חומרים פולטי אור להערכה לא פולשנית של תפקוד הכליות חלק א'

למידע נוסף:ali.ma@wecistanche.com

Jiaguo Huang, et al

מילות מפתח: פלואורסצנטיות · קצב סינון גלומרולרי ·מחלת כליות ·תפקוד כליות· ננו-חלקיקים

Cistanche is good for kidney function

ההערכה הלא פולשנית שלתפקוד כליותואבחון מחלת כליות כבר מזמן מאתגר. שיטות מסורתיות אינן זמינות באופן שגרתי, מכיוון שהפרוטוקולים הקיימים מסורבלים, גוזלים זמן ופולשניים. בשנים האחרונות התקדמות משמעותית בתחום האבחוןתפקודי כליותומחלות על בסיס חומרים פולטי אור נוצרו. כאן, אנו בודקים בקצרה חומרים פולטי אור, לרבות חומרים פלואורסצנטיים אורגניים וננו-חלקיקים זוהרים ניתנים לניקוי כליות אנאורגניים לניטור לא פולשני ובזמן אמת שלתפקוד כליותומחלות. יתר על כן, נדונות כמה דרישות ואסטרטגיות משמעותיות בנוגע לתכנון של סוכני קצב סינון גלומרולרי אידיאלי וננו-חלקיקים בעלי יכולת פינוי כליות. לבסוף, אנו דנים באתגרים עתידיים בזירוז התרגום הקליני של גורמים פולטי אור מפותחים אלה, יחד עם שיקולים של המאמצים שיש לעשות כדי לפתח גורמים חדשים ומחלת כליות.

1. הקדמה

הכליה מקבלת זרימת דם בשפע של 25 אחוז מתפוקת הלב ומסלקת קסנוביוטיקה ומוצרים מטבוליים מהדם לתוך השתן.[1] שלושה תהליכים בכליות מעורבים במהלך היווצרות שתן, כולל גלומרולפילטרציה, ספיגה חוזרת של צינוריות והפרשה צינורית (איור 1 א).[2] סינון גלומרולרי חיוני לכליה כדי להסיר חומרי פסולת ורעלים במהירות מהפלזמה.[3]צינוריות הכליה אחראיות על ספיגה מחדש והפרשה של חומרים לוויסות ה-pH בפלזמה, ריכוזי אשלגן וסביבה פיזיולוגית אחרת.[4] נזק כלייתי בתפקוד הגלומרולרי והצינורי משפיע על יכולת הכליה להסיר קסנוביוטיקה ומוצרים מטבוליים מהדם אל השתן.[5] לפיכך, הערכה שלתפקוד כליותהוא חיוני למספר מצבים קליניים.

מחלת כליות או אובדן שלכִּליָהפוּנקצִיָהלעתים קרובות קשה לאבחן בשלב מוקדם אך עלול לגרום לאי ספיקת כליות קטלנית בהמשך. יש לציין, הבחנה בין השלבים של תפקוד לקוי של הכליות הייתה אתגר לטווח ארוך. לכן, טכניקות פרה-קליניות שיכולות לשלב בקלות אי תפקוד כליות חיוניות להבנת התקדמות מחלת כליות. יתר על כן, לאי ספיקת כליות חריפה (ARF) יש סיבות רבות כגון תת לחץ דם, אלח דם, טראומה, נמק צינורי חריף, נפרוטוקסיות הנגרמת על ידי תרופות וחסימת שתן.[6] זיהוי האשמים במחלה ב-ARF הוא קשה ולעתים קרובות מסתמך על ביופסיה של הכליה. עם זאת, שיטה זו פולשנית ויש לה סיכונים פוטנציאליים.[6] הדמיית פלואורסצנציה in vivo היא שיטה פרה-קלינית זולה, רגישה מאוד ובשימוש נרחב המשמשת לחקר מחלות שונות. התפתחויות משמעותיות בתחום האבחוןכִּליָהפוּנקצִיָהומחלות על בסיס חומרים פולטי אור והדמיית פלואורסצנציה נעשו בעשר השנים האחרונות. מטרת סקירה זו היא לתאר: אחת, סוכנים מסורתיים ושיטות קביעה להערכתכִּליָה פוּנקצִיָה; שנית, ניצול חומרי ניאון אורגניים להערכת תפקודי כליות בזמן אמת לא פולשניים; שלוש, ננו-חומרים אנאורגניים בשילוב עם טכנולוגיות הדמיה לזיהוי סוגים שונים של נפרופתיה ולהבדיל בין השלבים של תפקוד לקוי של הכליות. הדגש העיקרי מושם על תכנון ויישום של חומרים פולטי אור, לרבות סוכני ניאון אורגניים וננו-חומרים אנאורגניים כאמצעי לניטור תפקוד כליות ומחלות.

Cistanche is good for kidney function

Cistanche טוב עבורתפקוד כליות

2. סוכנים מסורתיים ושיטות קביעה להערכת תפקוד הכליות

ניתן להעריך את המצב התפקודי של הכליות על ידי שימוש בקצב הסינון הגלומרולרי (GFR), זרימת הדם הכלייתית וספיגה חוזרת או הפרשה של חומרים שונים.[7] ביניהם, ה-GFR משמש לעתים קרובות להערכת תפקוד הכליות הכולל ומקובל כאינדיקטור הטוב ביותר עבורכִּליָהפוּנקצִיָה.[8] ה-GFR מייצג את נפח הפלזמה שמנקה על ידי הנפרונים ליחידת זמן במהלך היווצרות שתן. הוא מוצג בדרך כלל במיליליטר לדקה.[3] עם זאת, לא ניתן למדוד את ה-GFR ישירות. השיטה הנפוצה ביותר מבוססת על הרעיון של אישור [4] . הריכוז של קריאטינין אנדוגני בפלזמה משמש בדרך כלל לקביעת ה-GFR (איור 1 ב), אך הוא עלול לגרום להערכות שגויות עקב גיל, מין, מסת שריר ומשתנים אנתרופומטריים רבים אחרים.[9] קביעת פינוי הפלזמה/שתן של חומרים כלייתיים אקסוגניים כגון 99mTc-DTPA (דיאתילן-טריאמין-פנטאאצטיק, DTPA), אינולין ואיוטאלמט (איור 1 ג) היא פולשנית ומסורבלת עקב הדרישה של דגימות מרובות דם/שתן ושלבי דגימת שתן וניתוח מייגעים. על ידי כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC).[8] יתרה מכך, מחקרים רבים גילו שקריאטינין ואיוטלאמט מופרשים על ידי תאי אבובים פרוקסימליים, בעוד ש-cystatin C ו-99mTc-DTPA נספגים מחדש על ידי תאי האפיתל הצינורי, מה שמוביל להטיה ב-GFR.[5] פינוי שתן הוא השיטה המסורתית לקביעת ה-GFR. עם זאת, איסוף שתן מתוזמן גוזל זמן, מסורבל ורגיש לטעויות. תקופה ארוכה של איסוף שתן על פני 24 שעות כדי לקבוע פינוי קריאטינין כבר לא מומלצת באופן שגרתי כאמצעי להערכתכִּליָהפוּנקצִיָה[5] לחילופין, נעשה שימוש ב-plasmaclearance כדי לקבוע את ה-GFR כדי למנוע אי נוחות וכדי למנוע שגיאות מאיסוף שתן בזמן. עם זאת, המגבלה העיקרית של פינוי פלזמה היא הצורך בדגימת דם חוזרת ופולשנית.[4] לפיכך, סוכני GFR חדשים ושיטות קביעה נחוצות מאוד כדי לשפר את הקביעה שלכִּליָהפוּנקצִיָה.

figure 1--Cistanche is good for kidney function

איור 1. א) שלושה תהליכים המעורבים ביצירת שתן, כולל סינון גלומרולרי, ספיגה חוזרת של צינורית והפרשה צינורית. ב) מבנים של סמני תפקוד כליות אנדוגניים. ג) מבנים של סמני תפקוד כלייתי אקסוגניים.[8] נדפס מחדש באישור מ-Ref. [8]. זכויות יוצרים (2016) American Chemical Society.

3. חומרים פלורסנטים אורגניים להערכה לא פולשנית של תפקוד הכליות

הערכה לא פולשנית בזמן אמת של ה-GFR חיונית לא רק לניטור חולים ליד המיטה במרפאות, אלא גם לאבחון ולשלב חולים עם מחלת כליות כרונית.[10] הדמיה לא פולשנית in vivo כולל טומוגרפיה ממוחשבת של פליטת פוטון בודדת (SPECT), הדמיית תהודה מגנטית (MRI) וטומוגרפיה ממוחשבת (CT) נמצאים בשימוש נרחב להערכהכִּליָהפוּנקצִיָהעל ידי ניטור בזמן אמת של קינטיקה של פינוי הכליות של חומרים הניתנים לסילוק כליות.[11-13] עם זאת, טכניקות אלו עלולות לגרום להערכות שגויות, מכיוון שמשתמשים בחומרי GFR מסורתיים ויש חשד לספיגתם מחדש או הפרשתם באבובות הפרוקסימליות. מה שגרוע מכך, האבחנה של מחלות כליה לא השתפרה מאוד עם השימוש בטכניקות אלו, בשל העלויות הגבוהות שלהן, הנגישות הנמוכה והסיכון הפוטנציאלי לחשיפה לקרינה.[12] לפיכך, טכניקות לא פולשניות חדשות נחוצות מאוד להערכתכִּליָהפוּנקצִיָה. לשם כך, הפיתוח של סוכני פלורסנט ושיטות זיהוי סיפק אסטרטגיות חדשות. עם זאת, רק מספר מצומצם של סוכני פלורסנט פותח עד כה כדי להעריךכִּליָהפוּנקצִיָה(שולחן 1).

table 1-Cistanche is good for kidney function

3.1. סוכני פלורסנט מבוססי פיראזין להערכת תפקוד הכליות

מאמצים ניכרים נעשו על ידי Dorshow וחב', שהתמקדו בפיתוח של חומרי GFR אקסוגניים להערכת תפקוד הכלייתי בזמן אמת על ידי שימוש בשיטות לא רדיואקטיביות.[10,14] שתי גישות כלליות לתכנון של חומרי כליות פלואורסצנטיים. נשקל. הגישה הראשונה כרוכה בשיפור הקרינה של גורמים כלייתיים ידועים או קיימים שהם פולטים גרועים באופן מהותי, כגון קומפלקסים של לנתניד-מתכת; לדוגמה, סדרה של קומפלקסים Eu3 פלוס ו-In3 פלוס של ליגנים DTPA–מונואמיד הנושאים "אנטנות" מולקולריות להגברת הקרינה של מתכת באמצעות תהליך העברת אנרגיית תהודה של הקרינה ליגנד–מתכת אנינט-מולקולרית, הוכנו והוערכו על ידי שיפור הקרינה והפצה ביולוגית. תרכובות 18a ו-18b (איור 2 א) מציגות את השיפור הפלורסנטי הגבוה ביותר באותם מתחמי מתכת מסוג DTPA. ניתן להעריך את מאפייני פינוי הכליות על ידי שימוש במתחמי 111In הרדיואקטיביים המתאימים. כדי להעריך אם הקומפלקסים הללו נספגים מחדש או מופרשים על ידי חלבוני אניונים אורגניים (OAT) באבוביות של הכליה, ניתנת פרובנציד, מעכב חלבוני OAT, (30 דקות לפני) כדי לחסום הן את מסלולי הספיגה החוזרת וההפרשה של הצינוריות. עם זאת, התוצאות מצביעות על כך שהקומפלקסים הללו מופרשים לא רק על ידי סינון גלומרולרי אלא גם באמצעות הפרשה בצינוריות הפרוקסימליות [10].

הגישה האחרת מבוססת על הפיכת צבעים ליפופיליים ניאון לחומרים הידרופיליים ואניונים כדי לאלץ אותם להתבטל על ידי הכליות. לפיכך, עמוד השדרה של חומצה פירזין-דיקרבוקסילית (איור 2 א, תרכובת 1 א) הוא ליפופיל ולא מסיס במים, והוא יכול לשמש כפלואורופור וניתן לשנות אותו ב-2,5-המיקומים עם קבוצות מושכות אלקטרונים וב-3,6-עמדות עם קבוצות תורמות אלקטרונים כדי לשפר את תכונות אורך הגל שלה.[14] לפי תפיסה זו, תחליפים ניטרליים ואניונים שונים תוכננו וסונתזו על ידי עיבוי פיגום הפירזין עם אמינו אתנול, aminopropanediol ונגזרות חומצות אמינו. ניתן לחלק את נגזרות פירזין אלה לשתי קטגוריות כלליות: האחת, נגזרות פירזין הנושאות קבוצות אמיניות ראשוניות עם אורך הגל בטווח הכחול של הספקטרום (איור 2 ב, תרכובות 2 a–e); שניים, פיראזינים N-אלקילוטים הנושאים קבוצות תורמות אלקטרונים עם אורך הגל באזור הירוק של הספקטרום (איור 2 ב, תרכובות2 f-j). מחקרים במבחנה ו-in vivo מראים שלסמני פירזין 2 d, 2 h ו- 2j יש קשירה נמוכה של חלבון פלזמה (PPB<7%), plasma="" clearance="" half-lives="" ranging="" from="" 20="" to="" 30="" min,="" high="" urine="" recovery,="" and="" are="" excreted="" by="" the="" kidneys.="" more="" importantly,="" renal="" tubular="" secretion="" is="" not="" a="" significant="" elimination="" pathway="" for="" these="" three="" compounds,="" which="" is="" testified="" by="" treating="" with="" probenecid="" to="" block="" the="" oat="" pathway.="">

figure 2-Cistanche is good for kidney function

איור 2. א) מבנים ואורכי גל אופטיים של קומפלקסים של DTPA–מונואמיד וחומצה פירזין–דיקארבוקסילית וכן נגזרות פוטנציאליות.[10] ב) מבנים ואורכי גל אופטיים של חומרים פלורסנטים מבוססי פירזין.[14] ג) מבנים ואורכי גל אופטיים של מצומדי PEG-pyrazine.[15]

כמו כן, נערכו מחקרים מקיפים לפיתוח סוג חדש של נגזרות פירזין המבוססות על קבוצת הפולי(אתילן גליקול) (PEG).[15] PEG הוא פולימר הידרופילי, לא רעיל, תואם ביולוגי המורכב מיחידות אתילן אוקסיד חוזרות. זה אושר על ידי מינהל המזון והתרופות (FDA) בשנת 1990 למתן פרנטרלי או מקומי כמרכיב של מוצרי קוסמטיקה, מזונות ומערכות מתן תרופות שונות.[16] במיוחד, PEG מסולק דרך הכליות ללא הצטברות בגוף, בעוד שקצב הפינוי תלוי במשקל המולקולרי. דווח כי PEGylation יכול להשפיע באופן משמעותי על מסלול ההפרשה וקצב הפינוי. לדוגמה, זמן מחצית החיים של הפינוי גדל מ-18 דקות ליום אחד אם המשקל המולקולרי של PEG עולה מ-6 ל-190 kDa, והוכח ששרשרות PEG עם משקל מולקולרי של פחות מ-6 kDa מסוננים על ידי הגלומרולוס ואינן נספגות מחדש על ידי צינורות פרוקסימליים של הכליה.[16] שיקולים אלה הובילו לחקירה של סדרה של צימודים של פירזין PEGylated. לצורך מחקר שיטתי של השפעת אורך ה-PEG, שרשראות PEG בעלות אורכי כניסה שונים הוצמדו לעמוד השדרה של פירזין, בעוד שהמשקל המולקולרי הכולל של PEG לשינוי הוגבל לפחות מ-5 kDa עבור סינון חופשי. ניתן גם לחלק את המצומדים הללו לשתי קטגוריות: האחת, נגזרות פירזין הנושאות קבוצות אמינו ראשוניות עם אורך הגל באזור הכחול של הספקטרום; שניים, N-alkylatedpyrazines עם אורך הגל באזור הירוק של הספקטרום. באופן דומה, בוצעו גם מבחני מבחנה וגם מבחני חירום הכוללים תכונות פלואורסצנטיות, PPB, התאוששות בשתן של המינון המוזרק, מחקרים על חסימת פרובנציד וקינטיקה של פינוי פלזמה. לתרכובות פירזין PEGylated 4 d ו-5 c יש ערכי PPB נמוכים מאוד (5 ו-3 אחוזים, בהתאמה), ערכי התאוששות שתן גבוהים (96 ו-97 אחוזים, בהתאמה), ותקופת מחצית חיים קצרה של פינוי פלזמה (25 ו-19 דקות, בהתאמה) לא בריאים. חולדות. שתי התרכובות הללו מציגות תכונות עדיפות לאלו של iothalamate, שהוא תקן מקובל למדידת ה-GFR.[15] במחקרים פרה-קליניים, בוצעו סדרה של מחקרי בטיחות/רעילות חוץ גופית ו-in vivo עם חומר פלואורסצנטי 2 ד (איור 2 ב), כולל תאימות דם, בדיקת מוטציות, בדיקת סטייה כרומוזומלית, וכמה מחקרי רעילות במינון יחיד בחולדות ובכלבים כדי לקבוע רעילות כללית וטקסיקוקינטיקה.[17] לאחר מתן מינונים גבוהים של עד פי 200-300 מהמינון האנושי המשוער, כל בעלי החיים שרדו להקרבה מתוכננת. לא נמצאו השפעות על משקל הגוף, צריכת המזון ותצפיות עיניים, ולא נצפתה פתולוגיה אנטומית חריגה על ידי הערכה מקרוסקופית או מיקרוסקופית של איבר או רקמה כלשהי. התוצאות של מחקרי טוקסיקולוגיה ראשוניים אלה מצביעים על כך שפרופילי הבטיחות/רעילות של תרכובת 2 צריכים להיות מספיקים כדי להתחיל במחקר קליני ראשון באדם. עם זאת, יש להשלים בדיקות לא קליניות נוספות בנוגע להפצה ביולוגית ורעילות התפתחותית לפני התחלת ה-first-in. -מחקרי אנוש.[17]

cistanche can improve kidney function

Cistanche יכול להשתפרתפקוד כליות

ואכן, כדי לפשט את שיטת הקביעה של דגימת דם, Dorshow et al. פיתחו מכשיר ניטור אופטי לאופטי לא פולשניכִּליָהפוּנקצִיָהמחקרים.[18]העיקרון בקצרה הוא שתנוך אוזן אחת מודבקת שטוחה למגלשת זכוכית הממוקמת כ-2 מ"מ מתחת לצרור סיבים אופטיים המתעדים את אות הקרינה מחומר פלואורסצנטי בדיקה העובר דרך האוזן. מקור l=445 ננומטר מוצק מוצק מופנה דרך מסוק ואל רגל אחת של צרור סיבים אופטיים מפוצלים בסיליקה. לאחר פרק זמן קצר של רישום קו הבסיס, מוזרק חומר פלואורסצנטי תוך ורידי לחולדה, ואות הקרינה התואם לפיזור הפלזמה והרקמות וסילוק הכליות של החומר הפלורסנטי נקבע באוזן. למרות שניתן לזהות את פינוי הכליות של חומר פלואורסצנטי בשיטה אופטית לא פולשנית זו, נדרשת הרדמה במהלך כל המדידה ועלולה לגרום לירידה ב-GFR.[18]

3.2. FITC–אינולין/סיניסטרין להערכה לא פולשנית שלכִּליָהפוּנקצִיָה

אינולין, פולימר אינרטי ובלתי מטען של פרוקטוז עם משקל מולקולרי של בערך 5000 Da ממלא את כל הקריטריונים של חומר אקסוגני ונחשב כסוכן GFR בתקן הזהב. ניתן לקבוע את ה-GFR על ידי הזרקת אינולין לווריד. בהתחשב בכך שאינולין אינו נספג מחדש ואינו מופרש על ידי צינוריות הכליה לאחר סינון גלומרולרי, קצב הפרשתו הוא פרופורציונלי ישירות לקצב הסינון של מים ומומסים דרך המסנן הגלומרולרי.[4] אינולין סומן בהצלחה בגרסה המצומדת שלו עם פלואורסצאין איזותיוציאנט (FITC-inulin, איור 3a).[19] קינטיקה של החיסול שלו מתקבלת בדרך כלל על ידי מדידת ערכי הפלורסנט בפלזמה על פני פרק זמן ספציפי לאחר הזרקת בולוס.[20] למרות שבדרך כלל מתקבלות תוצאות ניתנות לשחזור מבדיקה זו ואין צורך בדגימת שתן, דגימת דם חוזרת מלחיצה את החיות. יתר על כן, יש לחמם את תמיסת ה-FITC-inulin כדי לשפר את מסיסותו ולבצע דיאליזה כדי להסיר שאריות של FITC לא קשור, מה שהופך את ההליך למסורבל.[20]

figure 3-Cistanche is good for kidney function

כדי להתגבר על מסיסות המים הלקויה של FITC-אינולין, FITC-sinistrin פותח על ידי תגובה חד-שלבית של תיוג כימי (איור 3 א').[21] Sinistrin, אנלוגי אינולין, הוצג בשנת 1963 כחלופה לאינסולין כדי לקבוע את תפקוד הכליות בשל מסיסותו הטובה יותר במים.[22] מסיסות המים הטובה יותר של סינסטרין מיוחסת למבנה הכימי המסועף שלו ולא למבנה הליניארי של אינולין. מצד שני, פיתחנו טכניקה טרנס-עורית לא פולשנית לקביעת קינטיקה של חיסול של חומר הפלורסנט FITC-sinistrin על בסיס מכשיר אלקטרוני ממוזער המחובר לעור.[23] ההתקן הטרנס-עורי החכם כולל דיודות פולטות אור המעוררות חומר ניאון ופוטודיודה המזהה את אות הפליטה של הגורם הפלורסנטי המוזרק.[23–25] זרימת העבודה של ההערכה הטרנס-עורית שלכִּליָהפוּנקצִיָהמכיל שלושה שלבים עיקריים:

1) תמיסת חומר פלואורסצנטי מוזרקת לבעל חיים דרך הווריד, והחומר מתפזר מחלל כלי הדם לתוך האינטרסטיטיום, שם הוא מופרש על ידי הכליות.

2) המכשיר מחובר לעור של בעל חיים לפני הזרקת חומר הפלורסנט, כך שניתן יהיה לתעד קו בסיס לפרק זמן קצר. המכשיר מאפשר לחומר הפלורסנט להתרגש שוב ושוב בתוך החלל הביניים על ידי מצמוץ כל שנייה באורך הגל המתאים. לאחר כל הבזק, פליטת הקרינה של חומר הפלורסנט מזוהה ומומרת לאות דיגיטלי. נתונים דיגיטליים אלה מאוחסנים בזיכרון פנימי בתוך המכשיר.

3) ניתן לחשב את זמן מחצית חיי ההפרשה של חומר הפלורסנט לאחר העברה ועיבוד הנתונים.[25]

בדומה לקינטיקה של פינוי הפלזמה, הנתונים שנאספו מוערכים כדי להוציא את קינטיקה ההפרשה של הגורם הפלורסנטי.

מחקרים מקיפים עלכִּליָהפוּנקצִיָהבאמצעות FITC-sinistrin נערכו במודלים פרה-קליניים של בעלי חיים, כולל זנים שונים של עכברים בהכרה (Balb/c, C57BL/6, SV129 ו-C57BL/6),[26] חולדות עם יתר לחץ דם רגישות למלח,[27] ומינים גדולים כמו כלבים וחתולים.[28] גישה טרנס-עורית זו אומתה במיני בעלי חיים שונים ומספקת הערכה מדויקת יותר של ה-GFR עקב מספר רב של נקודות נתונים מהמדידות הטרנס-עוריות במקום מספר מוגבל של נקודות נתונים מדגימת דם ושתן. בנוסף, מכיוון שהמדידות נלקחות בצורה טרנס-עורית, שיטה זו אינה תלויה בפרמטרים אנתרופומטריים. המכשיר הטרנס-עורי הממוזער מאפשר ביצוע מדידות GFR בבעלי חיים בהכרה ללא הרדמה, וכך, ניתן להימנע מירידה הקשורה להרדמה ב-GFR.[4] עם זאת, הן אינולין והן סיניסטרין סובלים מהמגבלות הטבועות בהן, כגון עלויות גבוהות, זמינות מוגבלת ומיצוי וטיהור מתוחכמים משורשי צמחים. לפיכך, ישנו אתגר בלתי נעים וממושך לפתח סוכני GFR פלואורסצנטיים חדשים להערכת זמן אמת לא פולשנית שלתפקוד כליות.

Cistanche for improving kidney function

Cistanche לשיפורתפקוד כליות

3.3. נגזרות ציקלודקסטרין עם תיוג פלואורסצנטי להערכה לא פולשנית של תפקוד הכליות

חומר ניאון אקסוגני אידיאלי להערכה דרך עורית שלכִּליָהפוּנקצִיָהצריך לעמוד בדרישות מסוימות: אחת, אורכי גל בליעה ופליטות באזור הנראה, ועדיף יותר בתחום הקרוב לאינפרא אדום; שניים, הידרופיליות גבוהה ו-PPB נמוך מאוד או ללא;[29] שלושה מאפיינים ניטרליים או בעלי מטען חלש; ארבע, ללא רעילות וללא חילוף חומרים in vivo; חמש, ללא ספיגה חוזרת וללא הפרשה בצינוריות וסינון מלא על ידי הגלומרולוס לתוך השתן;[30] שישה, קל לייצור בעלויות נמוכות.

הסיבה לשמור על PPB נמוך היא שהקשירה לחלבונים משפיעה בדרך כלל על הפרמקוקינטיקה המתקבלת, הפרמקודינמיקה וההפצה הביולוגית in vivo. יתרה מכך, ספיגה חוזרת והפרשה של צינורות עשויות להיות פעילות או פסיביות, בהתאם לחומר המסוים ולמערכת הטרנספורטר בתאי הצינורית, למשל, חלבוני טרנספורטר אניונים אורגניים (OAT) וחלבוני טרנספורטר קטונים אורגניים (OCT). לפיכך, מאפיינים חלשים וטעונים רצויים כדי למנוע אינטראקציות עם חלבוני טרנספורטר אורגניים. יש צורך לקחת את כל המאפיינים הללו בחשבון עבור התכנון הרציונלי של סוכן GFR. בהתחשב בכך, פיתחנו בהצלחה חומרי פלורסנט מבוססי 2-הידרוקסיפרופיל ציקלודקסטרין (HPCD) למדידה דרך עורית שלכִּליָהפוּנקצִיָה.[8] סוכנים המבוססים על HPCD פלואורסצנטיים מתוכננים בצורה מושכלת על ידי שילוב העיקרון הבסיסי של תרופות מנוקות באמת והידע של מערכת מתן תרופות מבוססת ציקלודקסטרין (CD). בתכנון זה, ראשית, הכנסת HPCDs (כולל HPaCD, HPbCD ו-HPgCD) מגבירה את ההידרופיליות, מפחיתה את ה-PPB ומאיצה את סילוקם של חומרי פלורסנט. דרך החיסול העיקרית של HPCDs תלויה בדרך הניהול. הן עבור חולדות והן עבור כלבים, לאחר מתן אוראלי, HPbCD מופרש בעיקר בצואה, בעוד שהוא מופרש על ידי הכליות לאחר מתן תוך ורידי. HPbCD נסבל היטב במחקרים בבעלי חיים (כגון חולדות, עכברים, כלבים וארנבות) הן למחקרים קצרי טווח והן לטווח ארוך. עבור בני אדם, ההפרשה היא בעיקר על ידי הכליות. תקליטורים נסבלים היטב בבני אדם ואין להם השפעות שליליות על הכליות או איברים אחרים לאחר מתן פומי או תוך ורידי.[31] היתרונות של חוסר הרעילות שלהם הביאו לאישור ה-FDA לפני יותר מעשר שנים.[32] הסיבה לשימוש של HPCDs ולא CDs היא של-HPCDs יש לא רק מסיסות מים טובה יותר מה-CDs המקורי שלהם, אלא שהם גם יציבים יותר להידרוליזה על ידי א-עמילאזות ממקור חזיר או אנושי.[33] בנוסף, חלוקת המשקל המולקולרית הצרה שלהם, העלות הנמוכה והזמינות מספקת הופכים אותם לעמוד השדרה האידיאלי עבור סוכני GFR.[34] שנית, fluorophores השייכים למשפחת xanthene מועסקים כדי לסמן את HPCDs (איור 3 ב). מלבד FITC ופלואורססין, הפאנל של קסנתן פלואורופורים הורחב לכלול פלואורפורים המבוססים על FITC דקרבוקסיל, המכונה XITC, לצורך מחקר שיטתי של קשרי הצמידות והאתרים השונים בין הפלואורופור וה-HPCDs. על בסיס ידע אמפירי ניכר שחומרים אניונים וניטראליים מתנקים באופן מועדף דרך מערכת הכליות, [14] צבעים מבוססי רודמין לא נבחרו כפלואורופורים לסימון HPCDs עקב המטען החיובי של אטומי החנקן של קבוצת האנילין או קבוצת הדיאתיל-אנילין. שלוש הקטגוריות המתקבלות של סוכנים מציגות קשרי צימוד קוולנטיים שונים ומטענים מולקולריים נטו ועל פי החשד מציגים פרמקוקינטיקה ופרמקודינמיקה שונה. כל ה-FITC-HPCDs מציגים PPB נמוך מאוד (<8%), which="" is="" comparable="" to="" or="" even="" lower="" than="" that="" exhibited="" by="" some="" previous="" gfr="" agents,="" for="" example,="" 51cr–="" edta="" (12.2%,="" edta="ethylenediaminetetraacetic" acid)="" and="" 99mtc–dtpa="" (11%).="" the="" extremely="" low="" ppb="" of="" the="" hpcd-based="" agents="" is="" attributed="" to="" conjugation="" of="" the="" hydrophilic="" hpcds="" on="" the="" hydrophobic="" fluorophores,="" which="" increases="" their="" hydrophilicity="" and="" reduces="" nonspecific="" interactions="" with="" serum="" proteins.="" these="" agents="" have="" no="" significant="" cytotoxic="" effect="" in="" representative="" human="" renal="" cell="" lines="" by="" using="" the="" 3-(4,5-dimethyl2-thiazolyl)-2,5-diphenyltetrazolium="" bromide="" (mtt)="" assay.="" by="" using="" the="" above="" transcutaneous="" technique,="" the="" plasma="" clearance="" curves="" and="" kinetic="" parameters="" of="" all="" the="" agents="" can="" be="" obtained.="" the="" clearance="" half-lives="" of="" the="" hpcd-based="" agents="" either="" in="" the="" absence="" or="" in="" the="" presence="" of="" probenecid="" follow="" the="" order="" hpacd-based="" agents="" >="" hpbcd-based="" agents="">תרופות מבוססות HPgCD, מה שמצביע על כך שקצב החיסול עולה עם הגדלת הגודל של ה-HPCD. זמן מחצית החיים של הפינוי של החומרים שנבדקו משתנים גם בהתאם ל-fluorophorescaffold בשימוש, למשל, XITC–HPbCD > FITC–HPbCD > fluorescein–HPbCD. בסדרת FITC-HPCD, FITC-HPaCD ו-FITC-HPgCD שניהם בעלי ספיגה קלה של צינוריות, מכיוון שנצפו זמן מחצית חיים של פינוי קצר יותר בנוכחות פרובנציד. Fluorescein-HPCDs מציגים זמן מחצית חיים של פינוי גבוה יותר באופן משמעותי עם טיפול פרובנציד מאשר ללא טיפול פרובנציד, מה שמעיד על כך שהם מופרשים באבובות הכליות. לעומת זאת, FITC–HPbCD ו-XITC–HPbCD אינם מציגים ספיגה חוזרת או הפרשה של צינוריות ומפוקים על ידי סינון גלומרולרי בלבד. תנאי הכרחי לחומר אידיאלי לתפקודי כליות הוא שהוא יכול להשיג התאוששות מלאה בשתן של המינונים המוזרקים (IDs) ושאין לו חילוף חומרים in vivo. לארבעה תרופות, כולל FITC-HPaCD, FITC-HPbCD, FITC-HPgCD ו-XITC-HPbCD, יש התאוששות גבוהה בשתן של כמעט 100 אחוז מהזיהויים ואינם עוברים חילוף חומרים in vivo. עם זאת, רק 40 עד 60 אחוז מהמזהים של fluorescein-HPCD מתאוששים בשתן. תוצאות אלו מצביעות על כך שהפלואורסצין-HPCD לא מופרשים לחלוטין דרך הכליות אלא גם בדרכים אחרות, כולל חילוף חומרים על ידי אנזימים in vivo. לסיכום, FITC-HPbCD נחשב לסוכן GFR ניאון אקסוגני חדשני ומבטיח. יש לציין, מוות בטרם עת וסימנים קליניים שליליים, כפי שנקבעו על ידי מדידת משקל הגוף וצריכת המזון של חולדות, אינם נצפים במהלך כל מערך הניסויים.

אחד המכשולים העיקריים שנתקלו בהערכה טרנס-עורית לא פולשנית בזמן אמת שלכִּליָה פוּנקצִיָהתוך שימוש בחומרי ה-GFR הפלואורסצנטיים הנזכרים לעיל הוא אוטופלואורסצנטי רקע פנימי חזק מרקמות חיות בגלל אורך הגל הקצר של הפליטה שלהם באזורים הכחולים והירוקים של הספקטרום (l<600 nm),="" which="" significantly="" compromises="" the="" accuracy="" of="" the="" measurements="" under="" physiological="" conditions.="" however,="" the="" absorption="" coefficient="" of="" tissue="" in="" the="" near-infrared="" (nir)="" region="" (l="650–900" nm)="" is="" greatly="" suppressed="" to="" a="" minimum="" level,="" which="" thus="" drastically="" reduces="" the="" disturbances="" and="" noise="" from="" autofluorescence="" and="" increases="" tissue="" penetration.="" [35]="" therefore,="" it="" is="" highly="" desirable="" to="" develop="" gfr="" agents="" in="" the="" nir="" optical="" window="" for="" transcutaneous="" assessment="" of="">כִּליָהפוּנקצִיָה. לאחרונה, מספר מחקרים גילו כי פלואורפורים אורגניים קונבנציונליים יכולים להצטבר באופן מתמשך בקרומי השומנים של העור לאחר הזרקה תוך ורידית בגלל הליפופיליות הגבוהה שלהם.[36] המערכות ההידרופוביות הגדולות המצומדות p של צבעי NIR אורגניים מובילות בדרך כלל לקשירה חזקה בין צבעים וחלבונים. נַסיוֹב; לדוגמה, ירוק אינדוסיאנין (ICG, איור 4 א) מציג PPB גבוהים במיוחד (99 אחוז), ספיגת כבד והפרשה. PPB גבוה שכזה פוגע בהפרשת הכליות שלו. נעשו ניסיונות רבים להתגבר על מכשולים אלה, וניתן להשיג הגברת ההידרופיליות והפחתת ה-PPB עבור כמה צבעי הפטמתין ציאנין על ידי הגדלת מספר קבוצות הסולפונט על צבעי הציאנין.[37] לדוגמה, ה-PPB של הצבע האניוני המסחרי IRDye800CW (איור 4 א) הוא עד 41 אחוז. למרות שניתן לקבוע את פינוי הכליות של IRDye800CW באמצעות טומוגרפיה אופטו-אקוסטית רב-ספקטרלית (MSOT),[38]לעקומות פינוי הפלזמה שלה אין דעיכה ב-90 דקות לאחר ההזרקה על ידי שימוש במדידות טרנס-עוריות.[35] מחקרים אלה מאשרים עוד כי הצטברות מהירה והחזקה ארוכה של פלואורפורים אורגניים קונבנציונליים בעור היא דילמה למדידה דרך עורית לא פולשנית של תפקוד הכליות.

figure 4-Cistanche is good for kidney function

לאחרונה, Choi et al. דיווח על עבודה חלוצית על צבעי ציאנין הפטמתין ציאנין.[39] צבעים זוויטריוניים בעלי מטען כללי נייטרלי מציגים ליפופיליות מופחתת ו-PPB עקב מיגון מטען. כל האנלוגים ה-zwitterionic מופרשים מהגוף לתוך השתן על ידי פינוי כליות כמעט ללא קליטה לא ספציפית משמעותית לאיברים או רקמות אחרים.[40] למרות שהאנלוגים השוויטריוניים הללו הפחיתו את ה-PPB וניתן לנקות אותם לחלוטין על-ידי הכליות, ה-PPB שלהם עדיין גבוה יותר מזה של תרופות תפקודי כליות בעלות תקן זהב כגון אינולין ואיוטאלמט (9.5 אחוזים)[35] וגורמים לתקופת מחצית חיים ארוכה יחסית. בהשראת עבודה זו, דיווחנו על סוכני NIR GFR הראשונים עם הידרופיליות משופרת ו-PPB נמוך בהרבה (<7%) through="" introducing="" zwitterionic="" charges="" and="" hpbcd="" on="" heptamethine="" cyanine="" dyes.="" to="" study="" the="" influence="" of="" different="" molecular="" surfaces="" charges="" on="" their="" ppb="" and="" excretion="" systematically,="" nir="" fluorescent="" agents="" with="" three="" different="" molecular="" surface="" charge="" characteristics="" (i.e.="" zwitterionic,="" anionic,="" and="" cationic;="" figure="" 4="" b)="" have="" been="" designed,="" and="" they="" comprise="" two="" key="" functional="" components:="" hpbcd="" and="" nir="" fluorophores.="" covalent="" conjugation="" between="" hpbcd="" and="" the="" nir="" fluorophores="" is="" achieved="" by="" either="" ester="" bond="" or="" click="" chemistry.="" their="" spectra="" effectively="" match="" the="" configuration="" of="" the="" transcutaneous="" device,="" which="" consists="" of="" two="" light-emitting="" diodes="" with="" an="" excitation="" wavelength="" at="" 700="" nm="" and="" a="" photodiode="" for="" emission="" wavelength="" detection="" at="" 790="" nm.="" in="" in="" vitro="" studies,="" the="" zwitterionic="" agents="" abzwcy–hpbcd="" and="" aazwcy–hpbcd="" have="" much="" lower="" ppb="" (3.7="" and="" 6.5%,="" respectively)="" than="" the="" anionic="" agents="" (i.e.="" abancy–hpbcd="" and="" aaancy–hpbcd,="" 19.7="" and="" 26.8%,="" respectively)="" and="" the="" cationic="" agents="" (i.e.="" abcacy–hpbcd="" and="" aacacy–hpbcd,="" 23.5="" and="" 27.4%,="" respectively),="" and="" even="" lower="" than="" some="" "gold-standard"="" agents.="" in="" vivo,="" urinary="" recovery="" and="" fluorescent="" distribution="" investigations="" by="" small-animal="" imaging="" experiments="" demonstrate="" that="" both="" abzwcy–hpbcd="" and="" aazwcy–hpbcd="" can="" be="" completely="" and="" rapidly="" excreted="" through="" the="" kidneys.="" examination="" of="" urine="" samples="" by="" hplc="" and="" matrix-assisted="" laser="" desorption/ionization="" (maldi)="" proves="" that="" these="" two="" zwitterionic="" hpbcd-based="" agents="" have="" no="" metabolism="" in="" vivo.="" these="" two="" zwitterionic="" hpbcd-based="" agents="" can="" be="" excreted="" efficiently="" through="" the="" kidneys="" into="" the="" urine="" without="" reabsorption="" and="" secretion="" in="" the="" tubules="" (figure="" 5),="" as="" evidenced="" by="" studies="" on="" the="" blocking="" of="" both="" the="" oat="" and="" oct="" proteins="" in="" kidney="" tubules="" by="" treating="" with="" probenecid="" and="" cimetidine,="" respectively.="" studies="" in="" transgenic="" nephropathy="" rat="" models="" also="" show="" that="" zwitterionic="" hpbcd-based="" agents="" are="" promising="" agents="" for="" the="" evaluation="" of="">כִּליָהפוּנקצִיָה. בהסתמך על סוכני NIR דו-טריוניים חדשים אלה ומכשיר טרנס-עורי, גישה מהירה, חזקה ותואמת ביו מאומתת להערכהכִּליָהפוּנקצִיָהבדגמי חולדות שהם גם בריאים וגם עם מחלת כליות ללא צורך בהכנת דגימת דם/שתן גוזלת זמן.

figure 5-Cistanche is good for kidney function

איור 5. עקומות פינוי פלזמה של ABZWCY-HPbCD: א) בהיעדר וב) בנוכחות טיפול פרובנציד על ידי מדידות דרך עוריות בחולדות בריאות. עקומות פינוי פלזמה של AAZWCY–HPbCD: ג) בהיעדר טיפול כלשהו, ד) בנוכחות פרובנציד, ו- ה) בנוכחות סימטידין על ידי מדידות טרנס-עוריות בחולדות בריאות. ו) זמן מחצית חיים של פינוי של ABZWCY–HPbCD ו-AAZWCY–HPbCD בהיעדר ונוכחות של טיפול פרובנציד או סימטידין.[35] נדפס מחדש באישור מ-Ref. [35]. זכויות יוצרים (2017) האגודה המלכותית לכימיה