Desarrollo embrionario del riñón - Libreria Herrero Books · ... durante el cual producen una...

INTRODUCCIÓN

El riñón es un órgano muy complejo cuya principal función es la fi ltración del plasma sanguíneo, para lo que consta de alrededor de un millón de nefronas o unidades fi ltradoras e incluye una veintena de tipos celulares distintos. El desarrollo del riñón es un proceso complejo que requiere la organiza-ción coordinada de sus distintos tipos celulares, siendo un ejemplo paradigmático para el estudio de fenómenos como la inducción tisular, la transición mesénquima-epitelio y la rami-fi cación morfogenética. El análisis comparativo de los genes y las rutas de señalización que operan durante el desarrollo del riñón en distintos modelos animales ha revelado el alto grado de conservación de las redes génicas implicadas, lo que subraya el origen común del riñón embrionario en todos los vertebrados, aunque cada riñón se haya adaptado a las nece-sidades específi cas de su especie. El profundo conocimiento de cómo se forma un órgano es fundamental a la hora de entender la fi siopatología asociada a las distintas enferme-dades que lo afectan, congénitas o adquiridas, y puede ser determinante para mejorar el diagnóstico, el tratamiento y la prevención de éstas.

ORGANIZACIÓN DEL RIÑÓN EMBRIONARIO

El desarrollo del riñón de los mamíferos ocurre en tres fa-ses sucesivas que recapitulan su historia evolutiva, originán-dose tres órganos excretores embrionarios que se desarrollan en orden secuencial tanto temporal como espacial desde la región craneal a la caudal del embrión: el pronefros, el meso-nefros y el metanefros o riñón defi nitivo (Fig. 1-1 A). Las tres estructuras excretoras derivan del mesodermo intermedio que se sitúa lateral a los somitas, y se forman por un proceso de transición mesénquima-epitelio.

El primer órgano en formarse, el pronefros, se inicia por señales desde los somitas y el ectodermo hacia el mesoder-mo intermedio, que provocan una transición de estas células

hacia células epidérmicas, las cuales formarán dos conductos pronefríticos o conductos de Wolff. Estos conductos se locali-zan a ambos lados de la línea media y en ellos drenarán los tres órganos excretores. El pronefros es funcional en las fases inmaduras de vertebrados inferiores (peces y anfi bios), mien-tras que en mamíferos es un órgano transitorio y rudimentario que nunca llega a ser funcional. En seres humanos consta de una decena de túbulos simples en la región cervical conecta-

A. Sobrado de Vicente-Tutor y M. Ruiz Gómez

1Desarrollo embrionario del riñón

Figura 1-1. Esquema del desarrollo embrionario del riñón. A) Sec-ción sagital de un embrión de 5 semanas en el que se indica la apari-ción de los órganos excretores embrionarios en el eje craneocaudal. B) Ramifi cación de la yema ureteral y derivados a los que da lugar, indicados en color crema.

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Hernando. Nefrología Clínica 4ª ed. Arias. ©2014. Editorial Médica Panamericana.

http://www.medicapanamericana.com/Libros/Libro/4877/Hernando-Nefrologia-Clinica.html

4 Sección I ■ Estructura y función del riñón

dos al conducto de Wolff, que degeneran en la cuarta semana de gestación (días 24-25).

La migración caudal del conducto pronefrítico, ahora deno-minado mesonefrítico, inducirá a continuación la agregación del mesodermo nefrogénico adyacente, formándose el segun-do órgano excretor, el mesonefros, que aparece en los segmen-tos torácicos y lumbares, a medida que el pronefros degenera. Contiene unidades excretoras que constan de glomérulo, tú-bulo proximal, túbulo distal y conducto colector, que drenan independientemente en el conducto de Wolff. El mesonefros es funcional en peces y anfi bios adultos, y en aves y repti-les hasta su nacimiento. En seres humanos, los 36-40 túbulos mesonéfricos empiezan a aparecen en embriones de 25 días y en una secuencia craneocaudal, de manera que los túbulos más craneales se degradan a medida que se forman los más caudales, por lo que el mesonefros defi nitivo contiene unos 26 pares de unidades nefríticas restringidas a los tres primeros segmentos lumbares. Su período funcional es breve (semanas 6 a 10 de gestación), durante el cual producen una orina muy diluida. Algunos de los túbulos persisten en los varones para dar los conductos eferentes del sistema genital, mientras que en hembras degeneran en el tercer mes de desarrollo.

El metanefros representa el estadio fi nal de desarrollo y for-ma el riñón defi nitivo en mamíferos. Deriva de dos tejidos cla-ve: la yema ureteral –que aparece en el día 28 de gestación en seres humanos, en la región más caudal del conducto de Wolff ya fusionado con la cloaca– y una región del mesodermo in-termedio restringida espacialmente denominada mesénqui-ma metanéfrico o blastema metanéfrico (Fig. 1-1 A). Los de-rivados de la yema ureteral darán lugar al aparato colector del sistema urinario, incluidos los túbulos colectores, los cálices menores y mayores, la pelvis renal y el uréter, mientras que el mesénquima metanéfrico dará lugar a las unidades fi ltradoras o nefronas y a las células intersticiales (Fig. 1-1 B).

Regulación génica del desarrollo renal embrionario

El análisis de los mecanismos moleculares que defi nen el primordio renal frente al resto del mesodermo ha sido posible gracias al estudio del desarrollo temprano de vertebrados no mamíferos como ranas, peces y pollos, y al análisis genético en modelos murinos.

El campo morfogenético del riñón deriva del mesodermo intermedio que se sitúa entre el mesodermo de la placa la-teral y el mesodermo paraxial a lo largo del eje anteroposte-rior. El inicio de la expresión de los factores de transcripción PAX2 (paired-box 2) y PAX8 en estadio de seis somitas en el ratón, delimita tempranamente la extensión del mesodermo intermedio. Esta expresión está precedida por la de los genes LHX1 (LIM-type homobox 1) y OSR1 (odd-skipped related 1) en regiones más amplias del mesodermo lateral que incluyen el mesodermo intermedio prospectivo y que posteriormente se restringen al mesodermo intermedio en el caso de LHX1.

La activación de PAX2/PAX8 parece depender de señales BMP (proteína morfogénica ósea) provenientes de la placa lateral y del ectodermo dorsal, que son contrarrestadas por señales no identifi cadas procedentes de los somitas, mientras que la activación de LHX1 responde a señales de activina y

ácido retinoico. Los análisis genéticos realizados en ratón han puesto de manifi esto el papel relevante que estos genes tienen en la especifi cación temprana del mesodermo intermedio. Así, en mutantes nulos para LHX1 no hay evidencia morfológica de formación del conducto pronefrítico. Lo mismo ocurre en el doble mutante PAX2/PAX8, que tampoco expresa LHX1. En mutantes OSR1 se forma un conducto pronefrítico y hay ex-presión de PAX2 en la región craneal, pero no se forman con-ductos mesonefríticos ni se desarrolla el mesénquima meta-néfrico. Aunque este fenotipo podría indicar que en la región craneal la expresión de PAX2 no depende de OSR1, no se ha podido descartar que haya una cierta redundancia entre las funciones de OSR1 y el gen relacionado OSR2. El alto grado de conservación en los genes y rutas moleculares que operan durante los procesos de desarrollo entre las distintas especies se pone de manifi esto al comprobar que los genes ortólogos humanos cumplen funciones similares. Así, la condición hete-rocigótica para PAX2 en seres humanos genera el síndrome de coloboma renal, asociado a riñones hipodisplásicos y anorma-lidades del nervio óptico (Tabla 1-1). Recientemente también se ha descrito que un alelo mutante de OSR1 que afecta la es-tabilidad de su ácido ribonucleico mensajero (ARNm) se aso-cia a reducción en el tamaño y a la función renal en neonatos.

Existen diferencias morfológicas evidentes entre las estruc-turas excretoras que se desarrollan a lo largo del eje anteropos-terior. Esta regionalización parece depender de la actividad de los genes HOX. En ratones la deleción de los tres genes pará-logos HOX11 causa agenesia renal con ausencia de extensión de la yema ureteral. Estos fenotipos no se deben a fallos en la expresión de PAX2, sino que se relacionan con defectos en la expresión de genes importantes para defi nir el mesénquima metanefrítico, como GDNF (factor neurotrofi co derivado de células gliales) y SIX2 (sine-oculis related homeobox 2). Es más, parece que los genes FOXC1 y FOXC2 (miembros de la familia de factores de transcripción forkhead winged helix) podrían ac-tuar de forma coordinada con los genes HOX11 para restringir la expresión de GDNF al blastema metanéfrico, ya que muta-ciones en estos genes inducen la aparición de yemas ureterales ectópicas en regiones anteriores del mesodermo intermedio.

DESARROLLO DE LA YEMA URETERAL (SISTEMA COLECTOR)

En el día 28 de gestación en seres humanos (día 10 en ra-tones), a partir de la región caudal del conducto de Wolff y en respuesta a señales inductivas provenientes del mesénquima metanéfrico adyacente, emerge como un ensanchamiento del conducto la yema ureteral, que crecerá dorsalmente por pro-liferación y extensión. Una vez que invade el blastema me-tanéfrico, la yema ureteral inicia un proceso de ramifi cación seriada muy reproducible que comienza con una expansión del extremo de la yema, formando una ampolla de la cual se generan dos ramas. Las primeras divisiones de las ramas son siempre dicótomas y pueden ser simétricas o asimétricas, en función de que las dos ramas producidas se hayan alargado en la misma o diferente medida antes de la siguiente ramifi ca-ción; posteriormente se dan trifurcaciones y, ocasionalmente, alguna ramifi cación lateral. Este balance entre elongación y



5Capítulo 1 ■ Desarrollo embrionario del riñón

ramifi cación defi nirá la arquitectura del sistema colector renal. La región más dilatada del sistema colector formará la pelvis renal, mientras que las ramifi caciones sucesivas formarán los cálices mayores y menores y los túbulos colectores, que al con-verger en los cálices menores formarán las pirámides renales. El extremo proximal de la yema ureteral formará el uréter. El proceso de ramifi cación está muy regulado, limitándose a las ampollas terminales y suprimiendo en gran medida la apari-ción de ramifi caciones laterales. Las primeras vesículas nefrí-ticas (Fig. 1-2), las futuras nefronas, se formarán adyacentes a las ampollas, inducidas por éstas, y terminarán uniéndose al sistema colector (v. más adelante). Con cada división de la yema ureteral se inducirán nuevas capas de nefronas en las regiones más periféricas del órgano en crecimiento. Las am-pollas que ya han completado su programa de ramifi cación mantienen la capacidad de inducir la formación de vesículas nefríticas, por lo que dos nefronas se pueden unir a la misma ampolla, tras lo cual la nefrona más antigua, que es la más interna, cambia su punto de unión al sistema colector por el túbulo colector de la más joven. A medida que avanza el pro-ceso se formarán nuevas nefronas que se unirán de una forma similar al mismo conducto colector, formándose arcadas que contienen de 4 a 7 nefronas y que se localizan en la región

medular del riñón. Finalmente, al avanzar el extremo de las ramas ureterales, las ampollas inducirán las nefronas termi-nales (5 a 7 en seres humanos) en la región subcapsular, que se unirán directamente al conducto colector (Fig. 1-2 A). En embriones humanos, las nefronas terminales aparecen en la semana 32 y la nefrogénesis termina en las semanas 35 a 36 de gestación; mientras que en otras especies, como el ratón, este proceso continúa durante el período posnatal temprano.

Regulación génica del desarrollo de la yema ureteral

La generación de la yema ureteral en la región posterior del conducto de Wolff inicia el desarrollo del riñón adulto y pone de manifi esto la habilidad del blastema metanéfrico para in-ducir la invasión y posterior ramifi cación de la yema ureteral, de la que carece el mesodermo intermedio de las regiones más anteriores. Debido a esta propiedad única del mesénquima metanéfrico, se han dedicado muchos esfuerzos a desentra-ñar los mecanismos moleculares que controlan la formación de la yema ureteral. Hoy está claro que el principal regulador positivo del crecimiento de la yema ureteral es el sistema del receptor tirosina cinasa RET, la neurotrofi na GDNF y el corre-

TABLA 1-1. Genes asociados a enfermedades renales congénitas

Gen Proteína Fenotipo Enfermedad asociada

Desarrollo temprano

Desarrollo metanefros

PAX2 PAX2 Hipoplasia renal Síndrome de coloboma renala

OSR1 OSR1 Hipoplasia renal

RET RET Agenesia renal Adisplasia urogenitala

SALL1 SALL1 Agenesia renal Síndrome de Townes-Brocka

GATA3 GATA3 Nefropatía, displasia renal Síndrome HDR o de Barakata

EYA1 EYA1 Displasia renal Síndrome branquiootorrenala

SIX1 SIX1 Displasia renal Síndrome branquiootorrenala

WT1 WT1 Hipoplasia renal y nefrosis Síndrome de Frasiera

Nefropatía Síndrome de Denys-Drasha

FGFR1 FGFR1 Agenesia renal unilateral Síndrome de Kallmann tipo 2a

LMX1B LMX1B Nefropatía Síndrome uña y rótulaa

Desarrollo de la barrera de fi ltración

NPHS1 Nefrina Retracción pedicelos, proteinuria Síndrome nefrótico de tipo fi nlandés

NPHS2 Podocina Retracción pedicelos, proteinuria Síndrome nefrótico resistente a los esteroides

TRPC6 TRPC6 Proteinuria Glomeruloesclerosis focal y segmentariaa

ACTN4 a-actinina-4 Retración pedicelos, proteinuria Glomeruloesclerosis focal y segmentariaa

LAMB2 Laminina b2 Proteinuria Síndrome de Pierson

COL4A4 Colágeno a4 Proteinuria Síndrome de Alport

INF2 INF-2 Proteinuria Glomeruloesclerosis focal y segmentaria

a Estos síndromes están causados por haploinsufi ciencia. EYA1: eye absent homolog 1; FGFR1: receptor de FGF (factor de crecimiento fi broblástico); GATA3: proteína 3 de unión a GATA (factor de transcripción de globina 1); HDR: hipoparatiroidismo, sordera sensoneural y enfermedad renal; INF-2: formina invertida 2; LMX1B: factor de transcripción 1 beta de homeodominio LIM OSR1: odd-skipped related 1; PAX2: paired-box 2; RET: receptor tirosina cinasa; SALL1: sal-like 1; SIX1: sine-oculis related homeobox 1; TRPC6: receptor de potencial transitorio catiónico 6; WT-1: tumor de Wilms 1.




ceptor de membrana GFRA1 (receptor alfa 1 de la familia del GDNF, cuyas mutaciones causan agenesia renal en modelos murinos). Asimismo, se han identifi cado numerosos modifi ca-dores de esta ruta que regulan la restricción a una única yema ureteral, su posición precisa y el proceso de ramifi cación de la yema. Así, el GDNF secretado por el mesénquima metanéfrico bajo el control del factor de transcripción PAX2 interacciona con su receptor RET, expresado en la yema ureteral, promo-viendo su crecimiento, la posterior invasión del mesénquima metanéfrico y su subsecuente ramifi cación. Se ha establecido que la expresión de BMP4 en las células mesenquimales que rodean el conducto de Wolff en regiones más anteriores (pero no en el mesénquima metanéfrico) regula de forma negativa la señalización GDNF/RET. Las células del mesénquima me-tanéfrico expresan Gremlin1, un inhibidor de la señalización por BMP, anulando la represión mediada por BMP-4 de la ruta GDNF/RET y limitando el crecimiento de la yema ureteral a la región posterior del conducto de Wolff. Otros reguladores negativos incluyen a la proteína Slit2 y su receptor Robo2 (roundabout homolog 2), que evitan que la expresión de GDNF se extienda rostralmente, y a Spry1 (sprouty homolog 1), que se expresa en la yema ureteral y limita la señalización por RET. Las mutaciones en los genes de estas proteínas en ratones lle-van a la aparición de yemas ureterales supernumerarias. Entre los reguladores positivos de GDNF se encuentran las proteínas EYA1 (eye absent homolog 1) y SIX1, que interaccionan coope-rativamente para activar sus genes diana. Sus mutaciones en ratones afectan al desarrollo del mesénquima metanefrítico, causando agenesia renal; en seres humanos se asocian al sín-

drome branquiootorrenal que incluye diversos tipos de dis-plasia renal, desde duplicaciones hasta agenesia. También se incluyen los factores de transcripción WT-1 (tumor de Wilms 1) y SALL1 (sal-like 1) que se expresan en el mesénquima me-tanéfrico. Además el factor de transcripción GATA3 se requiere para la correcta expresión de RET en la yema ureteral, y su con-dición heterocigótica en seres humanos se asocia al síndrome denominado HDR (hipoparatiroidismo, sordera sensoneural y enfermedad renal). Por último, el factor de crecimiento fi -broblástico (FGF) también desempeña un papel importante en esta etapa; sus receptores FGFR1 y FGFR2 se expresan en las células de la yema ureteral y la deleción condicional de sus ge-nes en modelos murinos causa defectos graves, como agenesia renal y falta de ramifi cación. En seres humanos las mutaciones en FGFR1 causan el síndrome de Kallmann de tipo 2, que in-cluye agenesia renal unilateral.

No está completamente establecido de qué manera la ac-tivación de RET desencadena el crecimiento y la ramifi cación de la yema ureteral, aunque la multitud de residuos de tirosina potencialmente fosforilables presentes en su región citoplas-mática podrían actuar como sitios de unión de varios men-sajeros secundarios. Estudios recientes han mostrado que en respuesta a la señalización de RET se induce la expresión de dos factores de transcripción de la familia ETS: ETV4 y ETV5, que a su vez regulan positivamente a Myb, Met y a la metalo-proteinasa de matriz MMP-14, que es necesaria para permitir la invasión del mesénquima metanéfrico. A su vez, los proce-sos de crecimiento y ramifi cación requieren muchos cambios celulares que implican al citoesqueleto de actina.

Estadio deglomérulo maduro (5)

Estadio de vesícula (1)

Estadio de coma (2)

Estadio de cuerpo en S (3)

Mesénquima de cobertura

Ampolla ureteral

Vesícula

Cuerpo en coma

Estadio de glomérulo capilarizado (4)

A B

Figura 1-2. Esquema del desarrollo de la nefrona. A) Generación de arcadas de nefronas, así como de las nefronas terminales originadas a partir de la misma ampolla ureteral. B) Etapas en el desarrollo de la nefrona. En rojo y rosa se representan los derivados del mesénquima de cobertura; en amarillo, las células mesangiales, y en granate, las células endoteliales; en crema se muestran las ampollas de la yema ureteral.




DESARROLLO DEL MESÉNQUIMA METANÉFRICO

Mesénquima de cobertura

Tras la invasión del blastema metanéfrico por la yema ure-teral y en repuesta a factores de crecimiento secretados por ella, se lleva a cabo la condensación y posterior agregación de las células mesenquimales metanéfricas adyacentes a las am-pollas ureterales. Éstas pierden motilidad e inician un proceso de conversión mesénquima-epitelio que dará por resultado la formación de las nefronas: glomérulos y túbulos renales. Esta población de células mesenquimales más cercana a cada extremo del árbol ureteral se denomina mesénquima de co-bertura, para distinguirlo del resto de las células mesenqui-males metanéfricas que no sufrirán la transición a epitelio y darán el linaje no nefrona del riñón: cápsula renal, intersticio medular, células mesangiales y anglioblastos (Fig. 1-2 B). Es-tudios recientes de linaje en ratones parecen indicar que, una vez que las células mesenquimales metanéfricas se condensan para formar el mesénquima de cobertura, éstas se especifi can hacia linaje neurona, y las restantes células mesenquimales no contribuyen a este destino. Dado que la inducción de nefronas ocurre de forma continuada durante todo el proceso de rami-fi cación y desarrollo del riñón, el mesénquima de cobertura debe contener una población progenitora con capacidad de autorrenovarse, para elaborar nuevas nefronas y generar más mesénquima de cobertura. Sin embargo, la capacidad del me-sénquima de cobertura de generar nefronas no es ilimitada: las últimas nefronas aparecen en la semana 36 de gestación en seres humanos y no existe posibilidad de renovación de nefronas después de este momento. Se desconoce la causa de esta pérdida de capacidad renovadora; se sabe que no se debe a apoptosis de esta población ni a la pérdida de señali-zación desde el árbol ureteral. Resolver cuáles son las claves para mantener la capacidad renovadora del mesénquima de cobertura supone hoy en día uno de los principales retos en nefrología.

Regulación génica del desarrollo del mesénquima de cobertura

Desde el trabajo pionero de Grobstein, que en 1956 se-paró por primera vez el mesénquima renal del epitelio de la yema ureteral, demostrando la existencia de interaccio-nes inductivas entre ambos tejidos, se han dedicado muchos estudios a identifi car la naturaleza de estas señales. En pri-mer lugar, la supervivencia de las células del mesénquima metanéfrico parece depender de las señales BMP-7 y FGF-2 emitidas desde la yema ureteral, que evitan su muerte por apoptosis. Concomitantemente, la proteína Wnt9a expresa-da en la yema ureteral es el primer inductor de la condensa-ción del mesénquima metanéfrico promoviendo la expresión de FGF8, LXH1 y WNT4. La señalización inicial por Wnt que promueve la transición mesénquima-epitelio parece operar por la vía canónica y puede ser experimentalmente reprodu-cida por activación de su efector b-catenina. Por el contrario, procesos posteriores de polaridad y diferenciación epitelial de la nefrona dependen de señalización por la vía Wnt no

canónica de polaridad planar. En cuanto a la especifi cación del mesénquima metanéfrico, el análisis de linajes en rato-nes ha permitido establecer cuándo tienen lugar las deci-siones importantes que generan distintos destinos celulares en el riñón. Así, las células positivas para OSR1 en estadios anteriores a la condensación del mesénquima metanéfrico (día 10,5 en ratón) son capaces de generar precursores epite-liales y estromales. Después de este momento sólo producen células epiteliales, indicando que las células estromales ya han perdido la expresión de OSR1 y constituyen un linaje distinto, que expresa otros genes no presentes en el mesén-quima de cobertura, como FOXD1 (forkhead box D1). El factor de transcripción PAX2 desempeña un papel fundamental en la diferenciación del mesénquima metanéfrico; por un lado promueve la diferenciación hacia mesénquima de cobertura y linaje nefrona, mientras que por otro bloquea la diferencia-ción hacia estroma y linaje no nefrona. Las células del me-sénquima de cobertura continúan expresando OSR1 y SIX2, contienen los precursores de las nefronas y proliferan para repoblar el mesénquima de cobertura que rodeará a las nue-vas ramas ureterales que se van generando durante el desa-rrollo del riñón y que dará lugar a nuevas vesículas renales. La función de SIX2 parece ser necesaria para mantener una población de células indiferenciadas en el mesénquima de cobertura y permitir su renovación, ya que su falta de función lleva a una diferenciación prematura del mesénquima de co-bertura, mientras que su expresión ectópica en explantes in-hibe el proceso de transición mesénquima-epitelio.

Otros factores de transcripción presentes en el mesénqui-ma de cobertura son SALL1 y WT-1. SALL1 es esencial para la atracción de la yema ureteral y su deleción causa agene-sia renal tanto en ratones como en seres humanos (síndro-me de Townes-Brock). WT-1 es una proteína de dedos de cinc fundamental para la supervivencia y el crecimiento de la po-blación progenitora del mesénquima de cobertura, que fun-ciona como proteína de unión a ácido ribonucleico (ARN) y como factor de transcripción. Entre los genes que regula se encuentran SALL1, PAX2, genes de la vía TGF-b (factor del crecimiento transformante beta)/BMP como SMAD3, SMAD4, SMAD6, BMP4 y BMP7 y un inhibidor de la ruta de Wnt canó-nica, CXXC5, que podría contrarrestar la función de WNT9B y WNT4 y preservar una porción de progenitores como tales, previniendo su diferenciación a nefrona. La falta de función de WT1 causa agenesia renal en ratones y los síndromes de Frasier y Denys-Drash en seres humanos. Por último, el me-sénquima metanéfrico contiene también precursores de la vasculatura, los angioblastos, que expresan FLK1 (que codifi ca para el receptor de VEGF-A) y que responden a la señaliza-ción por el factor de crecimiento vascular endotelial (VEGF) secretado por los precursores de los podocitos.

Desarrollo de la nefrona: glomerulogénesis y tubulogénesis

Las señales inductivas desde la yema ureteral al mesén-quima de cobertura condensado desencadenan el proceso de transición de células mesenquimales discretas y con forma ahusada hacia células epiteliales polarizadas. Éstas establecen




contactos adherentes con otras células y eventualmente for-man vesículas en las que todas las células presentan una si-milar forma y retienen capacidad proliferativa. La generación de las vesículas renales con un lumen central y rodeadas de membrana basal supone el primer estadio en el desarrollo de la nefrona (esquematizado en la Fig. 1-2 B). La actividad mi-tótica de las células decae después de este estadio y la vesícula adquiere una forma de coma (estadio 2), apareciendo las pri-meras diferencias entre sus células: las del extremo proximal más alejado del árbol ureteral se alargan, cambian la posición de su núcleo y algunas adquieren un aspecto de embudo. Es ahí donde se formará la primera hendidura que será seguida de la aparición de una segunda hendidura en el polo opuesto, el distal, con lo que el primordio tubular adquiere su forma de «S» (estadio 3). En este estadio la diversifi cación celular es muy evidente a lo largo del eje proximodistal, pudiéndose distinguir tres regiones: proximal, medial y distal. En la región proximal se diferencian dos capas epiteliales distintas; las cé-lulas de la capa parietal que formarán la cápsula de Bowman se aplanan, diferenciándose de las de la capa visceral (los fu-turos podocitos), y ambas junto con las células endoteliales y mesangiales que invaden la hendidura proximal formarán el corpúsculo renal o glomérulo. La región medial, que dará lu-gar a los túbulos proximales, empieza a adoptar la forma tubu-lar de la futura nefrona, y la distal iniciará el proceso de fusión del primordio tubular con el sistema colector, formando un túbulo continuo con el tallo ureteral. Los distintos segmentos de la futura nefrona crecerán por división celular y sufrirán cambios morfológicos, adquiriendo formas tridimensionales complejas. En el estadio 4 (glomérulo capilarizado) aparece el asa de Henle primitiva y la intrusión de células endoteliales en la región proximal de la nefrona en desarrollo culmina-rá en la formación del sistema capilar glomerular. Las células endoteliales proliferan y el citoplasma se estrecha en ciertas regiones previamente a la formación de las fenestraciones o poros típicos del endotelio glomerular. Las primeras fenestra-ciones poseen diafragmas que van desapareciendo a medida que el endotelio se desarrolla. Durante el estadio 5 ocurre la diferenciación fi nal de los constituyentes del corpúsculo re-nal y de los segmentos tubulares. Así, tiene lugar el desarrollo del mesangio, la mácula densa y las arteriolas aferentes; los podocitos, que estaban integrados en un epitelio columnar, sufren un cambio drástico de su forma, elaborando procesos celulares ramifi cados denominados pedicelos que rodean por completo a los capilares sanguíneos (Fig. 1-3 A).

Regulación génica del desarrollo de la nefrona

Los cambios morfológicos provocados por el proceso de transición mesénquima-epitelio van acompañados de la acti-vación de un gran número de genes epiteliales que codifi can para queratinas y componentes de desmoronas y de uniones adherentes y estrechas, así como colágenos y laminitas consti-tuyentes de las membrana basales, y de la inactivación de genes mesenquimales. El desarrollo de la nefrona desde la vesícula renal implica procesos de elongación, cambios celulares, como la constricción apical, para permitir que los túbulos se curven, y una regionalización precisa de los distintos segmentos.

Aunque todavía existen importantes lagunas en el conoci-miento de los mecanismos moleculares que dirigen los proce-sos de glomerulogénesis y tubulogénesis, se conocen muchos genes cuya expresión diferencial en las nefronas en desarrollo refl ejan los procesos de regionalización y maduración de éstas. Así, aunque no existan diferencias histológicas en las células que integran la vesícula renal, la expresión local de distintos genes permite inferir una regionalización temprana de dichas células, que se corrobora cuando se estudia la evolución de los patrones de expresión de estos genes a lo largo del desarrollo. Ejemplos claros son la restricción de la expresión de LHX1, POU3F3 (POU class 3 homeobox 32) y DLL1 (delta-like 1) a la región distal de la vesícula, y de WT1 a la región proximal, donde se mantiene durante todo el desarrollo, localizándose en los podocitos desde que se hacen reconocibles hasta el es-tadio adulto.

La expresión de LHX1 sugiere que se requiere en los seg-mentos tubulares de la nefrona que derivarían de la zona distal de la vesícula renal. De hecho, los mutantes condicionales de LHX1 desarrollan vesículas renales, pero éstas no están bien regionalizadas y no expresan los genes POU3F3 y DLL1. De la misma manera, WT1 se requiere para la especifi cación y el mantenimiento del podocito maduro. WT1 regula negativa-mente a PAX2 y está mutado en dos síndromes renales graves. Las mutaciones asociadas al síndrome de Denys-Drash, carac-terizado por nefropatía congénita y propensión a desarrollar tumores de Wilms, manifi estan niveles elevados de expresión de PAX2 en los glomérulos afectados. Sin embargo, esto no es evidente en las mutaciones que causan el síndrome de Frasier, que provoca degeneración glomerular infantil más tardía, seu-dohermafroditismo en machos y disgenesia gonadal. El factor de transcripción LMX1B (LIM homodomain transcription factor 1 beta) también se expresa y requiere en podocitos maduros. En ratones se ha establecido que su función es necesaria para regu-lar la transición de la expresión de las isoformas embrionarias de colágeno IV (COL4a1 y COL4a2) a las maduras (COL4a3 y COL4a4) y que su falta de función tiene como consecuencia la pérdida de los pedicelos podocitarios y de los diafragmas de fi ltración. En seres humanos sus mutaciones se asocian al sín-drome uña-rótula que causa proteinuria glomerular y parece regular positivamente la expresión de COL4A4.

Recientemente se ha establecido el papel fundamental de la ruta de señalización de la proteína Notch en la regiona-lización de la región proximal de la nefrona. Tanto Notch1 y Notch2, como sus ligandos Dll1 y Jagged 1 se expresan ya en las vesículas renales, y la eliminación temprana de Notch2 en ratones mutantes condicionales produce la supresión de los segmentos proximales de la nefrona, incluidos el corpúsculo renal y los túbulos proximales. Asimismo, el factor de trans-cripción POU3F3 se requiere para la diferenciación del com-ponente distal de la nefrona, ya que los ratones mutantes para POU3F3 carecen de asa de Henle y de túbulos distales.

Desarrollo del estroma

La células mesangiales o fi broblastos intersticiales suponen un tercio de la población celular glomerular y su función prin-cipal es mantener la estructura y elasticidad de los capilares




glomerulares. Además, sintetizan y secretan la matriz mesan-gial y contribuyen a su homeostasis fagocitando células apop-tóticas o complejos inmunitarios que se forman o se liberan a los capilares glomerulares. Gracias a su actividad contráctil, las células mesangiales regulan el fl ujo sanguíneo de los capilares glomerulares al acoplar su contracción a la de la membrana basal del capilar, reduciendo el índice de fi ltración glomerular.

Su origen está en las células del mesénquima metanéfrico que expresan FOXD1 y que constituyen el linaje no nefrona. Las células mesangiales expresan receptores para el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGFR) y migrarán hacia

las hendiduras de los cuerpos en forma de coma y de «S» y al glomérulo en desarrollo, en respuesta al factor de crecimiento derivado de plaquetas beta (PDGF-b) expresado por los futu-ros podocitos. El análisis de ratones defi cientes en PDGF-b o sus receptores (PDGF-bR) sirvió para corroborar la contribu-ción de las células mesangiales al establecimiento de la arqui-tectura glomerular, al observarse que sus glomérulos carecían de las mismas y desarrollaban una forma globular aberrante, con los podocitos y las células endoteliales distribuidas en la superfi cie del glomérulo. Las células mesangiales son la diana principal de algunas enfermedades glomerulares como la ne-

Capilar glomerular

Célula mesangial

Célula parietal de lacápsula de Bowmann

Membrana basal glomerular

Epitelio fenestrado

FAT

Podocalaxina

NEPH1

WASPNck

Fyn

PI3K/Akt

Complejo PKC/Par3/Par6 Nefrina

Sinaptopodina

Actinina α4

Integrina α3 Integrina β3

Citoesqueletode actina

ZO-1PodocinaCD2AP

Diafragma de filtración

P-Cadherina

Pedicelos

Barrera de filtración

Podocito

A

B

Figura 1-3. Esquema del desarrollo de la barrera de fi ltración. A) Diferenciación del podocito; se muestra la transición de uniones adherentes a diafragmas de fi ltración. B) Composición de la barrera de fi ltración, proteínas podocitarias y representación del complejo del diafragma de fi ltración. CD2AP: proteína asociada a CD2; FAT: transportador de ácidos grasos; NEPH1: proteína de unión a nefrina 1; PI3K: fosfatidilino-sitol-3-cinasa; PKC: proteína cinasa C; TRPC6: receptor de potencial transitorio catiónico; WASP: proteína del síndrome de Wiskott-Aldrich; ZO-1: zonula occludens 1.




fropatía por inmunoglobulina A (IgA), siendo la proliferación y la producción de exceso de matriz los rasgos más relevantes de estas enfermedades.

DESARROLLO DE LA BARRERA DE FILTRACIÓN

Una de las funciones principales del riñón es la fi ltración del plasma sanguíneo para producir orina. Esta función tiene lugar en el glomérulo, que consta de una red de capilares san-guíneos revestidos por células endoteliales fenestradas, una región central formada por células mesangiales, las células epiteliales viscerales o podocitos –con una membrana basal asociada– que rodean a los capilares sanguíneos, y una capa parietal o externa de células epiteliales que forman la cápsula de Bowman (Fig. 1-3). La sangre se fi ltra al atravesar la barrera de fi ltración glomerular que funciona como un fi ltro selectivo en razón del tamaño y de la carga electrostática de las molécu-las circulantes. Así, las moléculas de alto peso molecular y las células sanguíneas quedan retenidas, permitiéndose el paso de moléculas pequeñas como el agua, azúcares y electrólitos al interior de la nefrona. La barrera de fi ltración se compo-ne de tres elementos: el epitelio fenestrado de los capilares sanguíneos, la membrana basal glomerular y el diafragma de fi ltración de los podocitos (Fig. 1-3 B), siendo esencial la pre-servación de esta estructura durante el desarrollo y a lo largo de toda la vida del individuo. Así, anomalías genéticas o ad-quiridas en cualquiera de los tres componentes de la barrera de fi ltración glomerular derivan en proteinuria y enfermeda-des renales (Tabla 1-1); de ahí que se haya dedicado mucho esfuerzo a establecer la contribución de estos factores al pro-ceso de fi ltración molecular.

Células endoteliales fenestradas

Las células endoteliales constituyen la barrera inicial ante el paso de los componentes de la sangre desde la luz del capilar hasta el espacio de Bowman. Presentan aberturas o fenestraciones de unos 50-100 nm, carentes de diafragmas, que constituyen del 20 al 50 % del área de la superfi cie del endotelio glomerular y están rodeadas de una capa super-fi cial, el glucocáliz, compuesta principalmente por gluco-proteínas cargadas negativamente, glucosaminoglucanos y proteoglucanos asociados a membrana. Por todo ello, se les ha atribuido un papel en la selectividad por carga de las ma-cromoléculas en el proceso de fi ltrado. Su origen está en los angioblastos que invaden la hendidura proximal del cuerpo en «S» durante el desarrollo de la nefrona. Se ha estableci-do que el gen SEMA3A (que codifi ca para semaforina 3A) funciona como un regulador negativo de la supervivencia endotelial. Así, su eliminación provoca fallos en el desarrollo del patrón vascular renal debido a un exceso de células en-doteliales, mientras que su sobreexpresión suscita hipoplasia glomerular, caracterizada por muerte apoptótica de células endoteliales.

El daño en el endotelio glomerular puede causar protei-nuria incluso en circunstancias en las que tanto la membra-na basal glomerular como los podocitos están intactos. Así, la preeclampsia constituye la clásica enfermedad proteinúrica

asociada a disfunción endotelial, caracterizada por una reduc-ción tanto en el número como en el tamaño de las fenestra-ciones, fenómeno conocido como endoteliosis, el cual es rápi-damente reversible tras el parto.

Membrana basal glomerular

La membrana basal glomerular es inusualmente gruesa, con un espesor de 240-370 nm y deriva de la fusión de las membranas basales de los podocitos y las células endoteliales, siendo ambos tipos celulares importantes en el mantenimien-to de su estructura y función. Está compuesta principalmente por laminina 521 (laminina a5, laminina b2, laminina g1), co-lágeno IV (COL4a3, COL4a4 y COL4a5), nidogén 1, nido-gén 2 y agrina, y mutaciones en los genes que codifi can para cuatro de estas proteínas provocan enfermedades glomerulares en seres humanos. Así, mutaciones en el gen LAMB2, que dan como resultado la ausencia o una seria reducción de lamini-na b2, provocan el síndrome de Pierson, un trastorno congé-nito autosómico recesivo caracterizado por microcoria (pupi-las extremadamente pequeñas) y síndrome nefrótico que lleva a insufi ciencia renal antes del parto o inmediatamente des-pués de éste. Las mutaciones en los genes COL4A3, COL4A4 y COL4A5 causan el síndrome de Alport, en el cual COL4a1 y COL4a2, característicos de estadios embrionarios, persisten en la membrana basal glomerular del glomérulo adulto, al-terando de esta manera la permeabilidad y la estabilidad de dicha membrana, y causando una proteinuria moderada. El hecho de que en modelos murinos de mutantes condicionales para laminina b2 la desorganización de la membrana basal glomerular preceda a la aparición de proteinuria, y que ésta tenga lugar cuando los podocitos parecen intactos, sugiere que la membrana basal glomerular desempeña un papel im-portante en la fi ltración glomerular.

Diafragma de fi ltración de los podocitos

El podocito es una célula muy especializada. Presenta un cuerpo celular voluminoso que emite unas prolongaciones primarias a modo de tentáculos de las que emergen otras se-cundarias más fi nas denominadas pedicelos, que se entrecru-zan con los de podocitos adyacentes envolviendo por com-pleto a los capilares glomerulares. La función de los podocitos de limitar el paso de macromoléculas durante el proceso de fi ltración se propuso hace 4 décadas, cuando se observó por primera vez la existencia de una ultraestructura densa a los electrones a modo de cremallera, que sellaba los pedicelos de podocitos adyacentes dejando poros que eran menores que la albúmina. A esta ultraestructura se la denominó diafragma de fi ltración (Fig. 1-3 B). Hoy en día, gracias a los trabajos realiza-dos en la última década, se tiene un conocimiento exhaustivo del complejo multiproteico que constituye el diafragma de fi l-tración, y de cómo éste se forma durante el desarrollo.

La transición del estadio de cuerpo en «S» al estadio de glomé-rulo capilarizado es crítica para el proceso de diferenciación del podocito. Durante estas etapas las células epiteliales destinadas a ser podocitos, que se mantienen unidas por uniones estrechas en su región apical, comienzan a expresar podocalaxina, nefrina,




podocina, ZO-1 (zonula occludens 1) y VEGF, y –al mismo tiem-po– WT-1 alcanza su mayor grado de expresión. A medida que se avanza en el estadio de glomérulo capilarizado, los podocitos inmaduros pierden su capacidad mitótica y empiezan a elaborar la compleja arquitectura celular que los caracteriza, incluyendo la aparición de pedicelos y la reorganización de las uniones célu-la-célula en diafragmas de fi ltración, que esencialmente equiva-len a uniones adherentes modifi cadas (Fig. 1-3 A). En este mo-mento, ZO-1 y la proteína esencial en el establecimiento de la polaridad celular, aPKC (proteína cinasa C atípica), migran desde su localización apical hacia la región basal, donde se van a formar los diafragmas de fi ltración. La conversión fenotípica que ocurre durante la fase de cuerpo en forma de «S» va acompañada por la pérdida de algunos rasgos típicos de células epiteliales, como la expresión de citoqueratina y proteínas desmosómicas y la sínte-sis de vimentina, marcador fenotípico de células mesenquimales. Así, los podocitos maduros retienen tanto rasgos de células epi-teliales –como la existencia de polaridad celular o la presencia de membrana basal– como de células mesenquimales, la expresión de vimentina y una limitada movilidad.

El mantenimiento de la integridad del podocito es funda-mental para una correcta función renal, siendo el podocito la diana directa en numerosos síndromes nefróticos heredita-rios y en diversas enfermedades glomerulares humanas (glo-meruloesclerosis focal y segmentaria, enfermedad de cambios mínimos, glomerulopatía membranosa, glumerulopatía co-lapsante, nefropatía diabética, nefropatía asociada a virus de inmunodefi ciencia humana [VIH] y nefritis lúpica). Las lesio-nes del podocito dan como resultado la desestructuración de la arquitectura del citoesqueleto de los pedicelos podocitarios (proceso denominado en inglés effacement), una desdiferen-ciación, como ocurre en la nefropatía asociada a VIH en la que el podocito regresa a un estadio más inmaduro, readquirien-do la capacidad de proliferación, apoptosis (proceso conocido como podocitopenia) y desarrollo interrumpido, todo lo cual impide la completa maduración del podocito. Las modifi ca-ciones en los tres compartimentos de los pedicelos (la zona basal, la zona apical y el diafragma de fi ltración) afectan a la función podocitaria. La zona basal está implicada en la unión a la membrana basal glomerular. Así, las integrinas a3 y b1, tetraspaninas y distroglucanos actúan como puente entre pro-teínas de la matriz y el aparato contráctil de los podocitos, y sus mutaciones causan proteinuria masiva. La podocalixina, el mayor componente molecular de la zona apical de los pedice-los, es una sialoglucoproteína responsable de dotar a este do-minio de carga negativa, y su defi ciencia en modelos murinos causa falta de pedicelos y diafragmas de fi ltración.

El diafragma de fi ltración, la última barrera frente a la pér-dida en orina de proteínas circulantes, es una unión intercelu-lar muy especializada formada por un complejo multiproteico que incluye entre otros componentes: nefrina, proteínas de unión a nefrina (NEPH1, NEPH2 y NEPH3), CD2AP (proteí-na asociada a CD2), podocina, transportador de ácidos grasos FAT1 y FAT2, TRCP6, ZO-1 y P-cadherina (Fig. 1-3 B).

La identifi cación de nefrina –la proteína codifi cada por el gen NPHS1 cuyas mutaciones causan el síndrome nefrótico de tipo fi nlandés (Tabla 1-1)– como la primera de las proteínas in-tegrantes del diafragma de fi ltración en 1998 inició el estudio

exhaustivo de los componentes de éste. Tanto nefrina como NEPH1, NEPH2 y NEPH3 son proteínas transmembrana de la superfamilia de las inmunoglobulinas y constituyen los prin-cipales componentes estructurales del diafragma de fi ltración. Sus dominios extracelulares se asocian tanto homotípica como heterotípicamente, permitiendo la interacción entre pedicelos adyacentes y contribuyendo a la formación del fi ltro molecular. Además de su función estructural, nefrina y NEPH1 funcionan como plataformas de señalización, regulando procesos funda-mentales de la biología del podocito, como la reorganización del citoesqueleto, el mantenimiento de la polaridad, la regula-ción transcripcional y su supervivencia. Sus regiones citoplas-máticas interaccionan entre sí y con varios adaptadores intrace-lulares, como CD2AP en el caso de nefrina y ZO-1 en el caso de NEPH1, ambas capaces de regular el dinamismo del citoesque-leto de actina, contribuyendo a la organización tridimensional de los pedicelos. La interacción de nefrina con CD2AP también activa la señalización por Akt que inhibe la apoptosis podoci-taria. Además, las regiones citoplasmáticas de nefrina y NEPH son susceptibles de fosforilación en tirosinas por la cinasa Fyn. Esto genera nuevos sitios de unión para proteínas adaptadoras como Nck, que regula la polimerización de actina a través de su interacción con N-WASP (proteína neuronal del síndrome de Wiskott-Aldrich) y PAK (cinasa activada por p21) en el caso de nefrina, y Grb2 en el caso de NEPH1.

La podocina está codifi cada por el gen NPHS2, cuyas muta-ciones son responsables de más del 20 % de los casos de sín-drome nefrótico autosómico recesivo resistente a los esteroi-des. Interacciona con las regiones citoplasmáticas de nefrina y NEPH1 y se requiere para la localización de ambas en mi-crodominios lipídicos específi cos de las membranas, las balsas lipídicas (lipid rafts), localización necesaria para su correcto funcionamiento. Por su parte, mutaciones en TRPC6, que co-difi ca el receptor de potencial transitorio catiónico 6, derivan en glomeruloesclerosis focal segmentaria en la edad adulta, lo que sugiere que la integridad del diafragma de fi ltración requiere un control estricto de las corrientes de cationes/Ca2+.

Dada la función estructural y de señalización de las pro-teínas del diafragma de fi ltración anteriormente descritas, no es de extrañar que sus mutaciones estén asociadas a deses-tructuración de los pedicelos podocitarios, proteinuria masiva y –en algunos casos– podocitopenia, y pone de manifi esto el papel fundamental que tiene esta estructura en la función fi l-tradora del riñón.

Por último, aunque no se ha establecido su relación directa con los componentes del diafragma de fi ltración, mutaciones en los genes INF2 y ACTN4 (que codifi can para dos proteínas implicadas en la regulación del citoesqueleto de actina: formi-na invertida 2 y a-actinina 4) pueden desencadenar glomeru-loesclerosis focal y segmentaria.

PERSPECTIVAS Y NUEVOS MODELOS ANIMALES

La conservación evolutiva de las redes génicas implicadas en el desarrollo del riñón permite la utilización de una gran variedad de modelos animales para el estudio del desarrollo, la función y la reparación del riñón humano, siempre que a la hora de trasladar los resultados obtenidos se tengan en cuenta




las limitaciones propias del modelo empleado. Por ello, para desentrañar los mecanismos moleculares implicados en el de-sarrollo renal se ha de continuar su estudio, aprovechando las nuevas técnicas experimentales desarrolladas y haciendo uso de nuevos modelos animales. Así, la reciente identifi cación en la mosca Drosophila melanogaster de células semejantes a los podocitos (los nefrocitos) con diafragmas de fi ltración conser-vados, abre la puerta al uso de modelos invertebrados, muy fácilmente manipulables genéticamente, para el análisis de aspectos relacionados con la biología y la fi siopatología del podocito, e incluso para el desarrollo de nuevas estrategias te-rapéuticas encaminadas a evitar la degeneración podocitaria ocasionada por el daño renal.

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