Developing new strategies to understand human kidney development and target human disease

Abstract

In recent years considerable progress has been made in the development of approaches for human pluripotent stem cells (hPSCs) differentiation. An important step in this direction has been the derivation of hPSCs derived organoids to understand early steps of human organ development and disease. Here, we have developed new techniques and fundamental knowledge to generate hPSCs-kidney organoids. Towards this aim we have explored on the possibility to emulate early steps of kidney embryogenesis forcing cell to cell and cell to extracellular matrix contact as a new approach to generate hPSCs-kidney organoids with superior treats of differentiation and function. To further assess on the impact of environmental stimuli during kidney organoid differentiation we have interrogated on the interaction of metabolic cues in this process identifying metabolic regulators, namely Esrrα, which are responsible of kidney differentiation and human chronic kidney disease. Into the light of the current COVID19 crisis we have further exploited hPSCs-kidney organoids to understand first steps of SARS-CoV-2 infection also identifying a therapeutic compound which nowadays is in a phase II b clinical trial for COVID19 patients in more than 6 countries in the world. Based on the current developments, in the present thesis we emphasize the major achievements in the field of kidney morphogenesis, including technological advances for kidney embryonic cell culture and the use of animal models to understand kidney development. We further discuss on ongoing challenges of bringing together all this knowledge to establish hPSCs-kidney organoids to study human kidney differentiation and disease.

En los últimos años se han conseguido grandes avances en el desarrollo de estrategias para la diferenciación de células madre pluripotentes humanas (hPSCs). Un paso importante ha sido la derivación de organoides a partir de hPSCs enfocado a entender los eventos iniciales implicados en el desarrollo y enfermedad de los órganos humanos. En este trabajo, aportamos conocimiento fundamental y nuevas técnicas para la derivación de organoides de riñón. Con esta finalidad, hemos explorado la posibilidad de emular los eventos iniciales de la embriogénesis del riñón forzando el contacto entre célula y célula y entre célula y matriz extracelular con el fin de establecer una nueva estrategia para generar organoides de riñón con características superiores de diferenciación y función a las descritas anteriormente. Con el objetivo de profundizar en el impacto de los estímulos del entorno durante la diferenciación renal, hemos analizado el papel de las señales metabólicas en este proceso y hemos identificado el papel de reguladores metabólicos, tales como Esrrα, en la diferenciación renal así como en la enfermedad renal crónica en humanos. En el contexto de la actual crisis de la COVID19, hemos utilizado, por primera vez, los organoides de riñón para investigar los eventos iniciales implicados en la infección por SARS-CoV-2. Estos hallazgos nos han permitido identificar un compuesto terapéutico para tratar la COVID19 que actualmente está en un ensayo clínico en fase 2 en más de 6 países. En base a lo expuesto, en esta tesis hemos querido destacar los grandes avances conseguidos en el campo de la morfogénesis del riñón, incluyendo los avances técnicos en el cultivo de células embrionarias de riñón y en el uso de modelos animales para el estudio del desarrollo renal. Así mismo, exponemos los desafíos actuales para combinar todos estos avances y aplicarlos en la derivación de organoides de riñón para estudiar la diferenciación y la enfermedad renal en humanos.