Nephropathic cystinosis is a severe monogenetic kidney disorder caused by mutations in CTNS , encoding the lysosomal transporter cystinosin, resulting in lysosomal cystine accumulation. The sole treatment, cysteamine, slows down the disease progression, but does not correct the established proximal tubulopathy. Here, we developed a new therapeutic strategy by applying an omics-based strategy to expand our knowledge on the complexity of the disease and prioritize drug targets in cystinosis. We identified alpha-ketoglutarate as a key metabolite linking cystinosin loss, lysosomal autophagy defect and proximal tubular impairment in cystinosis. This insight offered a bicalutamide-cysteamine combination treatment as a novel dual target pharmacological approach for the phenotypical correction of cystinotic proximal tubule cells, patient-derived kidney tubuloids and cystinotic zebrafish.

ABSTRACT Advanced kidney in vitro models such as organoids or tubuloids still lack the intrinsic expression of various transport proteins needed for active secretory function. Extracellular vesicles (EVs), cell-derived structures that constitute the organ’s microenvironment, are known to regulate various cellular processes, including kidney development and regeneration across the nephron. In this study, we propose a new application of renal tubular epithelial cell EVs as modulators for tubuloid functional maturation by increasing the levels of various differentiation markers such as organic anion transport 1 (OAT1), a protein involved in endogenous waste excretion. First, we show that EVs from engineered proximal tubule cells increased the expression of several transcription factors and epithelial transporters in tubuloids that resulted in improved cellular transport capacity. Next, a more in-depth proteomic data analysis demonstrated that EVs can trigger various biological pathways, including mesenchymal-to-epithelial transition, which is crucial in the tubular epithelial maturation process. Moreover, we demonstrated that EV-treated tubuloid-derived cells in a 3D tubular conformation as part of a bioartificial kidney can generate a tight polarized epithelial monolayer with formation of dense cilia structures. In conclusion, EVs from renal tubular epithelial cells can phenotypically improve tubuloid maturation, thereby enhancing their potential as preclinical models and functional units in regenerative therapies.