно большей способностью к регенерации обладает эпителий почечных канальцев. В проксимальных и дистальных извитых канальцах содержатся стволовые клетки с фенотипом CD133+CD24+CD106–, которые при повреждении канальца дифференцируются и замещают погибшие клетки этого же отдела нефрона, не мигрируя в другие его сегменты. Другой возможный механизм восстановления поврежденных канальцев — дедифференцировка зрелых эпителиальных клеток с их последующей пролиферацией и повторной дифференцировкой [20].

Повреждение почки сопровождается ее инфильтрацией макрофагами, которые обеспечивают утилизацию клеточного детрита и оказывают паракринное регуляторное влияние на окружающие клетки [17]. В регенерации участвуют также интерстициальные фибробласты. В ответ на повреждение эпителия они активируются и вступают в клеточный цикл. При подавлении этого процесса состояние почки ухудшается [22]. Показано, что после гибели эпителиальных клеток канальцев интерстициальные клетки мигрируют в область дефекта и, по-видимому, контролируют процесс дедифференцировки эпителиоцитов [23].

В почках, как и во многих других тканях и органах, содержатся стромальные клетки с характерным для МСК иммунофенотипом, способные к дифференцировке в различные мезенхимные производные. Подобные клетки были выделены различными авторами из почки как мыши [24][25][26][27], так и человека [28]. Они способны к самоподдержанию и клональному росту [27] и экспрессируют типичные маркеры МСК, такие как CD29, CD44, CD73, CD90, CD105, CD106, CD146, NG2 [24][25][26][27][28], а также нестин, характерный для многих тканеспецифических стволовых клеток [27][28]. Большинство авторов сообщают о способности этих клеток к дифференцировке в трех классических для МСК направлениях: остеогенном, адипогенном и хондрогенном [24][27][28]. Кроме того, по крайней мере некоторые из этих популяций МСК способны давать начало различным клеткам, присутствующим в почках: фибробластам, продуцирующим эритропоэтин [25], юкстагломерулярным клеткам [26], подоцитам [27][28], клеткам мезангия [28], а также эндотелиальным клеткам [25][28] и гладким миоцитам [25][26].

МСК локализуются в интерстиции почки в непосредственной близости от канальцев и, по некоторым данным, наиболее многочисленны в области сосочка [24][27]. Они встречаются также в клубочках [27][28] и в капсуле почки [29]. Присутствующие в почке МСК располагаются по ходу кровеносных сосудов и, повидимому, являются перицитами либо их малодифференцированной субпопуляцией [18]. В пользу этой гипотезы свидетельствует экспрессия почечными МСК маркеров периваскулярных клеток, в частности NG2 [27] и CD146 [28]. Вероятно, их функция в нормальной почке состоит прежде всего в стабилизации капилляров и поддержании тканевого гомеостаза [18]. В патологических условиях резидентные МСК могут принимать участие в регенерации, оказывая регуляторное влияние на эпителиальные клетки канальцев, подоциты и эндотелий, на что указывают результаты их трансплантации животным с поврежденными почками [8][13][25][27]. В эксперименте с флуоресцентно меченными клетками почечной капсулы была непосредственно показана их миграция в интерстиций в ответ на ишемическое повреждение почки. При этом удаление капсулы приводило к замедлению восстановления функций почки после ишемии [29].

По-видимому, в регенерацию почки вносят вклад не только резидентные МСК, но и мигрирующие из других тканевых источников. После системного введения МСК, выделенных из костного мозга, экспериментальным животным с поврежденными почками донорские клетки обнаруживаются в почечной паренхиме, что сопровождается улучшением функционального состояния органа [30][31]. Хемоаттрактантом для МСК служит фактор стромального происхождения-1 (SDF-1, Stromal cellderived factor-1), выделяемый клетками поврежденной почки и взаимодействующий с рецептором CXCR4 (C-X-C chemokine receptor type 4 или CD184) на поверхности МСК. Показано, что экспрессия этого рецептора усиливается под влиянием трансформирующего фактора роста-β (TGF-β, transforming growth factor-β), образующегося в почке при ишемии [32]. Еще одним механизмом, опосредующим направленную миграцию МСК в почку, служит взаимодействие CD44 с гиалуроновой кислотой. При введении экспериментальным животным МСК от мышей, лишенных CD44, а также при блокировании CD44 с помощью нейтрализующих антител или растворимой гиалуроновой кислоты, приживления донорских МСК в поврежденных почках не происходит [30].

Роль МСК в регенерации почек связана главным образом с их паракринным регуляторным влиянием на окружающие клетки, тогда как возможность их непосредственного участия в замещении погибших эпителиоцитов остается дискуссионной. Сведения о способности МСК давать начало почечному эпителию неоднозначны: одни авторы сообщают, что эти клетки могут быть индуцированы к нефрогенной дифференцировке in vitro [33], а после введения животным с поврежденными почками они включаются в канальцы и начинают экспрессировать эпителиальные маркеры [24], однако другие исследователи не обнаруживают включения МСК в канальцы, несмотря на оказываемый ими терапевтический эффект [34]. В связи с тем, что острое повреждение почек сопровождается массовой гибелью клеток, один из важнейших механизмов регенеративного действия МСК связан с их способностью предотвращать апоптоз, которая была показана на моделях как токсического поражения почек [35], так и ишемии-реперфузии [9, 27, 34], а также диабетической нефропатии [36]. Цитопротективное действие МСК проявляется также в снижении окислительного стресса, о чем свидетельствует повышение уровня глутатиона и активности супероксиддисмутазы, а также снижение содержания малондиальдегида и других маркеров оксидативного повреждения в ткани почки [9][10]. Показано, что МСК восстанавливают энергетику и усиливают антиоксидантную защиту клеток почечных канальцев, устраняя вызванную повреждением митохондриальную дисфункцию. Они не только способствуют сохранению структурной целостности и функциональности митохондрий в клетках почки и стимулируют их восстановление, но и, соединяясь с этими клетками цитоплазматическими выростами, передают им собственные митохондрии. Результатом улучшения функции митохондрий становится усиление синтеза АТФ, уменьшение окислительного стресса и предотвращение апоптотической гибели клеток [37].

Другой механизм, с помощью которого МСК ускоряют восстановление структуры и функции почек, связан со стимуляцией пролиферации эпителия канальцев [10, 34]. Впрочем, остается не вполне ясным, воздействуют ли МСК на зрелые эпителиоциты, вызывая их дедифференцировку и пролиферацию, или же мишенью их митогенного эффекта являются стволовые либо родоначальные клетки почечного эпителия [20].

МСК, введенные животным с повреждением почек, препятствуют снижению плотности капиллярной сети и улучшают почечную перфузию, предотвращая атрофию канальцев вследствие недостаточного кровоснабжения [38]. Главным образом это связано с продукцией ими факторов, стимулирующих ангиогенез, прежде всего фактора роста сосудистого эндотелия (VEGF, vascular endothelial growth factor) [9], но нельзя исключить и непосредственную дифференцировку МСК в эндотелий и гладкомышечные клетки сосудов [34].

Иммуномодулирующие свойства МСК проявляются в том, что под их влиянием уменьшается инфильтрация поврежденной почки нейтрофилами и макрофагами [13][19][38], но повышается содержание в ней T-регуляторных клеток [35]; кроме того, фенотип макрофагов изменяется c провоспалительного M1 на противовоспалительный М2 [13]. При этом в ткани почки снижается уровень провоспалительных цитокинов (таких как интерлейкин-1β (IL, interleukin), IL-6, фактор некроза опухолей-α (TNF-α, tumor necrosis factor-α), интерферон-γ), а содержание факторов, подавляющих воспаление (IL-4, IL-10, эпидермальный фактор роста (EGF, epidermal growth factor), основной фактор роста фибробластов (bFGF, basic fibroblast growth factor)), напротив, повышается [9][35].

На различных моделях повреждения почек была неоднократно показана способность МСК предотвращать развитие фиброза. Сообщалось, что введение этих клеток уменьшает отложение внеклеточного матрикса в интерстиции и клубочках [13][14][15][19], а также экспрессию α-гладкомышечного актина (α-SMA, α-smooth muscle actin), являющегося маркером миофибробластов [15]. В экспериментах на культурах мезангиальных клеток было показано, что их дифференцировка в миофибробласты в присутствии МСК подавляется [39]. Механизмы антифибротического действия МСК могут быть связаны с уменьшением воспаления, ведущего к активации пролиферации фибробластов, и с подавлением сигнальных путей, опосредующих эпителио-мезенхимный переход в клетках канальцев, прежде всего TGF-β/Smad3. В частности, сообщалось, что в почках животных с диабетической нефропатией под влиянием трансплантированных МСК снижается экспрессия TGF-β и сохраняется экспрессия белков плотных контактов, свидетельствующая о поддержании эпителиального фенотипа клеток канальцев [19].

Однако влияние МСК на фиброгенез в почках не столь однозначно. Эти клетки способны давать начало миофибробластам, и высказываются опасения, что провоспалительное и профибротическое микроокружение поврежденной почки может индуцировать их дифференцировку в этом направлении [5]. Имеются данные об участии трансплантированных МСК костного мозга в развитии фиброза у крыс после ишемического повреждения почек [40], а также о быстром прогрессировании хронического заболевания почек с развитием гломерулосклероза и интерстициального фиброза у пациента после трансплантации аутологичных МСК из жировой ткани [41]. Все это заставляет с осторожностью относиться к перспективам применения МСК в лечении заболеваний почек.

Основные результаты исследований влияния МСК на состояние поврежденных почек экспериментальных животных суммированы в таблице 1.

Таблица 1. Ренопротективные эффекты мезенхимных стромальных клеток в экспериментальных исследованияхTable 1. Renoprotective effects of mesenchymal stromal cells in experimental studies

Возможное фиброгенное действие МСК — не единственное препятствие на пути к их широкому применению в лечении заболеваний почек. Несмотря на очевидные преимущества МСК, такие как доступность тканевых источников, легкость выделения и культивирования, высокая способность к размножению in vitro и отсутствие этических ограничений на их использование [5], клиническое применение этих клеток сопряжено с рядом проблем. Прежде всего это низкая выживаемость трансплантированных клеток в неблагоприятных условиях очага поражения, в значительной мере ограничивающая их терапевтический потенциал [42]. Вероятно, именно с этой причиной связана неоднозначность результатов клинических испытаний клеточной терапии заболеваний почек с использованием МСК (табл. 2). Наряду с данными об улучшении функций почек после введения этих клеток больным с хроническими заболеваниями почек [4], атеросклерозом почечных сосудов [3] и диабетической нефропатией [2] имеются и сообщения об отсутствии существенного эффекта МСК у пациентов с острым повреждением почек [43], волчаночным нефритом [44] и аутосомно-доминантной поликистозной болезнью почек [45].

Таблица 2. Основные результаты введения мезенхимных стромальных клеток пациентам с заболеваниями почекTable 2. The main results of administration of mesenchymal stromal cells in patients with kidney diseases

Предпринимаются попытки повысить жизнеспособность МСК путем их прекондиционирования (факторами роста, цитокинами, гипоксией) или генетической модификации [5][42], однако нельзя сбрасывать со счетов и такие проблемы, как риск отторжения аллогенных клеток иммунной системой реципиента, а также потенциальную туморогенность МСК, которая может усугубляться под влиянием уремических токсинов [11].

С учетом всего вышесказанного наиболее перспективным направлением использования регенеративного потенциала МСК представляется бесклеточная терапия с применением их секреторных продуктов. Она возможна благодаря тому, что прорегенеративные эффекты МСК в значительной степени связаны с выделением ими разнообразных биологически активных веществ, влияющих на локальное клеточное окружение. Это, в частности, регулирующие деятельность иммунной системы IL-6, IL-8, моноцитарный хемотаксический белок-1 (MCP-1, monocyte chemotactic protein-1) и TGF-β; тканевые ингибиторы металлопротеиназ, участвующие в ремоделировании внеклеточного матрикса; VEGF, фактор роста гепатоцитов (HGF, hepatocyte growth factor), инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1, insulin-like growth factor-1) [6]. Ренопротективным действием обладают также продуцируемые МСК: тромбоцитарный фактор роста (PDGF, platelet-derived growth factor), EGF, костный морфогенетический белок-7 (BMP-7, bone morphogenetic protein-7) [20]. Помимо растворимых факторов, секрет МСК включает различные популяции внеклеточных везикул, которые в настоящее время рассматриваются как одно из важнейших средств межклеточной коммуникации. Прежде всего это микровезикулы, отпочковывающиеся от плазмалеммы, и экзосомы, образующиеся из эндосом. Везикулы обоих типов содержат белки, в том числе цитокины и факторы роста, и нуклеиновые кислоты, такие как мРНК и микро-РНК. Связываясь с рецепторами на поверхности клеток-мишеней или доставляя свое содержимое непосредственно в их цитоплазму путем слияния с плазматической мембраной, продуцируемые МСК внеклеточные везикулы оказывают регуляторное действие на различные ткани и органы, в том числе стимулируют их регенерацию после повреждения [46].

С точки зрения удобства и безопасности клинического использования кондиционированные МСК среды, содержащие совокупность выделенных ими растворимых факторов и внеклеточных везикул, имеют ряд преимуществ перед культурами клеток: их получение не требует длительного наращивания клеточной массы, способного привести к старению культур и снижению их терапевтической эффективности, облегчаются стандартизация и хранение полученных препаратов, устраняется проблема гибели клеток под влиянием патологического микроокружения, снимается риск злокачественной трансформации вводимых МСК или их нежелательной дифференцировки в организме реципиента (в частности, в миофибробласты). На различных экспериментальных моделях повреждения почек было показано, что введение животным среды, кондиционированной МСК, оказывает эффект, сопоставимый с таковым при трансплантации клеток, от которых эта среда была получена [13][19]. Так, кондиционированная МСК среда подавляла гибель клеток, воспаление и фиброгенез при токсическом повреждении почек [13], ишемии-реперфузии [27] и диабетической нефропатии [19] и замедляла прогрессирование хронической болезни почек, в частности, уменьшая повреждение эндотелия клубочков [16].

Следующий шаг на пути перехода от клеточной терапии к бесклеточной — использование внеклеточных везикул, полученных от МСК. Как и в случае кондиционированных сред, введение экспериментальным животным с повреждениями почек очищенной фракции внеклеточных везикул воспроизводит эффект самих МСК [8], а в некоторых отношениях даже превосходит его [14]. При этом, сохраняя все преимущества кондиционированных МСК сред, внеклеточные везикулы эффективнее их защищают почки от острого повреждения, вероятно, за счет более высокой концентрации действующих веществ [47].

Полученные от МСК внеклеточные везикулы улучшают состояние поврежденных почек, предотвращая окислительный стресс [48] и апоптотическую гибель клеток [8][19][48], стимулируя пролиферацию эпителиоцитов канальцев [12], увеличивая плотность капиллярной сети [48], подавляя воспаление [19] и развитие фиброза [14][48]. Эти эффекты были показаны на экспериментальных моделях токсического повреждения почек [12], ишемии-реперфузии [8], реноваскулярной болезни [48], диабетической нефропатии [19], односторонней обструкции мочеточника [14]. Имеются и данные клинических испытаний, согласно которым введение внеклеточных везикул от МСК из пупочного канатика пациентам с хроническими заболеваниями почек приводило к повышению скорости клубочковой фильтрации, а также снижению уровня мочевины в крови и креатинина в сыворотке; при этом в плазме крови повышалось содержание противовоспалительного цитокина IL-10 и обладающего иммуносупрессивным действием TGF-β, тогда как уровень провоспалительного цитокина TNF-α снижался [49].

Ренопротективное действие обнаружено как у экзосом [12][19], так и у микровезикул [14], полученных от МСК, но по крайней мере в некоторых случаях экзосомы обладают более выраженным влиянием на поврежденные почки, чем микровезикулы. Так, при введении мышам с острым токсическим повреждением почек экзосом от МСК из костного мозга было отмечено усиление пролиферации клеток канальцев, тогда как микровезикулы от тех же клеток подобного эффекта не оказывали [12].

Влияние продуцируемых МСК внеклеточных везикул на регенерацию почек опосредовано главным образом содержащимися в них молекулами РНК. Показано, что обработка везикул рибонуклеазой отменяет их терапевтический эффект [8]. В везикулах, выделяемых МСК, обнаружен широкий спектр микро-РНК, влияющих на патофизиологические процессы в почках (miR-21, -199, -30, -29, -145, -210, -22, -125b, -130a, -23a, -15a/15b/16, семейство let-7), а также различные мРНК, которые могут быть непосредственно доставлены в цитоплазму клеток-мишеней с последующей трансляцией в функционально активные белки. Очевидно, определенный вклад в ренопротективное действие этих везикул вносят и присутствующие в них цитокины и факторы роста, в частности HGF, VEGF, IL-10 и другие регуляторные белки, контролирующие ангиогенез, ремоделирование внеклеточного матрикса, воспалительные реакции и апоптоз [50]. Молекулярные механизмы прорегенеративных эффектов различных компонентов секретома МСК в отношении поврежденных почек в настоящее время продолжают уточняться.

Данные о ренопротективном действии секреторных продуктов МСК, полученные на различных экспериментальных моделях и в клинических испытаниях, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Ренопротективные эффекты секреторных продуктов мезенхимных стромальных клетокTable 3. The renoprotective effects of secretory products of mesenchymal stromal cells

Результаты многочисленных исследований, посвященных оценке ренопротективных эффектов МСК на различных экспериментальных моделях острого или хронического повреждения почки, свидетельствуют о комплексном влиянии этих клеток на восстановительный процесс, включающем предотвращение гибели и стимуляцию пролиферации резидентных клеток, иммуномодуляцию, улучшение васкуляризации и регуляцию отложения внеклеточного матрикса. Таким образом, МСК создают в почке прорегенеративное микроокружение, препятствующее деструктивным изменениям под действием повреждающих факторов и способствующее полноценному восстановлению структуры и функций органа. По данным ряда сравнительных исследований, наибольшей терапевтической эффективностью в отношении заболеваний почек характеризуются МСК из пуповины и амниотической жидкости, однако ренопротективный эффект показан также и для клеток из других клинически значимых источников, прежде всего костного мозга и жировой ткани.

Свое благотворное влияние на состояние поврежденных почек МСК осуществляют главным образом путем паракринной секреции разнообразных биологически активных веществ, как в виде растворимых молекул, так и в составе внеклеточных везикул. Все это позволяет надеяться на успешное применение МСК и в еще большей степени продуктов их секреторной активности, прежде всего внеклеточных везикул, в лечении заболеваний почек различной этиологии. В частности, не исключено, что данный подход окажется полезным и при лечении последствий поражения почек при коронавирусной инфекции, ставшей в настоящее время одной из актуальнейших медицинских проблем. Однако внедрение МСК и их секреторных продуктов в клиническую практику требует дальнейших исследований, направленных на выяснение клеточных и молекулярных механизмов их прорегенеративного действия. Кроме того, необходимо совершенствование протоколов культивирования клеток с целью максимального сохранения, а возможно, и усиления их терапевтического потенциала, а также проведение большего числа клинических испытаний для подтверждения безопасности и эффективности клеточной или бесклеточной терапии с использованием МСК.

О.В. Паюшина и Д.А. Цомартова участвовали в написании текста рукописи. Е.В. Черешнева, М.Ю. Иванова, Т.А. Ломановская выполняли поиск и анализ литературы по теме обзора. С.Л. Кузнецов разработал общую концепцию статьи и осуществлял руководство ее написанием. Все авторы участвовали в обсуждении и редактировании работы. Все авторы утвердили окончательную версию публикации.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки (собственные ресурсы).