Jak naprawić i leczyć ostry uraz nerek?

Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Wieloomowe podejścia do ostrego uszkodzenia nerek i naprawy

Louisa MS Gerhardt i Andrew P. McMahon

Abstrakcyjny

Nerki mają niezwykłą zdolność regeneracyjną. W odpowiedzi na uszkodzenie niedokrwienne lub toksyczne komórki kanalików proksymalnych mogą namnażać się, aby odbudować uszkodzone kanaliki i przywrócić funkcję nerek. Jednak ciężkiostre uszkodzenie nerek(AKI) lub nawracające AKI (ostre uszkodzenie nerek) zdarzenia mogą prowadzić do nieprzystosowawczej naprawy i progresji choroby z AKI (ostre uszkodzenie nerek) doprzewlekłą chorobę nerek(PChN). Zastosowanie technologii jednokomórkowych pozwoliło zidentyfikować stan uszkodzonych komórek kanalika proksymalnego tygodnie po AK1 (ostre uszkodzenie nerek), wyróżnia się prozapalną starzejącą się sygnaturą molekularną. Badania epigenetyczne wykazały dynamiczne zmiany w krajobrazie chromatyny nerek po AKI (ostre uszkodzenie nerek)i opisali kluczowe czynniki transkrypcyjne związane z AKI (ostre uszkodzenie nerek) odpowiedź. Integracja technologii multiomicznych otwiera nowe możliwości lepszego zrozumienia AKI (ostre uszkodzenie nerek) oraz siły napędowe AKL (ostre uszkodzenie nerek)-do-PChN, którego ostatecznym celem jest zaprojektowanie dostosowanych strategii diagnostycznych i terapeutycznych w celu poprawy AKI (ostre uszkodzenie nerek) wyniki i zapobieganiechoroba nerekpostęp.

Słowa kluczowe: Ostre uszkodzenie nerek, Multi-omika, epigenomika, jednokomórkowe sekwencjonowanie RNA, sekwencjonowanie ATAC.

Wstęp

Ostre uszkodzenie nerek(AKI), diagnozowana na podstawie nagłego wzrostu stężenia kreatyniny w surowicy i/lub zmniejszenia objętości moczu, jest bardzo rozpowszechnionym stanem związanym ze zwiększoną zachorowalnością i śmiertelnością oraz znacznymi kosztami opieki zdrowotnej [1e4]. Na przykład obecne dowody sugerują, że co najmniej 25 procent wszystkich hospitalizowanych pacjentów z COVID-19 rozwija AKI (ostre uszkodzenie nerek) oraz że pacjenci ci mają znacznie wyższe ryzyko zgonu niż pacjenci z COVID-19 bez AKI (ostre uszkodzenie nerek) [5]. Pacjenci przeżywający AKI (ostre uszkodzenie nerek) mają zwiększone ryzyko przejścia do przewlekłej i schyłkowej choroby nerek [3,4,6]. Według raportu rocznego US Renal Data System z 2018 r., tylko 52,6% hospitalizowanych pacjentów Veteran Affairs, którzy spotkali się z AKI (ostre uszkodzenie nerek)kryteria diagnozy, postawiono diagnozę AKI (ostre uszkodzenie nerek), wzywając do zwiększenia świadomości na temat AKI (ostre uszkodzenie nerek) w procedurach szpitalnych [7]. Ponadto wczesna diagnoza AKI (ostre uszkodzenie nerek)jest ograniczony brakiem wrażliwych biomarkerów i dostępnymi opcjami leczenia AKI (ostre uszkodzenie nerek) nadal polegają na optymalizacji hemodynamicznej, unikaniu nefrotoksyczności i terapii nerkozastępczej.

Komórki kanalików proksymalnych, najliczniejszy typ komórek w nerkach, są odpowiedzialne za dużą część reabsorpcji płynu nerkowego i substancji rozpuszczonej i stały się głównymi graczami w adaptacyjnych i nieprzystosowawczych odpowiedziach na AKI (ostre uszkodzenie nerek) [8]. Ze względu na ich wysoką aktywność metaboliczną i zależność od metabolizmu oksydacyjnego, niedokrwienie szybko prowadzi do wyczerpania ATP, akumulacji reaktywnych form tlenu i ostatecznie do apoptozy lub martwicy komórek kanalika bliższego (ryc. 1). Komórki kanalików proksymalnych, które przetrwają zdarzenie niedokrwienne, mają zdolność odróżnicowania, proliferacji i odbudowy uszkodzonych kanalików, odgrywając w ten sposób zasadniczą rolę w procesie adaptacyjnej naprawy w celu przywrócenia funkcji nerek [9-11]. Jednak nieprzystosowawcze komórki kanalików proksymalnych, charakteryzujące się fenotypem prozapalnym i profibrotycznym, są również zaangażowane w progresję choroby z AKI (ostre uszkodzenie nerek) przewlekłej choroby nerek (CKD), złożonego procesu obejmującego stan zapalny, rozrzedzenie naczyń i wytwarzanie macierzy zewnątrzkomórkowej przez aktywowane pericyty i miofibroblasty (ryc. 1) [8, 12]. Technologie firmy Omics badające organizację genomu, ekspresję genów i produkty białkowe, takie jak oznaczenie chromatyny dostępnej dla transpozazy za pomocą sekwencjonowania (ATAC-seq), sekwencjonowanie mRNA i spektrometria mas, znacznie poprawiły molekularny wgląd w odpowiedzi komórkowe zainicjowane przez AKI (ostre uszkodzenie nerek). Ostatnio jednokomórkowe zastosowania tych podejść umożliwiły badanie zdarzeń komórkowych w niespotykanie wysokiej rozdzielczości. Te i inne podejścia multiomiczne dają nadzieję na wszechstronne zrozumienie mechanizmów regulacyjnych rządzących chorobą nerek, otwierając nowe możliwości odkrywania biomarkerów i leków. Ten rękopis zawiera przegląd ostatnich odkryć dotyczących zastosowania technologii omicznej do:uszkodzenie nereknaprawy i rozważa przyszłe zastosowania podejść wieloomowych w celu lepszego zrozumienia i leczeniauszkodzenie nerekorazchoroba nerek.

Rysunek 1:Przegląd AKI i procesów.

Komórki kanalików bliższych są bardzo podatne na niedokrwienie, które może prowadzić do śmierci komórki poprzez apoptozę i regulację (piroptoza, ferroptoza, nekroptoza) oraz nieuregulowaną martwicę i złuszczanie zarówno martwych, jak i żywych komórek do światła kanalika. Przeżywające komórki kanalików proksymalnych (PTC) mogą odróżnicować się i rozmnażać, aby przywrócić architekturę i funkcję nerek; jednak nieprzystosowana naprawa może również prowadzić do progresji choroby do przewlekłej choroby nerek (CKD). Proces ten charakteryzuje się rozrzedzeniem naczyń, różnicowaniem perycytów do miofibroblastów, zwiększonym odkładaniem włóknistej macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), utratą kanalików i przewlekłym stanem zapalnym. Nfkb1 plus nieudane naprawy PTC, charakteryzujące się fenotypem wydzielniczym związanym ze starzeniem się (SASP), prawdopodobnie odgrywają ważną rolę w AKI (ostre uszkodzenie nerek)przejście do CKD.

Genomika

Badania genomiczne mają na celu identyfikację genetycznych podstaw choroby poprzez ukierunkowane na hipotezę sekwencjonowanie genów-kandydatów lub bez-hipotetyczne sekwencjonowanie całego genomu. W tym miejscu skupimy się na badaniach asocjacyjnych całego genomu (GWAS), które wykorzystują bezstronne podejście do mapowania wariantów sekwencji w całym genomie na cechy fenotypowe, takie jak cechy choroby i umożliwiają identyfikację genów kandydujących do badań mechanistycznych (ryc. 2). W porównaniu z innymi cechami choroby, dostępna liczba GWAS badających tło genetyczne AKI (ostre uszkodzenie nerek) jest rzadkością. Wynika to częściowo ze złożonego i heterogenicznego charakteru AKI (ostre uszkodzenie nerek) jako cecha choroby. AKI (ostre uszkodzenie nerek) może być spowodowany wieloma różnymi czynnikami, takimi jak niedokrwienie, posocznica, leki nefrotoksyczne i nefropatia obturacyjna. Aktualne dowody sugerują, że podstawowe mechanizmy molekularne i komórkowe AKI (ostre uszkodzenie nerek) mają komponenty specyficzne dla przyczyny [13,14], ale zgodnie z definicją AKI (ostre uszkodzenie nerek) — zmiana stężenia kreatyniny i diurezy w surowicy — nie uwzględnia różnych AKI (ostre uszkodzenie nerek) powoduje.

Uproszczony przepływ pracy dla badania asocjacyjnego całego genomu (GWAS) jest zilustrowany (u góry po lewej). Aby zbadać związek między wariantami genetycznymi a określoną cechą, przeprowadza się sekwencjonowanie całego genomu lub genotypowanie przy użyciu macierzy polimorfizmu pojedynczego nukleotydu (SNP) w populacji, a do identyfikacji SNP związanych z interesującą cechą stosuje się statystyczne testy powiązania. Do sekwencjonowania pojedynczych komórek RNA (u góry po prawej) przygotowuje się zawiesinę pojedynczych komórek, pojedyncze komórki są izolowane, a cząsteczki mRNA z komórki (lub jądra) są wychwytywane na kulkach w celu dalszej konwersji do cDNA. cDNA jest amplifikowane, a sekwencje określane przez sekwencjonowanie nowej generacji (NGS) i mapowanie sekwencji do genomu. W przypadku analizy epigenomicznej (na dole po prawej), po oznaczeniu chromatyny dostępnej przez transpozazę (ATAC) następuje NGS i mapowanie sekwencji w celu wizualizacji dostępności chromatyny w całym genomie. Hiperaktywna transpozaza Tn5 (Tn5) jest używana do specyficznego cięcia miejsc otwartej chromatyny i jednoczesnego wstawiania adapterów do sekwencjonowania dla NGS. Regiony o zwiększonej dostępności chromatyny są pokazane jako piki ATAC. Do analizy proteomicznej metodą spektrometrii masowej (na dole po lewej) białka są ekstrahowane, trawione na peptydy i jonizowane. W spektrometrze masowym jony są przyspieszane, poddawane działaniu pola magnetycznego, a ich stosunek masy do ładunku jest mierzony, co pozwala na identyfikację i ocenę ilościową białek.

Do tej pory dwa większe GWAS zbadały podłoże genetyczne AKI (ostre uszkodzenie nerek). Pierwsze badanie wykazało związek pojedynczych polimorfizmów jądrowych (SNP) w GRM7 LMCD1-AS1 i locus BBS9 z AKI związanym z operacją pomostowania aortalno-wieńcowego (ostre uszkodzenie nerek) w kohorcie odkrycia 873 pacjentów i kohorcie replikacji [15]. Drugi połączył pacjentów z dwóch odrębnych kohort, aby utworzyć populację 1429 pacjentów w stanie krytycznym i zidentyfikował cztery AKI (ostre uszkodzenie nerek)-skojarzone SNPs w bliskim sąsiedztwie czynnika regulatorowego interferonu 2 (IRF2) lub czynnika transkrypcyjnego T-box 1 (TBX1)[16]. Co ciekawe, IRF2 jest powiązany z piroptozą i odgrywa rolę regulacyjną w układzie odpornościowym [17,18], a TBX1 jest częścią rodziny genów T box, grupy czynników transkrypcyjnych odgrywających ważną rolę w regulacji losu i stanu komórki [19]. ]. Jednak związek między AKI (ostre uszkodzenie nerek) i loci te nie mogły zostać odtworzone w prospektywnej kohorcie krytycznie chorych pacjentów, u których genotypowano specyficznie dla zidentyfikowanych SNP [20]. Podkreśla to konieczność jeszcze większych rozmiarów próbek dla przyszłych AKI (ostre uszkodzenie nerek) GWAS i ilustruje trudności w identyfikacji silnych genetycznych czynników ryzyka chorób heterogenicznych, takich jak AKI (ostre uszkodzenie nerek).

Ponadto analizy loci cech ilościowych ekspresji (eQTL) prawdopodobnie pomogą w przełożeniu spostrzeżeń uzyskanych dzięki GWAS na mechanizmy choroby. Analizy OTL mają na celu identyfikację loci, które wyjaśniają część zmienności ekspresji genów w tkance i mogą być stosowane do łączenia SNP w niekodującym genomie z ekspresją docelowego genu. Na przykład podejście integracyjne łączące GWAS, eOTL i eksperymenty funkcjonalne doprowadziło do identyfikacji genów zaangażowanych w patogenezę PChN [21-23].

Rysunek 2:Schemat wybranych technologii omicznych.

Transkryptomika

Pojawienie się nowych skalowalnych technologii do badania transkryptomu komórek w uszkodzonej nerce zrewolucjonizowało nasze zrozumienie odpowiedzi komórkowych na AKI (ostre uszkodzenie nerek), odkrywając nowe stany komórkowe i podkreślając dynamicznie zmieniający się krajobraz transkrypcyjny naprawy nerki. Sekwencjonowanie mRNA w masie nerkowej w ciągu jednego roku po AKI (ostre uszkodzenie nerek) wykazali specyficzne czasowo zmiany ekspresji genów związane z uszkodzeniem kanalików, proliferacją, naprawą, zwłóknieniem i odpornością [24]. Ta mysz AKI (ostre uszkodzenie nerek) dane z biobanku wykazały, że geny związane ze stanem zapalnym były nadal podwyższone rok po AKI (ostre uszkodzenie nerek), sugerując uporczywy stan zapalny jako czynnik napędzający progresję choroby do PChN. Masowe sekwencjonowanie mRNA rutynowych biopsji przeszczepu nerki pozwoliło na profilowanie krótko- i długoterminowych zmian transkrypcyjnych w ludzkich przeszczepach nerki wywołanych uszkodzeniem niedokrwienno-reperfuzyjnym (IRI) podczas przeszczepu [25]. Wszystkie biopsje nerki pobrane w pierwszych godzinach po reperfuzji wykazały podobny profil transkrypcyjny, charakteryzujący się aktywacją genów natychmiastowej i wczesnej odpowiedzi, z których wiele koduje czynniki regulujące transkrypcję.

Jednak po 3 i 12 miesiącach od przeszczepu można wyznaczyć dwie rozbieżne trajektorie związane z wyzdrowieniem lub progresją PChN. Trajektoria podobna do CKD wykazała regulację w dół w ekspresji genów związanych z biogenezą mitochondrialną oraz regulację w górę genów związanych ze stanem zapalnym i zwłóknieniem, co zaobserwowano w mysim modelu AKI (ostre uszkodzenie nerek) [24,25]. Zarówno badania na myszach, jak i na ludziach sugerują znaczącą rolę aktywności limfocytów T i B oraz pojawiania się centrów tkanki limfoidalnej trzeciorzędowej w odległych następstwach AKI (ostre uszkodzenie nerek) [25,26]. Analiza myszy AKI (ostre uszkodzenie nerek) zbiory danych z biobanku i przeszczepu ludzkiej nerki przemawiają za aktywną autoantygenową aktywnością limfocytów B, promującą progresję choroby poprzez trwałą odpowiedź immunologiczną, rok po AKI (ostre uszkodzenie nerek) [27].

Chociaż sekwencjonowanie masowego mRNA okazało się bardzo pouczające w AKI (ostre uszkodzenie nerek) ta technika nie różnicuje odpowiedzi specyficznych dla typu komórki. Genetyczne podejścia do etykietowania różnych typów komórek zapewniają większą precyzję i dodatkowy wgląd. Na przykład, translacja oczyszczania powinowactwa rybosomów (TRAP) wykorzystuje znakowanie eGFP podjednostki rybosomalnej L10a do identyfikacji określonego podzbioru mRNA w poszczególnych typach komórek podlegających aktywnej translacji [28]. Pierwsze badanie TRAP w AKI (ostre uszkodzenie nerek(ostre uszkodzenie nerek) [29]. Wiele genów związanych z czynnością kanalików nerkowych zostało wyregulowanych w dół 24 godziny po AKI (ostre uszkodzenie nerek). W przeciwieństwie do tego, geny zaangażowane w aktywność szlaku antyapoptotycznego, proliferację komórek i ruch komórek uległy znacznej regulacji w górę. Analiza TRAP komórek kanalików proksymalnych wyróżnionych przez znacznik urazu Kim-1(kodowany przez Hazel) wykazała, że ​​większość komórek Kim-1-dodatnich została z powodzeniem naprawiona dwa tygodnie po AKI (ostre uszkodzenie nerek), chociaż 15% zachowało ekspresję Kim-1 i markera uszkodzenia Sox9 [10], co wskazuje na trwale uszkodzony stan komórek [30]. Analiza klonalna wykazała, że ​​ekspansja klonów Kim-1dodatnich ponownie zaludniła uszkodzone kanaliki proksymalne, potwierdzając model naprawy poprzez odróżnicowanie komórek kanalika proksymalnego, a nie przez specyficzną populację komórek macierzystych/progenitorowych [30]. Transkrypcja FoxMI była silnie podwyższona w komórkach Kim-1-dodatnich kanalików proksymalnych i wykazano, że napędza proliferację kanalików proksymalnych in zitro w sposób zależny od receptora naskórkowego czynnika wzrostu [30]. Podejścia do wysokoprzepustowego sekwencjonowania pojedynczych komórek mRNA, badające profile sekwencjonowania całych komórek mRNA (scRNA-seq) lub transkrypty mRNA zlokalizowane w jądrze (snRNA-seq), radykalnie wzmocniły AKI (ostre uszkodzenie nerek) studia. Podejścia te zapewniają głęboki wgląd molekularny w ekspresję genów na poziomie komórki w połączeniu z potężnymi metodami obliczeniowymi, identyfikując różne typy komórek i stany komórek w całym narządzie [31,32]. scRNA-seq zaczyna się od zawiesiny pojedynczych komórek lub pojedynczych jąder, które są znakowane unikalnymi znacznikami molekularnymi i poddawane lizie (Rysunek 2). mRNA jest następnie poddawany odwrotnej transkrypcji, amplifikacji i sekwencjonowaniu. Badanie snRNA-seq na nerkach poddanych jednostronnej niedrożności moczowodu (UUO) zidentyfikowało dwa nowe skupiska komórek kanalika proksymalnego 14 dni po UUO, z których jeden miał silną sygnaturę proliferacyjną, podczas gdy drugi eksprymował geny zaangażowane w zapalenie i ruchy komórek, takie jak Ccl2, II34, Cxcll i Dock10 [33].

Podobna populacja komórek jest widoczna w badaniu snRNA-seq profilującym uszkodzoną nerkę po IRI [34]. W pierwszych godzinach po IRI dochodzi do regulacji w dół prawidłowej ekspresji genów kanalików proksymalnych i wyraźnej odpowiedzi transkrypcyjnej obejmującej wczesne geny natychmiastowe i znane markery uszkodzenia HuverI i Krt20 [24,25,34]. Drugiego dnia po IRI duża część komórek kanalika bliższego wykazywała profil proliferacyjny lub odzyskiwała sygnaturę transkrypcyjną t charakterystyczną dla zróżnicowanych komórek kanalika bliższego. Jednak niewielka populacja prozapalnych, profibrotycznych komórek, charakteryzująca się ekspresją Vcaml w większości komórek i koekspresją Cal2 w podzbiorze, przewidywała aktywność czynników transkrypcyjnych z rodziny NF-kB. Podczas gdy proliferacja komórek kanalików proksymalnych zmniejszyła się dwa tygodnie po AKI (ostre uszkodzenie nerek), prozapalne, profibrotyczne komórki kanalików proksymalnych wzrosły, co sugeruje związek między nieudaną naprawą kanalików a obserwowaną prozapalną populacją profibrotycznych komórek (Figura 1). Co ciekawe, analiza dekonwolucji badań sekwencjonowania RNA w masie sugerowała, że ​​podobna populacja rosła wraz z normalnym starzeniem się nerek i po przeszczepie.

Zgodnie ze wspomnianym badaniem [34], genetycznie selektywne skupienie się na uszkodzonych komórkach kanalika bliższego cztery tygodnie po łagodniejszym AKI (ostre uszkodzenie nerek), używając myszy Krt20-T2A-CRE-ERT2 do znakowania i oczyszczania uszkodzonych komórek kanalika bliższego, wykazali podobny fenotyp uszkodzonych komórek: VcamI/Cal2 plus populacja uszkodzonych komórek kanalika bliższego, który dodatkowo wyróżniał się silnym działaniem prozapalnym ( np. Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) i profibrotyczny (np. Pdgfb, ColAal) sygnatura transkrypcyjna, z wyraźną aktywacją sygnalizacji NF-kB, TNF i AP-1 [35]. Te uszkodzone komórki kanalika proksymalnego miały cechy fenotypu wydzielniczego związanego ze starzeniem (SASP) zidentyfikowanego w innych uszkodzonych narządach (ryc. 1) [35, 36]. W przeciwieństwie do poprzedniego AKI (ostre uszkodzenie nerek) [12], nie zaobserwowano istotnego zatrzymania cyklu komórkowego G2/M w tej populacji. Dodatkowe eksperymenty mapowania losu komórek w cyklach wykazały, że większość komórek kanalika proksymalnego VcamI plus /Cal2 plus, zlokalizowanych na granicy korowo-rdzeniowej, powiązano z proliferacją komórek kanalika proksymalnego w pierwszych dniach po AKI (ostre uszkodzenie nerek). Jednak korowe komórki kanalika proksymalnego Vuamt plus /Cu2 prawdopodobnie reprezentowały wtórne miejsca uszkodzenia, niezwiązane z wczesną naprawą kanalika proksymalnego związaną z replikacją.

kompleksowy atlas odpowiedzi na uszkodzenie na jednostronną reperfuzję niedokrwienia (UIR) wykonującą sekwencję scRNA w wielu punktach czasowych od pierwszego dnia do 14 dnia po UIR ujawnił podwyższoną ekspresję w uszkodzonych komórkach Sox4 i Cd24a, genów zidentyfikowanych do roli w rozwoju nerek [37]. Opisano również nową populację komórek, "komórki o mieszanej tożsamości", wykazujące koekspresję kanalików proksymalnych (S134a7), grubej kończyny wstępującej (Umod) lub przewodu zbiorczego (Agp2). Dane scRNA-seq z mysich modeli nefropatii kwasu foliowego i UUO wykazały, że zmniejszona ekspresja markerów różnicowania, takich jak nośniki substancji rozpuszczonych, w uszkodzonych komórkach kanalika proksymalnego jest związana z regulacją w dół genów zaangażowanych w procesy metaboliczne, takie jak utlenianie kwasów tłuszczowych [38]. Receptor jądrowy Esrra został zidentyfikowany jako ważny łącznik między różnicowaniem kanalików proksymalnych a metabolizmem, ponieważ bezpośrednio regulował ekspresję genów metabolicznych i specyficznych dla kanalików proksymalnych. To i inne badania scRNA-seq również podkreśliły wcześniej niedocenianą różnorodność komórek odpornościowych w chorej nerce [38, 39].

Ważnym ograniczeniem wszystkich omawianych technik transkryptomicznych jest brak informacji przestrzennej. Nowe platformy transkryptomiczne umożliwiają teraz przestrzenną wizualizację ekspresji mRNA poprzez przyłączanie i mocowanie skrawków tkanek bezpośrednio na sondach z unikalnym kodem kreskowym, obrazowanie skrawków tkanek i wykonywanie odwrotnej transkrypcji in situ, a następnie uwolnienie sondy i sekwencjonowanie [40]. Zsekwencjonowane transkryptomy można następnie zmapować z powrotem na obrazowany skrawek tkanki. Ta technologia transkryptomii przestrzennej umożliwiła specyficzną lokalizację dwóch transkrypcyjnie odmiennych typów komórek segmentu kanalika bliższego S3 [41] w korze i zewnętrznym pasie rdzenia zewnętrznego [42]. W różnych mysich AKI (ostre uszkodzenie nerek) modele, dekonwolucja poszczególnych przestrzennych plam transkryptomicznych przy użyciu danych scRNA-seq ujawniła AKI (ostre uszkodzenie nerek) specyficzne dla modelu wzorce naciekania komórek układu odpornościowego i umożliwiły identyfikację odrębnej populacji komórek kanalika proksymalnego z ekspresją Af, które kolokalizują się z neutrofilami po IRI [43]. Badania te ilustrują potencjał omiki przestrzenno-czasowej w przewidywaniu mikrośrodowiskowych kontroli odpowiedzi komórkowych po AKI (ostre uszkodzenie nerek).

Epigenomika

Specyficzne dla typu komórki programy zróżnicowanej ekspresji genów zależą od epigenetycznej modyfikacji chromatyny (na przykład metylacja i acetylacja histonów) i DNA (na przykład przez metylację cytozyny w resztach CpG) w odpowiedzi na regulatory transkrypcji wiążące DNA i powiązane czynniki. Gromadzący się materiał dowodowy sugeruje ważną rolę regulacyjną mechanizmów epigenetycznych w AKI (ostre uszkodzenie nerek) i naprawy nerek [44-46]. Biorąc pod uwagę doskonałe szczegółowe recenzje[44-47], tylko pokrótce podkreślimy wybrane ostatnie badania epigenomiczne w AKI (ostre uszkodzenie nerek) Badania.

Positively charged histone proteins provide the core for packing negatively charged DNA, through electrostatic interactions, into nucleosomes — the structural unit of chromosomes[44]. Modifications to the amino-terminal tails of histones alter the chromatin structure or recruit chromatin modifiers, thus altering gene expression. An unbiased mass spectrometry screen of 63 different histone marks in the healthy kidney revealed widespread histone modifications with a compartment-specific pattern [48]. In this bulk tissue analysis, few histone marks showed a quantitatively significant change >5 proc. po UUO. Co ciekawe, zgłoszono uzupełniające się zmiany w różnych znakach na tym samym aminokwasie, co sugeruje skoordynowaną odpowiedź na AKI (ostre uszkodzenie nerek) [48].

Wyróżnione promotory H3K4me3- porównano ze wzmacniaczami oznaczonymi H3K27ac po AKI (ostre uszkodzenie nerek) przy użyciu immunoprecypitacji chromatyny i sekwencjonowania nowej generacji (ChIP-seq) [49]. Witryny z aktywnym wzmacniaczem wykazały bardziej dynamiczną zmianę w odpowiedzi na AKI (ostre uszkodzenie nerek). Modyfikacje chromatyny w miejscach aktywnego wzmacniacza były związane ze zmienionym wiązaniem czynników transkrypcyjnych, takich jak Hnf4a, Gr i Stat3.Hnf4a jest kluczowym czynnikiem transkrypcyjnym w specyfikacji i różnicowaniu komórek kanalika proksymalnego [50]. Wiązanie Hnf4a z elementami wzmacniacza aktywnymi w prawidłowym stanie komórki kanalika proksymalnego zmniejszyły się w odpowiedzi na AKI (ostre uszkodzenie nerek) [49]. To prawdopodobnie przyczynia się do AKI (ostre uszkodzenie nerek) wywołane odróżnicowanie uszkodzonych komórek kanalika bliższego. Stat3 jest kluczowym regulatorem transkrypcji w sieci zapalnej z NF-kB i białkiem aktywującym -1(AP-1)czynnikami regulacyjnymi [51]. Aktywacja szlaku AP-1 jest wysoce konserwowana jako początkowa odpowiedź na mysz AKI (ostre uszkodzenie nerek) i IRI związany z przeszczepem ludzkiej nerki [24, 25]. Zaangażowanie Stat3 w locus Junb w odpowiedzi na AKI (ostre uszkodzenie nerek) sugeruje rolę w inaktywacji Stat3 składników transkrypcyjnych AP-1[49]. Co więcej, hamowanie aktywacji wzmacniacza zależnej od bromodomeny i terminalnej (BET) zaburzało powrót do zdrowia po AKI (ostre uszkodzenie nerek), podkreślając ważną rolę dynamiki wzmacniacza w AKI (ostre uszkodzenie nerek)naprawa[49].

ATAC-seq stał się najczęściej stosowaną metodologią oceny otwartości chromatyny i wnioskowania o aktywności regulatorowych i transkrybowanych regionów genomowych. Technologia ATAC-seq szybko przeszła z wrażliwych testów na tkance zbiorczej z zaledwie 500 komórkami do analizy pojedynczego jądra, a ostatnio do równoległej analizy stanu chromatyny i ekspresji genów w tej samej komórce [41, 52-54]. ATAC-seq wykorzystuje nadaktywną transpozazę Tn5 do cięcia na otwartej chromatynie i znakowania DNA z adapterami DNA w celu ułatwienia konstrukcji biblioteki i sekwencjonowania DNA (Figura 2). Biorąc pod uwagę tylko dwa miejsca docelowe w każdym genomie, dane ATAC są rzadkie, a badania snATAC wykorzystują podejścia obliczeniowe do grupowania komórek o podobnych profilach snATAC i integracji z niezależnie wygenerowanymi zestawami danych sc lub snRNA-seq. Niedawne badanie sprofilowało niejednorodność komórkową w próbkach nerek zdrowego dorosłego człowieka za pomocą zintegrowanych obliczeniowo zestawów danych snATAC-seq i snRNA-seq [55]. Co ciekawe, w badaniu zidentyfikowano subpopulację komórek kanalika proksymalnego z ekspresją VCAM1-, które wykazywały zmniejszoną aktywność HNF4A i zwiększoną aktywność członków rodziny NF-KB, częściowo przypominających prozapalne, profibrotyczne uszkodzone komórki kanalika proksymalnego zidentyfikowane w kilku nerkach myszy. tygodnie po AKI (ostre uszkodzenie nerek) [34,35,55]. Obfitość tej populacji komórek rosła z czasem u starzejących się myszy i była wyższa w ludzkich nerkach z cukrzycą niż u zdrowych osobników kontrolnych. W związku z tym wydaje się, że niektóre odpowiedzi komórkowe są zachowane w przypadku różnych chorób nerek i u różnych gatunków. Jednak w jakim stopniu ta populacja komórek przyczynia się do związanej z wiekiem utraty funkcji nerek i?choroba nerekpostęp wymaga dalszych badań.

Wykrywanie typu komórki i przewidywania regulacyjne są ulepszone przez koanalizę snRNA-seq i snATAC-seq w tym samym jądrze [41]. Ta technika została ostatnio wykorzystana do scharakteryzowania zdrowej ludzkiej tkanki nerkowej i AKI (ostre uszkodzenie nerek) i biopsje CKD ujawniające nowe zróżnicowanie komórek w prawidłowej nerce i podkreślające porównywalne stany uszkodzenia w AKI myszy i człowieka (ostre uszkodzenie nerek), a także zmienione stany grubych komórek wstępujących kończyn, charakteryzujące się ekspresją Proml i Dcd2 [56]. Dodatkowo transkryptomika przestrzenna lokalizowała miofibroblasty i komórki układu odpornościowego w próbkach CKD w miejscach uszkodzenia kanalików proksymalnych [56].

Cistanche przywraca zaburzenia czynności nerek

Proteomika i metabolomika

Badanie białek i metabolitów w osoczu, moczu i tkance nerek za pomocą elektroforezy żelowej i spektrometrii mas uzupełnia narzędzia transkryptomiczne i epigenomiczne. Spektrometria mas może identyfikować i oznaczać ilościowo makrocząsteczki (np. białka) i metabolity komórkowe w złożonej tkance, mierząc molekularnie różne właściwości ładunku masowego cząsteczek zjonizowanych i poddanych działaniu pola magnetycznego lub elektrycznego (ryc. 2) [57]. Wiele badań proteomicznych ukierunkowano na identyfikację biomarkerów AKI (ostre uszkodzenie nerek)(dokładnie sprawdzone w innym miejscu[57-59]). Na przykład wykazano, że poziomy inhibitora metaloproteinazy w tkance moczowej-2(TIMP2) i białka wiążącego IGF-7(IGFBP7) pozwalają przewidzieć zgon i niewydolność nerek u krytycznie chorych pacjentów z AKI (ostre uszkodzenie nerek) [60]. Leczenie pacjentów ze współistniejącym TIMP2 i IGFBP7 za pomocą środków opieki podtrzymującej zgodnie z wytycznymi Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) dla pacjentów z wysokim ryzykiem AKI(ostre uszkodzenie nerek) zmniejszone AKI (ostre uszkodzenie nerek) rozwój w ciągu pierwszych 72 godzin po operacji kardiochirurgicznej, ale nie wpływał na śmiertelność i konieczność leczenia nerkozastępczego [61]. Te wyniki i wnioski z innych badań biomarkerów są zachęcające; jednak idealny biomarker lub bardziej prawdopodobny panel biomarkerów dla AKI (ostre uszkodzenie nerek)ocena ryzyka, ukierunkowana AKI (ostre uszkodzenie nerek)profilaktyka, diagnostyka predykcyjna, a być może nawet wskazówki terapeutyczne w rutynowej praktyce klinicznej nie zostały jeszcze zidentyfikowane.

Poza dążeniem do efektywnego AKI (ostre uszkodzenie nerek) biomarkery, proteomika może być również stosowana do badania AKI (ostre uszkodzenie nerek) patofizjologia [62]. Badanie przedkliniczne AKI wywołanej cisplatyną (ostre uszkodzenie nerek)ujawnili słabą korelację między transkryptomem a proteomem w uszkodzonej nerce [63]. Badanie sugerowało, że rozbieżność między tymi dwoma podejściami była spowodowana zmianami białkowymi w kompartmencie zewnątrzkomórkowym, na przykład w układzie dopełniacza [63]. Co ciekawe, stopień dysocjacji między ekspresją RNA i białek był silnie skorelowany z ciężkością urazu, na co wskazują poziomy kreatyniny i azotu mocznikowego we krwi [63]. Podkreśla to znaczenie zmian potranskrypcyjnych w AKI (ostre uszkodzenie nerek)odpowiedź.

Ostatnio profilowanie proteomiki prawie pojedynczej komórki, które umożliwia ilościowe pomiary proteomiczne od zaledwie 10 do 100 laserowych wychwytywania komórek nerki poddanych mikrodysekcji, zostało wykorzystane do identyfikacji białek specyficznych dla kłębuszkowego i proksymalnego przedziału kanalików w zdrowej nerce [64]. . Niektóre z najbardziej wzbogaconych białek specyficznych dla przedziału dobrze korelowały z ekspresją odpowiedniego genu odpowiednio w podocytach i skupisku kanalików proksymalnych zestawu danych scRNA-seq. Co więcej, na jednym skrawku tkanki można wykryć jednocześnie ponad 40 markerów białkowych za pomocą obrazowania metodą cytometrii mas (IMC), co pozwala na badanie proteomu w kontekście przestrzennym [65]. IMC zdrowej ludzkiej nerki ujawniło nieoczekiwaną heterogeniczność komórkową i zidentyfikowało rzadki typ komórek megalinowych/akwaporyny-1/wimentyny (Lrp2/Aqp1/Vim) potencjalnie odzwierciedlający uszkodzony (Vim plus) kanalik proksymalny (Lrp2 plus /Aqp1 plus )stan komórki [65]. Zastosowanie tych technologii do AKI (ostre uszkodzenie nerek) badania dostarczą kluczowych informacji na temat proteomicznego krajobrazu urazów i napraw.

Badanie metabolomu nerek (cząsteczki mniejsze niż 1500 Da [62]) pogłębiło zrozumienie AKI (ostre uszkodzenie nerek) patofizjologia.

Metabolomiczna

profilowanie uszkodzonej tkanki nerki za pomocą chromatografii cieczowej i spektrometrii mas doprowadziło do stwierdzenia, że ​​synteza dinukleotydu de neonikotynoamidoadeninowego (NAD plus) jest zaburzona w AKI (ostre uszkodzenie nerek) [66]. Regulacja w dół mitochondrialnego regulatora biogenezy PGCla w AKI (ostre uszkodzenie nerek) spowodowało lokalne zmniejszenie NAD plus, podczas gdy nadekspresja PGC1 zwiększyła poziomy NAD plus w nerkach i zmniejszyła AKI (ostre uszkodzenie nerek) [66]. Bezstronne badania moczu wykazały również podwyższony poziom NAD plus prekursor chinoliny w moczu myszy po IRI [67] wynikający ze zmniejszenia nerkowej fosforybozylotransferazy chinoliny (QPRT), kluczowego enzymu w syntezie NAD plus de novo [67]. Zmniejszone nerkowe poziomy QPRT były związane z wyższym AKI(ostre uszkodzenie nerek) podatność [67]. Doustne leczenie nikotynamidem uratowało AKI (ostre uszkodzenie nerek) wywołany NAD nerek plus niedobór biosyntezy u myszy, a małe badanie kliniczne fazy 1 zasugerowało potencjalną korzyść nerkową z leczenia nikotynamidem u pacjentów poddawanych operacji kardiochirurgicznej [67]. Metabolomiczne badanie biopsji ludzkich przeszczepów nerki przed i po reperfuzji wykazało wyraźnie inny profil metaboliczny przeszczepów z opóźnioną funkcją przeszczepu w przyszłości w porównaniu z przeszczepami bez opóźnionej funkcji przeszczepu [68]. Przeszczepy z opóźnioną funkcją przeszczepu w przyszłości charakteryzowały się utrzymującym się katabolizmem ATP/GTP, co sugeruje wczesne przywrócenie homeostazy energetycznej jako cel terapeutyczny w AKI (ostre uszkodzenie nerek) profilaktyka [68]. Obrazowanie metodą spektrometrii mas (MSI) jest potężną techniką stosowaną do wizualizacji przestrzennego rozmieszczenia metabolitów, białek lub lipidów z rozdzielczością komórkową i subkomórkową [69]. Analiza MSI uszkodzonych nerek wykazała, że ​​lipidomiczne e stosowano ch coll .x7rr do różnicowania między łagodnym i ciężkim niedokrwieniem już 2 godziny po urazie [70,71].

Wnioski i perspektywa

Dostępne technologie omiczne napędzają nasze zrozumienie AKI (ostre uszkodzenie nerek) i naprawy. Integracja lub jednoczesne pozyskiwanie różnych zestawów danych omicznych jeszcze bardziej poprawi wgląd w AKI (ostre uszkodzenie nerek), a potwierdzające wyniki z podejść ortogonalnych dadzą dodatkową pewność zidentyfikowanym mechanizmom. Dzięki inwestycji NIDDK w kilka dużych konsorcjów, w tym Projekt Medycyny Precyzyjnej Nerki i Program Odbudowy Nerki, pojawiają się nowe spostrzeżenia, narzędzia i zasoby informacyjne. Wielkim wyzwaniem ery „dużych danych” jest wywnioskowanie biologicznie istotnych mechanizmów z bardzo złożonych zbiorów danych w celu demokratyzacji dostępu do tych danych za pomocą przyjaznych dla użytkownika platform przeglądania i analizy danych, a ostatecznie przełożenie naszych rosnących spostrzeżeń patofizjologicznych na diagnostyczne i strategie terapeutyczne poprawiające opiekę nad pacjentem i AKI (ostre uszkodzenie nerek) wyniki.

Oświadczenie o sprzecznym interesie

Autorzy deklarują następujące interesy finansowe/relacje osobiste, które można uznać za potencjalne interesy konkurencyjne: APM jest doradcą naukowym w zakresie podejść do chorób ludzkich związanych z nerkami w firmach Novartis, eGenesis, Aviva i Trestle Biotherapeutics.

Podziękowanie

Przepraszamy wszystkich badaczy, których prace nie mogły być dyskutowane ze względu na ograniczenia przestrzenne. Dziękujemy dr Pietro E.Cippà za krytyczne przeczytanie rękopisu. LMS Gerhardt otrzymał stypendium podoktoranckie (GE 3179/1-1) przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG), Niemcy. Praca w laboratorium AP McMahona jest wspierana grantami NIDDK w Stanach Zjednoczonych (DK126024,54364,126925) i ChanZuckerberg Initiative w Stanach Zjednoczonych (CZIF2019-002430).

Bibliografia

Szczególnie interesujące prace, opublikowane w okresie recenzji, zostały wyróżnione jako:

1. GM Chertow, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Ostre uszkodzenie nerek, śmiertelność, długość pobytu i koszty pacjentów hospitalizowanych.JASN (J Am Soc Nephrol) 2005, 16:3365-3370.

2. Mehta RL, Cerda J, Burdmann EA, Tonelli M, Garcia-Garcia G, Jha V, Susantitaphong P, Rocco M, Vanholder R, Sever MS, et al: International Society of Nefrology's 0by25 Initiative forostre uszkodzenie nerek(zero możliwych do uniknięcia zgonów do 2025 r.): sprawa praw człowieka w nefrologii.Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Hsu RK, Hsu CY: rolaostre uszkodzenie nerekw przewlekłej chorobie nerek 3.H. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.

4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Ostre uszkodzenie nereki przewlekła choroba nerek jako zespoły powiązane. N Engl J Med 2014,371:58-66.

5. Legrand M, Bell S, Fomi L, Joannidis M, Koyner JL, Liu K, 5, 1; Cantaluppi V: Patofizjologia COVID -19-skojarzonaostre uszkodzenie nerek. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Ten przegląd zawiera szczegółowy przegląd aktualnej literatury związanej z COVID -19-związanymostre uszkodzenie nerek.

6. Zuk A, Bonventre JV: Ostatnie postępy w sprawieostre uszkodzenie nerek6. 2 i jego konsekwencje oraz wpływ na przewlekłą chorobę nerek. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Ten doskonały przegląd podsumowuje mechanizmy patofizjologiczne leżące u podstaw przejścia od ostrego do przewlekłego uszkodzenia nerek i podkreśla rolę dysfunkcji mitochondriów, zapalenia, starzenia i śmierci komórek w tym procesie.

7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW i in. Stany Zjednoczone. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 Annual Data Report dostępny pod adresem: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_w_nas.pdf. (Dostęp 11 kwietnia 2021 r.).

8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mechanizmy nieadaptacyjnej 8. naprawy po AKI (ostre uszkodzenie nerek) prowadzące do przyspieszonego starzenia się nerek i PChN. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD: 9. Zróżnicowane komórki nabłonka nerek naprawiają uszkodzone kanaliki proksymalne. Proc Natl Acad Sci USA A 2014,111:1527-1532. 10.Kumar S, Liu J,Pang P, Krautzberger AM, Reginensi A,

10. Akiyama H, Schedl A, Humphreys BD, McMahon AP: Aktywacja Sox9 podkreśla komórkową ścieżkę naprawy nerek w ostrej nerce ssaka.Cell Rep 2015,12:1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9-dodatnie komórki progenitorowe odgrywają kluczową rolę w regeneracji nabłonka kanalików nerkowych u myszy. Przedstawiciel komórkowy 2016,14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Zatrzymanie cyklu komórkowego nabłonka w G2/M pośredniczy w zwłóknieniu nerek po urazie. Środa 2010, 16:535-543.

13. Xu K, Rosenstiel P, Paragas N, Hinze C, Gao X, Shen TH, Werth M, Forster C, Deng R, Bruck i in.: Unikalne programy transkrypcyjne identyfikują podtypy AKI (ostre uszkodzenie nerek).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.

14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogeniczność zmian epigenetycznych przy niedokrwieniu/reperfuzji i wywołanej endotoksynąostre uszkodzenie nerekgeny. Kidney Int 2015, 88:734-744.

15. Stafford-Smith M, Li YJ, Mathew JP, Li YW, Ji Y, Phillips-Bute B, Milano CA, Newman MF, Kraus WE, Kertai MD, et al.: Badanie asocjacyjne całego genomuostre uszkodzenie nerekpo operacji pomostowania aortalno-wieńcowego identyfikuje loci podatności. Nerki Int 2015,88:823-832.

16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, Belcher JM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD, et al.: Badanie asocjacyjne całego genomu w celu identyfikacji polimorfizmów pojedynczego nukleotyduostre uszkodzenie nerek.Am J Respir Crit Care Med 2017, 195:482-490.

17. Kayagaki N, Lee BL, Stowe IB, Kornfeld OS, O'Rourke K, Mirrashidi KM, Haley B, Watanabe C, Roose-Girma M, Modrusan Z i wsp.: IRF2 transkrypcyjnie indukuje ekspresję GSDMD dla pyroptozy. Sygnał Sci 2019, 12.

18. Matsuyama T, Kimura T, Kitagawa M, Pfeffer K, Kawakami T, Watanabe N, Kündig TM, Amakawa R, Nishihara K, Wakeham A: Ukierunkowane zakłócenie IRF-1 lub IRF-2 nieprawidłowa indukcja genu typu IIFN i nieprawidłowy rozwój limfocytów. Komórka 1993, 75: 83-97.

19. Papaioannou VE: Rodzina genów T-box: pojawiające się role w rozwoju, komórkach macierzystych i raku. Rozwój 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶Brak związku między genetycznymi loci w pobliżu IRF2 i TBX1 iostre uszkodzenie nerekw krytycznie chorym.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.