Część 1 Różnorodność fenotypowa i specjalizacja metaboliczna komórek śródbłonka nerki

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Sébastien J. Dumas^1,6, Elda Meta^1,6, Mila Borri^1,6, Yonglun Luo ^2,3, Xuri Li⁴, Ton J. Rabelink⁵i Petera Carmelieta^1,4

Cistanche tubulosa zapobiega chorobie nerek, kliknij tutaj, aby pobrać próbkę

Streszczenie |

Złożone życie wielokomórkowe ssaków opiera się na funkcjonalnej współpracy różnych narządów dla przetrwania całego organizmu. Thenerkiodgrywają kluczową rolę w tym procesie poprzez utrzymanie homeostazy objętości i składu płynów, co umożliwia innym narządom wypełnianie ich zadań. Śródbłonek nerki wykazuje cechy fenotypowe i molekularne odróżniające go od śródbłonka innych narządów. Co więcej, układ naczyniowy nerki dorosłego obejmuje zróżnicowane populacje w większości nieaktywnych, ale nie nieaktywnych metabolicznie, komórek śródbłonka (EC), które znajdują się w obrębienerkakłębuszki, kora i rdzeń. Każda z tych populacji wspiera określone funkcje, na przykład filtrację osocza krwi, reabsorpcję i wydzielanie wody i substancji rozpuszczonych oraz koncentrację moczu. Profilowanie transkrypcyjne tych różnorodnych populacji EC sugeruje, że przystosowały się one do lokalnych warunków mikrośrodowiskowych (niedotlenienie, naprężenie ścinające, hiperosmolarność), umożliwiając im wspieranie funkcji nerek. Ekspozycja ECs na czynniki angiogenne pochodzące z mikrośrodowiska wpływa na ich metabolizm i utrzymuje sięnerkarozwoju i homeostazy, podczas gdy czynniki endokrynologiczne pochodzące z EC zachowują odrębne nisze mikrośrodowiskowe. W kontekście choroby nerek nerkowe EC wykazują zmiany w ich metabolizmie i fenotypie w odpowiedzi na zmiany patologiczne w lokalnym mikrośrodowisku, co dodatkowo sprzyja dysfunkcji nerek. Zrozumienie różnorodności i specjalizacji nerkowych EC może zapewnić nowe możliwości leczenia chorób nerek oraznerkaregeneracja.

Układ naczyniowy ssaków składa się z dwóch połączonych i silnie rozgałęzionych sieci, które przenikają całe ciało — każda z nich ma określone role. Układ naczyniowy krwi dostarcza tlen i składniki odżywcze do tkanek miąższowych i ułatwia usuwanie odpadów, nadzór immunologiczny i transport komórek immunologicznych, koagulację oraz wytwarzanie sygnałów hormonalnych w celu utrzymania i regeneracji tkanek1. Natomiast układ naczyń limfatycznych odprowadza wynaczyniony płyn śródmiąższowy z przepuszczalnych naczyń włosowatych z powrotem do żył i ułatwia transport komórek odpornościowych i transport lipidów². Wszystkie naczynia krwionośne są wyścielone komórkami śródbłonka krwi (BEC, dalej określanymi jako EC), natomiast komórki śródbłonka limfatycznego (LEC) tworzą najbardziej wewnętrzną warstwę naczyń limfatycznych — przy czym każda populacja wspiera swoje specyficzne dla układu naczyniowego zadania. Jednak heterogeniczność śródbłonka wykracza daleko poza szerokie różnice między śródbłonkiem krwi i limfy. W szczególności EC z różnych narządów wykazują unikalne profile molekularne, które wspierają określone funkcje narządu^3–6. Thenerkakorzyściz wysoce wyspecjalizowanego układu naczyniowego, który jest ściśle związany z systemem nabłonkowym nerek⁷. W szczególności, fenotypowo różne populacje komórek śródbłonka nerki (REC) współistnieją w trzech przedziałach anatomicznych i funkcjonalnychnerka, kłębuszków nerkowych, kory i rdzenia kręgowego — gdzie wspierają określone zadania nerek8,9. Co ważne, postęp technologiczny umożliwił badanie heterogeniczności REC na poziomie pojedynczej komórki, zapewniając nowy wgląd w ich wyspecjalizowaną rolę w zdrowiu i chorobie nerek^6,10,11.

Thenerkama kluczowe znaczenie dla utrzymania homeostazy organizmu, regulując objętość i skład płynów ustrojowych⁷. Nerki otrzymują 20-25% pojemności minutowej serca i wykazują stereotypową architekturę naczyń krwionośnych. Taka architektura umożliwia nie tylko dostarczanie tlenu i składników odżywczych do organizmunerki, ale także umożliwia udział w filtracji osocza krwi, reabsorpcję jonów i metabolitów z filtratu, wydzielanie jonów i metabolitów w moczu pierwotnym oraz stężenie moczu^7,8. Te wysoce zaaranżowane procesy umożliwiają precyzyjne dostrojenie objętości płynu pozakomórkowego, ciśnienia krwi, osmolalności i stężenia jonów^7,8. Nerki regulują również poziom krążących metabolitów, nie tylko poprzez wydalanie produktów przemiany materii, ale także poprzez uwalnianie glukozy (poprzez glukoneogenezę) i aminokwasów, na przykład¹². Narządy ssaków nieustannie wymieniają metabolity poprzez krążenie, z selektywnym wykorzystaniem w celu wspierania własnych aktywności metabolicznych¹².

W związku z tym funkcje metaboliczne EC w różnych narządach prawdopodobnie wykazują różnice specyficzne dla danego narządu, co poparto wynikami analiz metabolicznych transkryptomów EC w różnych narządach⁶. Co więcej, plastyczność metaboliczna EC pozwala im dostosowywać się i reagować na zmiany środowiskowe w odniesieniu do ich potrzeb i funkcji metabolicznych3,13. Pojawiające się dowody sugerują, że wyspecjalizowane RECnerkadostosować transkryptom metaboliczny, aby wspierać funkcję nerek¹⁰.

Dysfunkcja REC towarzyszy ostrej lub postępującej utracienerkafunkcjonować^14,15. Ta dysfunkcja jest związana ze zwiększeniem skurczu naczyń tętniczych i zmniejszeniem przepływu krwi przez nerki, nabyciem fenotypów prozapalnych i prozakrzepowych, które sprzyjają adhezji i naciekaniu komórek układu odpornościowego oraz tworzeniu się mikroskrzeplin, dysocjacji perycytów ściennych ze śródbłonka. warstwy, rozpad bariery śródbłonkowej powodujący obrzęk śródmiąższowy, rozrzedzenie naczyń włosowatych okołokanalikowych (co sprzyja niedotlenieniu nerek) oraz przejście śródbłonkowo-mezenchymalne, które przyczynia się do zwłóknienia nerek16,17, co sugeruje, że śródbłonek może być celem ochrony przed nerkami uraz i (lub) regenerację funkcji nerek.

Ta recenzja podsumowuje nasze obecne rozumienienerkaunaczynienie, koncentrując się na najnowszych postępach w zrozumieniu fenotypowej, molekularnej i metabolicznej heterogeniczności REC w odniesieniu do ich mikrośrodowiska. Omawiamy również potencjalne zastosowanie ukierunkowanego metabolizmu REC jako strategii terapeutycznej w:nerkachorobylub do regeneracji nerek.

Kluczowe punkty

• Śródbłonek różni się między różnymi narządami, prawdopodobnie w celu wspierania różnych funkcji narządów.

• Wiele wyspecjalizowanych fenotypów komórek śródbłonka współistnieje w kłębuszkach nerkowych, korze i rdzeniu nerkowym; działają one na rzecz filtracji kłębuszkowej, reabsorpcji i wydzielania jonów i metabolitów oraz stężenia moczu.

• Różne lokalne mikrośrodowiska wnerkakształtować molekularną i metaboliczną niejednorodność śródbłonka nerki; odwrotnie, czynniki endokrynologiczne pochodzące z komórek śródbłonka podtrzymują nisze różnychnerkamikrośrodowiska.

• Metabolizm komórek śródbłonka nerek może ulec zmianie w kontekścienerkaurazy i choroby, częściowo w wyniku zmian w mikrośrodowisku.

• Lepsze zrozumienie różnorodności fenotypowej i specjalizacji metabolicznej komórek śródbłonka nerki może pomóc w identyfikacji nowych celów dlaleczenienerkachorobyoraznerkaregeneracja.

Niejednorodność śródbłonka nerkowego

Anatomia naczyń nerkowych

Thenerkazaopatrywana jest w krew przez tętnicę nerkową, która po wejściu donerkaprzez wnękę nerkową rozgałęzia się na tętnice segmentowe, międzypłatowe, łukowate i międzypłatkowe (ryc. 1a) i ostatecznie tętniczki doprowadzające, które są naczyniami o dużej oporności, odpowiedzialnymi za kontrolę przepływu krwi kłębuszkowej i filtracji kłębuszkowej (GFR). 18. Z tętniczek doprowadzających krew wchodzi do kępki kłębuszkowej — sieci silnie okienkowanych naczyń włosowatych kłębuszków nerkowych, w których ultrafiltracja osocza krwi występuje u dorosłych ludzi z szybkością ~120–140 ml/min, umożliwiając przenikanie substancji rozpuszczonych o niskiej masie cząsteczkowej z kłębuszków nerkowych. kapilary do przestrzeni Bowmana¹⁹. Po przefiltrowaniu frakcji osocza krew opuszcza kępkę kłębuszków przez tętniczki odprowadzające w celu unaczynienia dystalnych i proksymalnych kanalików krętych, tworząc korową sieć naczyń włosowatych okołokanalikowych. Krew w naczyniach włosowatych okołokanalikowych jest wzbogacona w substancje rozpuszczone o wysokiej masie cząsteczkowej i ma niską zawartość płynów z powodu utraty płynu podczas ultrafiltracji kłębuszkowej. Tak więc naczynia włosowate okołokanalikowe są przeznaczone do reabsorpcji wody, jonów i niezbędnych składników odżywczych z proksymalnego^7,20i dystalne kanaliki²¹. Kilka jonów, takich jak H plus (ref. 22) i K plus (ref. 23), a także molekuły, takie jak kreatynina²⁴i metabolity leków²⁵— które nie zostały całkowicie przefiltrowane przez naczynia włosowate kłębuszków nerkowych, ale nadal wymagają usunięcia z organizmu — przechodzą z naczyń włosowatych okołokanalikowych do komórek nabłonka proksymalnego20 lub dystalnych kanalików w celu ich wydzielenia i wydalenia z moczem21. Tętnice odprowadzające z nefronów przyszpikowych dają początek wazom odbytowym zstępującym (DVR), które łączą się z naczyniem odbytniczym wstępującym (AVR) przez sploty włośniczkowe. AVR i DVR działają w przeciwprądzie do pętli Henlego i uczestniczą w rdzeniowej wymianie przeciwprądowej, która, jak opisano dalej, jest niezbędna do utrzymania gradientu osmolarności dla stężenia moczu26. Ostatecznie, korowy i szpikowy układ naczyń włosowatych wraz z AVR łączą się w układ żylny w połączeniu korowo-rdzeniowym. Dokładniej mówiąc, naczynia żylne nerki odprowadzają krew z naczyń włosowatych okołokanalikowych i AVR do żył międzyzrazikowych i łukowatych, a następnie do żył międzypłatowych, ostatecznie tworząc żyłę nerkową, która wyłania się znerkawnęka i wreszcie odgałęzienia do dolnej żyły głównej⁷.

Thenerkajest również zasilany przez naczynia limfatyczne, które podążają za ogólną topografiąnerkaunaczynienie krwi²⁷(rys. 1a). Występują głównie w korze nerkowej, gdzie ich podstawową rolą jest usuwanie płynu i makrocząsteczek (takich jak albumina) z przestrzeni śródmiąższowej między kanalikami a naczyniami włosowatymi²⁸. Odgrywają również rolę w naciekaniu komórek odpornościowych i późniejszym zapaleniu²⁹. W kłębuszkach otaczają kapsułę Bowmana bez wnikania w kępkę kłębuszkową²⁸. Natomiast tradycyjne naczynia limfatyczne rzadko występują w rdzeniu nerki; w tym regionie płyn śródmiąższowy i makrocząsteczki są usuwane przez AVR, który reprezentuje rodzaj hybrydowego naczynia krwionośnego o cechach limfatycznych^28,30.

Fenotypy komórek śródbłonka nerki

EC z różnych narządów są fenotypowo niejednorodne^3–6,31. Unikalne właściwości REC, a w szczególności kłębuszkowe EC, są od dawna doceniane. Globalne profilowanie transkrypcyjne EC pochodzących od myszy potwierdziło istnienie sygnatur transkryptomu specyficznych dla narządów^3,4,6. Warto zauważyć, że badania te wykazały, że REC są najbardziej niepodobne do EC z innych narządów, w tym mózgu, serca, płuc, mięśni i jąder⁴(ryc. 1b) poprzez ekspresję genów związanych z sygnalizacją interferonową, a także genów kodujących czynniki endokrynologiczne FGF1 i IL-33 (odnośniki^4,6). Specyficzna narządowo heterogeniczność EC prawdopodobnie leży u podstaw ich molekularnej adaptacji do spełniania określonych ról funkcjonalnych^3–6,31.

Jednak heterogeniczność REC wykracza poza poziom organotypowy, z niezwykłą różnorodnościąnerkaunaczynienie, jak wykazano początkowo w mikroskopii elektronowej i badaniach mikromacierzy, a następnie w analizach pojedynczych komórek^6,32,33. Thenerkakora, kłębuszki i rdzeń zawierają unikatowe populacje EC (odpowiednio cRECs, gRECs i mRECs). Ta różnorodność w populacjach WE może wynikać z ekspozycji na różne mikrośrodowiska tych regionów. Na przykład śródbłonek kłębuszków jest narażony na wysokie ciśnienie naczyniowe i ściśle oddziałuje z podocytami w celu regulacji ultrafiltracji, podczas gdy mREC są narażone na wysoką osmolarność i hipoksję, które są związane z utrzymaniem gradientu osmolarności i stężenia moczu^6,9,10,32(rys. 1c). Poza niejednorodnością międzyprzedziałową, REC wykazują również niejednorodność wewnątrzprzedziałową, która jest prawdopodobnie determinowana przez szereg czynników genetycznych i środowiskowych, w tym rodzaj łożyska naczyniowego (tętnicze, włośniczkowe, żylne), ich interakcje z innymi typami komórek (na przykład , komórki mięśni gładkich, pericyty, komórki ziarniste, podocyty i komórki nabłonka kanalików) i ich ekspozycja na różne mikrośrodowiska w tym samym przedziale, takie jak ekspozycja na różne rodzaje przepływu lub różne poziomy osmolarności34 (ryc. 1c). Rozwój technologii transkryptomicznych pojedynczych komórek umożliwił mapowanie heterogeniczności mysich REC w bardzo wysokiej rozdzielczości^6,10,11, ujawniając do 24 transkrypcyjnie różnych populacji REC^6,10,11. Warto zauważyć, że wnioski z badań jednokomórkowych RNA-seq podsumowane poniżej pozostają do potwierdzenia na poziomie białek, zarówno w celu kompleksowej weryfikacji lokalizacji przestrzennej przewidywanych białek, jak i integracji wiedzy o zmianach potranslacyjnych i/lub mechanizmy sygnalizacyjne, które mogą wpływać na aktywność białek. Warto również zauważyć, że względne wzbogacenie genu w określonej populacji REC, określone przez sekwencjonowanie pojedynczych komórek, niekoniecznie oznacza, że ​​ekspresja tego genu jest ograniczona do tej konkretnej populacji komórek.

Heterogenność kłębuszkowych komórek śródbłonka nerki.Thenerkakłębuszki są wysoce wyspecjalizowaną strukturą, która jest odpowiedzialna za filtrację osocza krwi w celu wytworzenia pierwotnego filtratu moczu, zapewniając jednocześnie zatrzymanie niezbędnych białek osocza we krwi. Składa się z kłębuszkowych naczyń włosowatych, które znajdują się między tętniczkami doprowadzającymi i odprowadzającymi, które są naczyniami oporowymi, które kontrolują zarówno przepływ krwi włośniczkowej, jak i ciśnienie. Tętnice nefronu są w częściowym kontakcie z aparatem przykłębuszkowym (JGA) — wyspecjalizowaną strukturą, która obejmuje plamkę gęstą dystalnego kanalika krętego, ziarniste komórki wytwarzające reninę, które są związane z tętniczkami doprowadzającymi i pozakłębuszkowe komórki mezangium (ryc. 2a). JGA reguluje GFR pojedynczego nefronu i ciśnienie krwi poprzez sprzężenie zwrotne kanalików nerkowych, odpowiedź miogenną i uwalnianie reniny^19,35–37.

Kłębuszkowy śródbłonek kapilarny składa się z unikalnych EC z bezprzeponowymi fenestracjami, które umożliwiają filtrację dużych objętości płynu38 (ryc. 2b).

Fenestracje mają rozmiar 50–100 nm i zajmują około 20 procent powierzchni komórki, ukazując się na obrazach pod mikroskopem elektronowym jako dziury transkomórkowe³⁸. Średnica tych fenestracji jest teoretycznie wystarczająco duża, aby umożliwić przejście płynu i dużych białek do kanalików. Jednak kapilarne gREC wytwarzają również grubą warstwę glikokaliksu zawierającą ujemnie naładowane glikoproteiny i polisacharydy, które działają jako bariera dla przejścia białka^39,40. Ponadto składniki osocza są adsorbowane w glikokaliksie i tworzą szerszą powłokę zwaną śródbłonkową warstwą powierzchniową41, która dzięki swojej włóknistej strukturze dodatkowo zwiększa permselektywność bariery kłębuszkowej śródbłonka⁴². Rzeczywiście, albuminuria i białkomocz są obserwowane w przypadku upośledzenia glikokaliksu^39,43,44. Wraz z podocytami, kapilarne gREC również syntetyzują i dzielą wspólną macierz pozakomórkową znaną jako kłębuszkowa błona podstawna (GBM), która składa się głównie z kolagenu typu IV, lamininy i siarczanowanych proteoglikanów42. Mutacje wpływające na syntezę któregokolwiek ze składników GBM prowadzą do białkomoczu45,46. Tak więc kapilarne gREC, podocyty i GBM tworzą skuteczną barierę filtracji kłębuszkowej. Warto zauważyć, że kłębuszkowy śródbłonek kapilarny jest pozbawiony przepony i dlatego nie wykazuje ekspresji transbłonowej glikoproteiny plazmalemma typu II związanego z pęcherzykami białka 1 (PV1), które jest kodowane przez Plvap10 i jest typowym markerem fenestrowanych EC związanych z przeponami mostkowymi śródbłonka fenestrae i kaweole⁴⁷

Rozwój i utrzymanie fenestracji włośniczkowej gREC wymaga pochodzącego z podocytów czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF), który działa w sposób parakrynny poprzez śródbłonkowy receptor VEGF 2 (VEGFR2, znany również jako KDR)⁴⁸. Nadekspresja VEGF powoduje zapaść kłębuszków nerkowych, szybką utratę kapilarnych gREC i masywną białkomocz⁴⁹. W związku z tym konieczna jest ścisła regulacja VEGF w podocytach, aby ustanowić naczynia krwionośne kłębuszków podczas rozwoju embrionalnego i utrzymać fenestracje w dojrzałych naczyniach włosowatych kłębuszków.^38,42. Podobnie, VEGF pochodzący z komórek nabłonka kanalikowego umożliwia utrzymanie sieci naczyń włosowatych okołokanalikowych⁵⁰

W przeciwieństwie do innych kapilarnych EC, gREC są narażone na wysokie ciśnienie krwi i wysoki przepływ krwi, co napędza proces filtracji kłębuszkowej i naraża gRECs na znaczne naprężenia ścinające⁵¹. W związku z tym gREC wyrażają wysokie poziomy regulowanego naprężenia ścinającego transkryptu Pi16 (refs^6,10,11,52) (rys. 2c; tabela uzupełniająca 1). Kapilarne gREC wyrażają również szereg innych markerów^10,11,32,53, w tym Ehd3, który koduje członka rodziny białek EHD^{10,11,38,54,55}który reguluje recykling endocytów i uważa się, że reguluje recykling VEGFR2 w kapilarnych gREC (ryc. 2c), wraz z EHD4 (ref. 54). W ten sposób EHD3 może przyczynić się do utrzymania fenestracji naczyń włosowatych kłębuszków. Włośniczkowe gREC wykazują również wzbogaconą ekspresję genów związanych ze ścieżką sygnalizacyjną TGF-BMP (Eng, Smad6, Smad7, Xiao i Hipk2 (refs10,56-58)), która jest zaangażowana w tworzenie naczyń włosowatych kłębuszków nerkowych. Nadekspresja TGF wywołuje białkomocz i stwardnienie kłębuszków nerkowych⁵⁹, a zatem obecność hamujących SMAD, takich jak te kodowane przez Smad6 i Smad7 w gREC, może zapobiegać nadmiernej sygnalizacji TGF i dysfunkcji kłębuszków nerkowych. Z kolei BMP pochodzące z podocytów ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego tworzenia naczyń włosowatych kłębuszków60. Kapilarne gREC również specyficznie wyrażają Nostrin³², którego produkt białkowy wiąże śródbłonkową syntazę tlenku azotu (eNOS), aby wywołać jego translokację z błony komórkowej do podobnych do pęcherzyków struktur subkomórkowych i osłabia produkcję tlenku azotu (NO) — ważnego regulatora GFR32. Co więcej, ograniczona ekspresja lipazy lipoproteinowej (Lpl) do kapilarnych gREC sugeruje, że śródbłonek kłębuszków nerkowych może być niezbędny do uwalniania kwasów tłuszczowych do ultrafiltratu, który może być następnie wykorzystany jako źródło energii przez komórki nabłonka kanalików lub do regulacji zawartość lipidów we krwi lub może przyczyniać się do akumulacji lipidów kłębuszkowych, co obserwuje się w sytuacjach patologicznych^6,10,61,62. Co ciekawe, ekspresja nerkowa genów biorących udział w metabolizmie lipidów koreluje z GFR i stanem zapalnym u pacjentów zcukrzycowynerkachoroba, natomiast wadliwe utlenianie kwasów tłuszczowych (FAO) w komórkach kanalików przyczynia się do rozwojunerkazwłóknienie^61,62.

Czynniki transkrypcyjne, takie jak SOX17 i COUP-TFII (kodowane przez Nr2f2), odpowiednio w tętniczych i żylnych REC, kierują podpisami transkrypcyjnymi i tożsamością określonych łożysk naczyniowych63,64. Tożsamość gRECs zależy od aktywności co najmniej dwóch czynników transkrypcyjnych: GATA5 i TBX3 (refs10,11,32) (ryc. 2c), które pośredniczą w nabyciu profilu ekspresji genu podobnego do gREC, gdy są razem nadeksprymowane w ludzkiej żyle pępowinowej EC (HUVEC), powszechnie stosowany model EC11. Regulon GATA5 jest podwyższony w gREC, ale nie w innych populacjach REC^10,11a selektywna delecja Gata5 w EC powoduje zmiany kłębuszkowe65. Co więcej, specyficzna dla EC delecja Tbx3 powoduje defekty morfogeniczne, takie jak mikrotętniaki w podgrupach kłębuszków, zmniejszona liczba fenestracji włośniczkowej gREC i zdeformowane wyrostki podocytowe, co sugeruje rolę tego czynnika transkrypcyjnego w utrzymaniu strukturalnej organizacji naczyń włosowatych kłębuszków.¹¹. Ponadto zarówno GATA5, jak i TBX3 biorą udział w regulacji ciśnienia krwi. GATA5 wpływa na typową funkcję naczyń krwionośnych, kinazę białkową A i szlaki sygnałowe NO⁶⁵, podczas gdy uważa się, że TBX3 moduluje ciśnienie krwi poprzez regulację wydzielania reniny wnerka¹¹.

Regulacja napięcia naczyniowego tętniczek doprowadzających i odprowadzających jest wymagana, aby utrzymać stale wysokie ciśnienie w kapilarach kłębuszkowych potrzebne do filtracji kłębuszkowej¹⁸. Ten proces regulacyjny umożliwia utrzymanie stałego GFR pomimo zmian ciśnienia systemowego i rzutu serca66. Tętnice doprowadzające mają od jednej do trzech warstw naczyniowych komórek mięśni gładkich (VSMC), które w pobliżu JGA są częściowo zastąpione przez komórki ziarniste wytwarzające reninę67 (ryc. 2d). Niejednorodność EC występuje również w tętniczkach doprowadzających, z bezprzeponowymi fenestracjami śródbłonka najbliżej JGA68,69 — podobnymi do śródbłonka naczyń włosowatych kłębuszków — prawdopodobnie w celu ułatwienia szybkiego transportu reniny do krwi18 (ryc. 2d). Ekspresja Gja5 (kodująca koneksynę 40) jest wzbogacona w ten podzbiór gREC^10,70i odgrywa ważną rolę w komunikacji między śródbłonkiem a komórkami ziarnistymi w JGA w celu regulacji uwalniania reniny^35,70,71. Te EC są również wzbogacone w inne geny zaangażowane w interakcję komórka-komórka, takie jak te związane ze szlakami sygnalizacyjnymi Wnt i Notch, efryną i cytokinami oraz chemokinami (ryc. 2c), które mogą pośredniczyć w wiązaniu krzyżowym między komórkami mezangialnymi i/ lub komórki ziarniste i gREC w JGA i potencjalnie przyczyniają się do autoregulacji i modulacji ciśnienia krwi¹⁰.

Natomiast gREC w górnej (najbardziej dystalnej) części tętniczek doprowadzających wyrażają geny zaangażowane w regulację benzyny, takie jak Edn1 (który koduje endotelinę 1), Alox12 (arachidonian 12-lipoksygenaza) i S1pr1 (sfingozyna{{6 }} receptor fosforanowy 1)^10,72,73(rys. 2c). Szlak sygnałowy S1P–S1PR1 silnie reguluje dopływową benzynę tętniczą poprzez aktywację systemu eNOS^74–76. Zgodnie z tą rolą receptor S1P jest wzbogacony w gREC w tętniczkach doprowadzających i nie jest wykrywany w tętniczkach odprowadzających¹⁰.

W przeciwieństwie do gREC w tętniczkach doprowadzających, gREC w tętniczkach odprowadzających wykazują niższą ekspresję koneksyny77, zwłaszcza koneksyny 37 i koneksyny 40 (kodowanej odpowiednio przez Gja4 i Gja5)10. Podobne do EC z tętniczek doprowadzających, jednak analizy transkryptomiczne EC z tętniczek odprowadzających wskazują na obecność dwóch populacji gREC: jednej prawdopodobnie związanej z JGA (ekspresją genów związanych z adhezją i wynaczynieniem komórek układu odpornościowego oraz przepuszczalnością EC) i drugiej. odpowiada to dystalnej części tętniczki odprowadzającej (wzbogaconej w geny zaangażowane w odpowiedzi hiperosmolarności)10 (ryc. 2c).

Te spostrzeżenia sugerują, że fenotypowa i funkcjonalna różnorodność gRECs leży u podstaw zdolności tych śródbłonków do utrzymywania GFR poprzez aktywną modulację przepływu kłębuszkowego krwi i przez zapewnienie skuteczności filtracji kłębuszkowej. Poprzez integrację cewkowo-kłębuszkowego sprzężenia zwrotnego i sygnałów miogenicznych, w szczególności gREC związane z JGA są prawdopodobnie krytycznymi regulatorami GFR.

Heterogenność komórek śródbłonka kory nerki.Oprócz kłębuszkowego śródbłonka włośniczkowego oraz tętniczek doprowadzających i odprowadzających przed kłębuszkiem i za kłębuszkiem,nerkakora zawiera naczynia limfatyczne oraz duże tętnice i żyły wraz z towarzyszącymi im naczyniami naczynioruchowymi, żyłkami postkapilarnymi i naczyniami włosowatymi okołokanalikowymi. Zgodnie z ich rolą w reabsorpcji i wydzielaniu substancji rozpuszczonych, jonów i wody, korowe naczynia włosowate okołokanalikowe są cienkościennymi naczyniami włosowatymi zawierającymi EC, które są funkcjonalnie sprzężone z nabłonkiem kanalikowym9 (ryc. 3a). W porównaniu z gRECs i mRECs, cRECs — w szczególności okołokanalikowe włośniczkowe EC — wyrażają wysoki poziom Igfbp3 (kodujący białko wiążące insulinopodobny czynnik wzrostu 3) i Npr3 (kodujący receptor peptydu natriuretycznego 3)10,11 (ryc. 3b) .

Korowe naczynia włosowate okołokanalikowe wychodzą z tętniczek odprowadzających i otaczają proksymalne i dystalne kanaliki kręte (ryc. 3a), dostarczając tlen i składniki odżywcze oraz przyczyniając się do wychwytu substancji rozpuszczonych i reabsorpcji wody ze światła kanalika⁹. W przeciwieństwie do naczyń włosowatych kłębuszków nerkowych, EC włośniczkowe okołokanalikowe wyrażają Plvap, którego produkt białkowy (PV1) obejmuje okruchy EC włośniczkowe okołokanalikowe. Te przeponowe okna mają średnicę 62–68 nm i prawdopodobnie ułatwiająwymiana wody, jonów i drobnych substancji rozpuszczonych z kanalikami proksymalnym i dystalnym9,10

Kłębuszki filtrują około 180 g glukozy dziennie78 iw warunkach fizjologicznych prawie cała jest ponownie wchłaniana w kanalikach proksymalnych. Przefiltrowana glukoza jest najpierw ponownie absorbowana ze światła kanalików proksymalnych wewnątrz komórek nabłonka przez kotransportery sodowo-glukozowe (SGLT). Gdy stężenie glukozy wewnątrzkomórkowej przekracza stężenie w tkance śródmiąższowej, dyfunduje ona do przestrzeni śródmiąższowej poprzez swoiste transportery ułatwionej glukozy (GLUT), skąd jest ponownie wchłaniana do krwiobiegu79. Zgodnie z ich rolą w tym procesie, okołokanalikowe EC włośniczkowe eksprymują wyższe poziomy Slc2a1 (kodujące GLUT1) niż ECs innych nerkowych łożysk naczyniowych11 (ryc. 3b), co sugeruje, że GLUT1 może ułatwić ponowne wchłanianie glukozy w okołokanalikowych włośniczkowych ECs.

Włośniczki okołokanalikowe korowe obejmują dwie populacje EC — jedną, która wyraża wysoki poziom Apoe (kodującej apolipoproteinę E) i jedną, która wyraża niewielką lub brak Apoe10 (ryc. 3b). Populacja Apoe-high wykazuje wzbogaconą ekspresję innych genów związanych z metabolizmem lipidów, takich jak Plpp3 i Thrsp10,80,81. Natomiast populacja Apoe-low wykazuje ekspresję genów kodujących receptory VEGF (odpowiednio Kdr, Flt1 i Nrp1, kodujące VEGFR2, VEGFR1 i neuropilinę 1), białka i receptory wiążące insulinopodobny czynnik wzrostu (Igfbp5, Igfbp3 i Insr) oraz Npr3, który koduje receptor dla peptydu natriuretycznego, który reguluje objętość krwi i wydalanie sodu10,82-85. Obecnie nie wiadomo, czy te dwie populacje EC istnieją w oddzielnych naczyniach włosowatych, które oddziałują z proksymalnymi kanalikami krętymi lub dystalnymi, czy też istnieją w tych samych naczyniach włosowatych.

Co zaskakujące, w korze nerkowej myszy opisano również dwie dodatkowe populacje włośniczkowe EC — populację EC podobną do angiogenicznej oraz populację, która charakteryzuje się ekspresją genów stymulowanych interferonem oraz genów zaangażowanych w przetwarzanie i prezentację antygenu10 (ryc. 3b). . EC podobne do angiogennych mogą odgrywać rolę w regeneracji uszkodzonych EC, podczas gdy EC aktywowane interferonem mogą uczestniczyć w nadzorze immunologicznym, chociaż potrzebne są dalsze badania w celu zbadania tych możliwości10.

cREC w dużych tętnicach charakteryzują się ekspresją tętniczego genu czynnika transkrypcyjnego Sox17 i genu ścisłego połączenia Cldn5 (klaudyna 5), ​​natomiast cREC w dużych żyłach charakteryzują się ekspresją czynnika transkrypcyjnego Nr2f2 (COUP-TFII) oraz znacznik okienny Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(rys. 3b).

Tętnicze cREC wyrażają gen kodujący semaforynę Sema3g, który ma wpływ autokrynny i parakrynny odpowiednio na EC i VSMC, geny kodujące koneksynę Gja4 i Gja5, które są składnikami połączeń śródbłonka, oraz członka rodziny Notch Jag1 (odnośniki 6, 10, 11,87–90) (ryc. 3b). Duże tętnice są narażone na wysokie ciśnienie krwi, a ich napięcie naczyniowe jest modulowane w odpowiedzi na zmiany ciśnienia krwi. Ich zdolność do reagowania na sygnały mechaniczne jest możliwa dzięki obecności elastycznej warstwy w ośrodku tuniki, która jest bogata we włókna elastyczne^9,91oraz poprzez ekspresję genów związanych z zespołem włókien elastycznych, takich jak Eln (elastyna), Ltbp4 (białko wiążące utajony czynnik wzrostu- -4), Fbln5 (fibulina 5) i Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). Wyrażają również wysokie poziomy Mgp (białka macierzy Gla)6,10, które hamują zwapnienie naczyń prawdopodobnie poprzez hamowanie sygnalizacji BMP2 i BMP496. Zgodnie z ich rolą w regulacji przepływu krwi przez nerki, cREC dużych tętnic wyrażają również geny odpowiedzialne za regulację benzyny, takie jak Ace, Edn1 i S1pr1 (refs6,10,97-99) (ryc. 3b).

Dostarczanie tlenu i składników odżywczych oraz usuwanie produktów przemiany materii uwalnianych w ścianach naczyń dużych tętnic i żył jest ułatwione przez vasa vasora100. W opublikowanych badaniach nad pojedynczymi komórkami u myszy nie zidentyfikowano REC naczyniowo-naczyniowych, prawdopodobnie dlatego, że naczynia o średnicy światła<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Przeprowadzanie takich badań na większych zwierzętach lub ludziach, którzy mają większe naczynia nerkowe, może zwiększyć prawdopodobieństwo uchwycenia REC wazowatych. Obecnie nie ma opisanych markerów dla REC pochodzących z vasa vasora.

Poza układem krwionośnym kora nerkowa zawiera również dwa zestawy naczyń limfatycznych nerki. Oba powstają jako ślepe naczynia włosowate w zraziku nerkowym, z których jedna podąża za tętnicami w kierunku wnęki, aby połączyć układ wnękowy i torebkowy, a druga penetruje torebkę, aby połączyć się z naczyniami limfatycznymi torebki28,101 (ryc. 1a). Naczynia limfatyczne nerek można odróżnić od naczyń włosowatych naczyń krwionośnych, ponieważ są one obecne głównie w śródmiąższu, są ślepe i nie mają perycytów^28,29. Włośniczki limfatyczne nerek składają się z jednowarstwowych, częściowo zachodzących na siebie LEC w kształcie liścia dębu28,29, które można odróżnić od BEC na podstawie ekspresji kilku markerów⁶, z których najbardziej znane to Pdpn (podoplanina)102, gen Lyve1 kodujący receptor hialuronianu (ref. 103), Flt4 (który koduje VEGFR3)104 oraz gen czynnika transkrypcyjnego Prox1 (ref. 105) (ryc. 3b) . Chociaż te markery są również wyrażane w innych typach komórek, można je wykorzystać do rozróżnienia między dwoma głównymi typami EC29. W człowiekunerka, podoplanina została opisana jako najbardziej wiarygodny marker LEC^28,29. Niemniej jednak żaden z dwóch znanychnerkaPopulacje LEC zostały zidentyfikowane w opublikowanych badaniach pojedynczych komórek RNA-seq^6,10,11, prawdopodobnie z powodu ich utraty podczas technicznych etapów przetwarzania (na przykład podczas trawienia enzymatycznego lub oczyszczania EC) i/lub ponieważ stanowią one zbyt małą frakcję EC w porównaniu z populacją BEC nerek. Potrzebne są zatem dalsze badania, aby scharakteryzować niejednorodność śródbłonka limfatycznego nerek.

Niejednorodność rdzeniastych komórek śródbłonka nerki.Podstawową rolą rdzenia nerki jest stężenie moczu⁹. Anatomiczny układ naczyń krwionośnych odbytu i niski przepływ krwi w rdzeniu nerki (10 procent całkowitego przepływu krwi przez nerki) zapobiega wypłukiwaniu substancji rozpuszczonych, takich jak mocznik i NaCl, tworząc gradient osmolarności od rdzenia zewnętrznego do brodawki nerkowej , co ma zasadnicze znaczenie dla stężenia moczu26,106. Ten gradient zmienia się w zależności od stanu nawodnienia106.

Śródbłonek rdzenia nerkowego charakteryzuje się ekspresją Igfbp7 (refs10,11), markera w moczunerkauraz, który przewiduje powrót do zdrowia po ostrym uszkodzeniu nerek (AKI)107 oraz Cd36 (refs10,32), który koduje receptor zmiatający, który jest odpowiedzialny za wychwyt długołańcuchowych kwasów tłuszczowych z krążenia108 (ryc. 3c). W związku z tym lipidy mogą przemieszczać się w sposób zależny od CD36- przez śródbłonek rdzenia kręgowego do komórek śródmiąższowych rdzenia kręgowego, populacji komórek podobnych do fibroblastów, które charakteryzują się kropelkami lipidów, których obfitość koreluje ze stanem diurezy109. Usunięcie Cd36 u myszy było związane ze zwiększonym nerkowozależnym ryzykiem spontanicznego nadciśnienia^10,110, ale osłabił rozwójnerkazwłóknienie w odpowiedzi na dietę wysokotłuszczową111 (ryc. 3c), co sugeruje zarówno ochronną, jak i patologiczną rolę transportu lipidów w tych procesach.

Podobnie jak śródbłonek korowy i kłębuszkowy, śródbłonek rdzenia nerki wykazuje znaczną wewnątrzprzedziałową niejednorodność^10,11. DVR to naczynia przypominające tętnice, zawierające ciągły śródbłonek otoczony perycytami podobnymi do mięśni gładkich lub VSMC, które reagują na bodźce wazoaktywne w celu kontrolowania przepływu krwi w rdzeniu nerkowym. Zgodnie z ich fenotypem podobnym do tętniczek, DVR ECs wyrażają Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 i Cxcl12 (CXCL12, znany również jako SDF1 — białko chemokiny który działa jako ligand dla CXCR4 i CXCR7 wyrażanych przez VSMC i pericyty)^10,63,113. DVR ECs również wyrażają Slc14a1 i Aqp1, które kodują transporter mocznika B (UTB)^10,11,112i kanał wodny akwaporyna 1 (refs^10,11,55), z których oba są wymagane do stężenia moczu 114,115 (ryc. 3c, d). Te EC wyrażają również Scin, który koduje żużel — białko, które wiąże akwaporynę 2 w kompleksie wielobiałkowym w komórkach nabłonka przewodu zbiorczego, prawdopodobnie w celu ułatwienia handlu akwaporyną 2116. Koekspresja Aqp1 i Scin w DVR EC sugeruje podobną interakcję w śródbłonku rdzeniastym¹⁰.

Gradient osmolarności stwarza nieprzyjazne środowisko dla komórek rdzenia nerkowego, zwłaszcza tych w brodawce nerkowej, gdzie osmolarność jest najwyższa (odpowiada stanowi fizjologicznej hiperosmolarności, w którym osmolarność jest wyższa niż w osoczu ogólnoustrojowym)117. Mysie DVR EC można podzielić na dwa główne fenotypy w zależności od ich lokalizacji w brodawce nerkowej lub w zewnętrznym lub wewnętrznym rdzeniu10 i rozróżnić na podstawie ekspresji genów indukowanych hiperosmolarnością i genów regulujących wazoton10 (ryc. 3c). W brodawkach nerkowych DVR EC ekspresjonują geny reagujące na hiperosmolarność, w tym geny docelowe czynnika transkrypcyjnego indukowanego hiperosmolarnością NFAT5, takie jak S100a4 i S100a6 (refs10,118), podczas gdy DVR EC z rdzenia wewnętrznego i zewnętrznego wykazują wzbogaconą ekspresję Hpgd, który koduje główny enzym zaangażowany w katabolizm wazoaktywnych prostaglandyn, Edn1, który koduje zwężającą naczynia endotelinę 1 i Adipor2, który koduje receptor adiponektyny, który indukuje działanie rozszerzające naczynia119,120 (ryc. 3c). Ten wzorzec ekspresji jest zgodny z bardziej widoczną obecnością perycytów podobnych do mięśni gładkich w zewnętrznej części rdzenia kręgowego DVR, a zatem z większą reakcją tego regionu na czynniki wazoaktywne w porównaniu z niższymi częściami DVR9,121.

W przeciwieństwie do rejestratora AVR są to naczynia żylne z okienkami (ryc. 3d). Naczynia te ponownie absorbują wodę ze śródmiąższu szpikowego nerki, która gromadzi się podczas koncentracji moczu przez przewody zbiorcze, pętlę Henlego i DVR, zbierając ją z powrotem do krążenia ogólnego w sposób zbliżony do funkcji naczyń limfatycznych30. Zgodnie z tą rolą, EC AVR wyrażają żylny czynnik transkrypcyjny Nr2f2 (refs10,11,64) i Plvap — prawdopodobnie w celu podtrzymania ich roli w reabsorpcji wody^10,11,47,122(rys. 3c). EC AVR wyrażają również Tek, kodujący receptor angiopoetyny Tie2, który jest niezbędny do tworzenia AVR podczas rozwoju. Usunięcie Tek u myszy powoduje szybką akumulację płynu i torbieli w śródmiąższu rdzeniastym i utratę wiązek naczyniowych rdzenia kręgowego i powoduje zmniejszenie zdolności zagęszczania moczu³⁰.

Podobnie jak DVR, AVR można podzielić na dwie transkryptomicznie różne populacje EC zlokalizowane w brodawce oraz w rdzeniu zewnętrznym i wewnętrznym. Te w brodawce charakteryzują się ekspresją genów reagujących na hiperosmolarność (Cryab, Fxyd2 i Cd9 (refs10,123,124)), genów glikolitycznych (Ldha, Aldoa i Gapdh10,125,126) oraz Car2, który koduje enzym anhydrazy węglanowej 2 , którego brak zaburza stężenie moczu i wywołuje u myszy wielomocz127 (ryc. 3c). Brodawkowe EC AVR specyficznie eksprymują gen Fxyd2 kodujący podjednostkę Na plus /K plus ATPazy, podczas gdy alternatywny gen Fxyd6 kodujący podjednostkę jest regulowany w górę w EC AVR w rdzeniu zewnętrznym i wewnętrznym¹⁰ (rys. 3c).

Części brodawkowate AVR i DVR wykazują różne profile ekspresji genów, ale dzielą ekspresję kilku genów reagujących na hiperosmolarność, w tym Akr1b3, który koduje reduktazę aldozową — enzym ograniczający szybkość szlaku poliolowego, który jest odpowiedzialny za konwersję glukozy w sorbitol, obojętny organiczny osmolit, który jest ważny dla utrzymania objętości komórek w warunkach hiperosmolarności117. Wyrażają również S100a6, a także inne geny – takie jak Fxyd5 (który koduje inną podjednostkę Na plus /K plus ATPazy), Nrgn (który koduje neurograninę białka wiążącego kalmodulinę) i Crip1 (który koduje białko bogate w cysteinę 1) 10 118 — które mogą być potencjalnie związane ze środowiskiem hiperosmotycznym (ryc. 3c).

Splot kapilarny rdzenia nerkowego, który łączy DVR i AVR (ryc. 3a), charakteryzuje się śródbłonkiem fenestrowanym Plvap-dodatnim i wzbogaconą ekspresją śródbłonkową genów kodujących receptory VEGF, takich jak Kdr, Flt1 i Nrp1 jako geny zaangażowane w transport i metabolizm kwasów tłuszczowych (Cd36 i Plpp3)10 (ryc. 3c). mREC obejmują również EC z żyłek postkapilarnych, a także populacje EC aktywowane angiogenicznie i interferonem, podobne do naczyń włosowatych kory nerkowej10.

Niejednorodność REC a choroba nerek

W warunkach fizjologicznych śródbłonek jest w stanie spoczynku — stan ten jest w dużej mierze utrzymywany przez S-nitrozylację białek i czynników transkrypcyjnych przez NO128,129 pochodzące z eNOS. Aktywność samego eNOS jest regulowana przez naprężenie ścinające¹³⁰oraz metabolity wewnątrzkomórkowe, takie jak substrat eNOS, l-arginina i jej kofaktor, tetrahydrobiopteryna¹³¹. W określonych warunkach — na przykład w odpowiedzi na infekcję — ten stan spoczynku można wyłączyć, indukując aktywację EC i rekrutację komórek odpornościowych. Sygnalizacja redoks, a w szczególności rozłączenie enzymu eNOS, skutkujące produkcją ponadtlenku zamiast NO, ma kluczowe znaczenie dla tego procesu aktywacji. Rozłączenie eNOS uruchamia kaskadę, która prowadzi do przebudowy warstwy powierzchniowej śródbłonka i indukuje ekspresję receptorów, które mogą wchodzić w interakcje z płytkami krwi i komórkami układu odpornościowego¹³². Chociaż aktywacja śródbłonka stanowi część systemu obronnego gospodarza, ta maszyneria molekularna może być niewłaściwie aktywowana w stanach chorobowych, takich jak choroba autoimmunologiczna lub w otoczeniu czynników ryzyka sercowo-naczyniowego lub infekcji. Warto zauważyć, że w odpowiedzi KE na szkodliwe sygnały istnieje niejednorodność¹³³. Na przykład w atypowym zespole hemolityczno-mocznicowym mutacje w czynniku H hamującym dopełniacz są związane ze zmniejszonym wiązaniem czynnika H z kłębuszkowym śródbłonkowym siarczanem heparanu134, indukując w ten sposób kłębuszkową mikroangiopatię zakrzepową. Innym przykładem jest przewlekłe odrzucenie allogenicznego przeszczepu humoralnego, w którym naczynia włosowate okołokanalikowe wydają się być głównym celem uszkodzenia¹³⁵; związana z tym utrata sieci naczyń włosowatych okołokanalikowych przewiduje wystąpienienerkaawaria136. W kontekście pandemii COVID-19 należy zauważyć, że AKI jest często obserwowane u pacjentów z ciężką chorobą (dotyczy do 50 procent pacjentów na oddziałach intensywnej terapii)¹³⁷, u których rozległa dysfunkcja EC może sprzyjać eskalacji choroby w wyniku przecieku naczyniowego, koagulopatii i zaostrzenia stanu zapalnego^138,139.

Oprócz heterogeniczności odpowiedzi aktywacji śródbłonka, odpowiedź REC na sygnały środowiskowe z krążenia może być specyficzna dla miejsca. Na przykład, gREC od pacjentów z cukrzycą typu 1 wykazują rozregulowaną odpowiedź angiogenną skutkującą wzrostem kłębuszków nerkowych i wtórną podocytopatią^140,141. W uszkodzeniu niedokrwiennym — w szczególności w naczyniach włosowatych okołokanalikowych — aktywacja śródbłonka i złuszczanie EC skutkuje tak zwanym zjawiskiem „no-reflow”, w którym perfuzja nie zostaje przywrócona nawet po przywróceniu drożności, co skutkuje uszkodzeniem komórek nabłonka kanalików i AKI¹⁴². Patologia kliniczna wywołana aktywacją REC została szczegółowo omówiona w innym miejscu.

Pojawienie się technik o wysokiej rozdzielczości, takich jak sekwencja pojedynczych komórek RNA, dostarczyło nowych informacji na temat molekularnej regulacji heterogeniczności fenotypowej śródbłonka i procesów związanych znerkauraz. Szereg badań w ciągu ostatnich kilku lat, z naszej grupy i innych, rozwinął koncepcję, że heterogeniczność śródbłonka jest powiązana z metabolizmem wewnątrzkomórkowym^{3,6,10,143–145}. Jak opisano poniżej, różne mikrośrodowiska, na które narażone są REC, pomagają ustalić zarówno ich różnorodność fenotypową, jak i specjalizację metaboliczną.

Specjalizacja metaboliczna REC

ECs wykazują aktywny metabolizm nawet w stanie spoczynku, aby podtrzymać procesy, takie jak produkcja energii, synteza biomasy i homeostaza redoks, które są niezbędne do utrzymania integralności bariery naczyniowej, funkcji regulacji naczyń, transportu substancji rozpuszczonych oraz hamowania zakrzepicy i zapalenia naczyń. Na przykład, nieaktywne EC podtrzymują wysoki poziom FAO, co pomaga utrzymać integralność bariery naczyniowej, częściowo poprzez regenerację NADPH, która zapewnia ochronę przed reaktywnymi formami tlenu (ROS)146. Zgodnie z tą rolą, hamowanie FAO w EC zwiększa stres oksydacyjny, przepuszczalność bariery śródbłonkowej, infiltrację leukocytów146 i przejście śródbłonka do mezenchymów¹⁴⁷, co sugeruje, że FAO jest wymagane do utrzymania funkcji i fenotypu śródbłonka. REC wykazują różne profile metaboliczne i transkryptomy do EC izolowanych z innych narządów u myszy^3,6. W szczególności charakteryzują się regulacją w górę genów zaangażowanych w biosyntezę aminokwasów i pirymidyn oraz metabolizm glukozy⁶. Ponadto niektóre geny metaboliczne są selektywnie wzbogacane w EC tętnicze, włośniczkowe lub żylne, co wskazuje na heterogenność metaboliczną wewnątrz narządu⁶. Jak omówiono poniżej, różne warunki mikrośrodowiskowe, na które narażone są różne populacje REC, mogą również wpływać na ich profile metaboliczne i wspierać heterogeniczność fenotypu REC, a także ich odpowiedź na bodźce chorobowe.

Reakcje REC na zmiany ciśnienia tlenu

Mimo żenerkisą najbardziej perfundowanymi narządami w ciele, mniej niż 10 procent krążącego tlenu jest zużywane podczas przepływu krwi przeznerki¹⁴⁸. Thenerkardzeń jest narażony na niskie ciśnienie tlenu, z pO2 10–20 mmHg (niedotlenienie) w porównaniu z 50 mmHg w korze nerkowej117 (ryc. 4a). Gradient tlenu, który podąża za osią korowo-brodawkowatą, jest konsekwencją kilku czynników, w tym tętniczo-żylnego przecieku tlenu, który wynika z równoległego ułożenia AVR i DVR w rdzeniu, ograniczonego przepływu krwi do i wewnątrz rdzenia w celu zminimalizowania wypłukiwania substancji rozpuszczonych , oraz zastosowanie fosforylacji oksydacyjnej do wytworzenia wysokiego poziomu energii wymaganej dla ATPazy Na plus /K plus do ponownego wchłonięcia Na plus i umożliwienia prawidłowego funkcjonowania innych transporterów substancji rozpuszczonych w błonie komórkowej117. Tak więc niedotlenienie jest nieodłączną częścią mechanizmu koncentracji moczu w rdzeniu^10,117.

Jest również wymagany do odpowiedniegonerkarozwój149. Jednak niedotlenienie może być szkodliwe i jest uważane za główną przyczynę AKI150 oraz czynnik ryzyka przewlekłej choroby nerek (CKD)151 (ryc. 4a). Niedotlenienie nerek może być wynikiem zdarzeń niedokrwiennych, takich jak może wystąpić podczas przeszczepu nerki lub w wyniku nieprawidłowej perfuzji nerek z powodu rozrzedzenia naczyń włosowatych okołokanalikowych, uszkodzenia kłębuszków nerkowych, miażdżycy, rozregulowania napięcia naczyń tętniczych, niedokrwistości i upośledzonej dyfuzji tlenu z powodu zwłóknienia152 ( Rys. 4a). W obrębie układu naczyniowego krótkotrwała ekspozycja na niedotlenienie powoduje odwracalną modulację napięcia naczyń i przepływu krwi, natomiast długotrwała ekspozycja powoduje nieodwracalną przebudowę naczyń i otaczających tkanek z proliferacją i zwłóknieniem VSMC¹⁵³. Odpowiedź komórkowa na hipoksję zależy od inaktywacji oksygenaz zależnych od Fe2 plus i oksygenaz zależnych od 2-oksoglutaranu (2-OG)152, a następnie aktywacji czynnika transkrypcyjnego indukowanego hipoksją (HIF) i Ścieżki niezależne od HIF. Ekspozycja na hipoksję wyzwala aktywację zarówno HIF1, jak i HIF2 w EC154 (ryc. 4b). wnerka, REC szeroko eksprymuje HIF2 po niedotlenieniu, podczas gdy ekspresja białka HIF1 jest ograniczona do mREC w brodawce155–157, gdzie prawdopodobnie stymuluje glikolizę (ryc. 4b). Aktywacja HIF2 w REC ogólnie pośredniczy w ochronie i regeneracji po niedokrwiennym uszkodzeniu nerek poprzez promowanie erytropoezy i hamowanie zapalenia nerek, rozrzedzenia naczyń włosowatych i zwłóknienia156 (ryc. 4b). Ekspozycja REC na niedotlenienie w kontekścienerkachoroba może zatem wywoływać inne odpowiedzi w gREC i cRECs niż w mRECs. Na przykład niedotlenienie sprzyja zależnej od HIF proliferacji i migracji wyhodowanych komórek EC158,159; jednak w warunkach braku konfluencji hodowane gREC przechodzą apoptozę zależną od mitochondriów po ekspozycji na hipoksję155,160,161, co sugeruje nieprzystosowanie gRECs do hipoksji. Chociaż gREC wydają się być dość odporne na niedotlenienie in vivo, prawdopodobnie z powodu parakrynnego efektu VEGF161 pochodzącego z podocytów, niedotlenienie może wywoływać postępującą utratę białek ścisłych połączeń okludyny i ZO-1 w gREC w HIF{{ 11}} w sposób zależny, ostatecznie zwiększając przepuszczalność bariery śródbłonkowej162. Niewiele wiadomo na temat odpowiedzi mRECs na niedotlenienie. W szczególności mREC w AVR i DVR są narażone na niskie ciśnienie tlenu w brodawce w warunkach fizjologicznych, a regulon Epas1 (kodujący HIF2) jest podwyższony w mREC po pozbawieniu wody, prawdopodobnie w odpowiedzi na wzrost niedotlenienia wywołanego przez proces koncentracji moczu¹⁰.

Metaboliczna adaptacja EC do zmian prężności tlenu.W warunkach normoksycznych ECs polegają głównie na glikolizie do produkcji ATP, a nie na mitochondrialnej fosforylacji oksydacyjnej163. W odpowiedzi na hipoksję te odpowiedzi metaboliczne ulegają zaostrzeniu, z dalszym nasileniem glikolizy i zahamowaniem oddychania mitochondrialnego (ryc. 4b), wyjaśniając, dlaczego EC są odporne na hipoksję tak długo, jak długo dostępna jest glukoza164. Po ekspozycji na ostrą hipoksję, taką jak zdarzenie niedokrwienne, EC wykazują szybki wzrost ROS pochodzących z mitochondriów i/lub NAD(P)H oksydazy, co stabilizuje HIF1 i umożliwia wyższy przepływ glikolityczny164 — odpowiedzi zgodne z HIF{{6 }} indukowana regulacja w górę metabolizmu glukozy i regulacja w dół aktywności mitochondriów^164,165 (rys. 4b). Co więcej, analizy szlaku metabolicznego EC narażonych na przewlekłą hipoksję, która może wystąpić w rdzeniu lub w kontekście PChN, ujawniły zależną od HIF2 -regulację w górę genów glikolitycznych¹⁶⁶. Co ciekawe, niektóre geny glikolityczne, takie jak Eno1 i Aldoa, które kodują enzymy enolazę 1 i aldolazę A, niezbędne do produkcji ATP i pirogronianu z glukozy, uległy większej regulacji w górę w mRECs niż w cRECs i gRECs10. Mówiąc dokładniej, mREC z części brodawkowatej AVR — czyli części łożyska naczyniowego nerek najbardziej narażonej na niedotlenienie — wykazały najwyższą ekspresję genów glikolitycznych Aldoa, Ldha i Gapdh spośród wszystkich mREC u myszy10. Tak więc brodawkowe mREC mogą wykazywać wyższy przepływ glikolizy beztlenowej niż inne REC w wyniku ich niedotlenionego mikrośrodowiska. Podobnie komórki nabłonka rdzenia kręgowego mają wyższą zdolność do wytwarzania glikolitycznego ATP beztlenowego niż komórki kanalików proksymalnych¹¹⁷. mREC zwiększają również regulację kilku genów glikolitycznych po pozbawieniu wody, jednocześnie ze zwiększoną aktywnością HIF2 wspomnianą powyżej¹⁰.

W EC, HIF2 jest częściowo regulowany w górę po aktywacji mitochondrialnego NAD oraz zależnej od deacetylazy sirtuiny 3 (SIRT3) (ref. 167) (ryc. 4b). Utrata SIRT3 osłabia sygnalizację niedotlenienia w EC i prowadzi do wadliwej angiogenezy i dysfunkcji naczyń mikrokrążenia, wtórnie do metabolicznego przejścia z glikolizy niezależnej od tlenu na oddychanie mitochondrialne. Ten przełącznik metaboliczny jest związany ze zmniejszeniem ekspresji 6-fosfofrukto-2-kinazy (PFKFB3), enzymu, który działa jako pozytywny regulator glikolizy i tworzenia ROS¹⁶⁷(rys. 4b). W przypadku niedotlenienia SIRT3 podwyższa poziom mitochondrialnych enzymów antyoksydacyjnych w sposób zależny od FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — czynnik transkrypcyjny, który jest również regulowany w górę przez HIF1¹⁶⁹ (rys. 4b). Co ciekawe, szlak antyoksydacyjny SIRT3–FOXO3 działa w gREC, zapobiegając przejściu śródbłonka do mezenchymów inerkazwłóknienie w zwierzęcym modelu nadciśnienia indukowanego angiotensyną II¹⁷⁰(rys. 4b). Podejścia farmakologiczne, które zwiększają SIRT3, ograniczają również AKI wywołaną cisplatyną, chroniąc przed uszkodzeniem kanalików i poprawiającnerkafunkcjonować¹⁷¹. Natomiast myszy Sirt3-knockout wykazują cięższą AKI, chociaż udział REC w tych efektach nie został określony¹⁷¹. To, czy ten szlak antyoksydacyjny SIRT3–FOXO3 jest również zaangażowany w fizjologiczną odpowiedź mRECs na niedotlenienie rdzenia, pozostaje do ustalenia.

Na metabolizm kwasów tłuszczowych wpływa również dostępność tlenu, ponieważ niedotlenienie powoduje wzrost ekspresji i aktywności syntazy kwasów tłuszczowych (FAS), kluczowego enzymu kontrolującego tempo biosyntezy kwasów tłuszczowych, co skutkuje redukcją malonylu. -CoA pula i zwiększenie poziomu palmitynianu w ECs172 (ryc. 4b). W EC ludzkiej tętnicy płucnej hamowanie FAS prowadzi do upośledzenia stabilizacji HIF1, a następnie zmian w transporcie i metabolizmie glukozy, w których pośredniczy HIF, oraz do przywrócenia funkcji eNOS, co sugeruje, że hamowanie syntezy kwasów tłuszczowych może być korzystne dla funkcji EC w hipoksji¹⁷²(rys. 4b). wnerka, Fans — który koduje FAS — został podwyższony w eksperymentalnym modelu przewlekłej niewydolności nerek i przyczynił się do hipertriglicerydemii¹⁷³. Zwiększenie liczby fanów i innych genów reagujących na hipoksję zaobserwowano również wnerkakora mysiego modelu niedokrwistości sierpowatokrwinkowej, która wykazywała postępujące uszkodzenie kłębuszków i kanalików nerkowych¹⁷⁴. Zmieniony metabolizm lipidów jest cechą białkomoczu CKD, a zarówno kliniczne, jak i eksperymentalne dowody potwierdzają pogląd, że zmieniony metabolizm lipidów może przyczyniać się do patogenezy i progresji choroby nerek¹⁷⁵. Niemniej jednak rola REC w rozregulowanym metabolizmie kwasów tłuszczowych w kontekście:nerkachorobapozostaje do wyjaśnienia.

Niedotlenienie indukuje również regulację w górę arginazy II w sposób zależny od aktywacji HIF2¹⁷⁶lub HIF1¹⁷⁷oraz zmniejsza syntezę i transport swojego substratu, argininy, w ECs^178,179(rys. 4b). Arginaza II jest metaloenzymem, który jest szczególnie wyrażany wnerkii katalizuje hydrolizę l-argininy do mocznika i l-ornityny. Wzrost aktywności arginazy II obniża biodostępność argininy, która tłumi aktywność eNOS, zmniejszając produkcję NO w śródbłonku i wyzwalając rozprzęganie eNOS, co ostatecznie prowadzi do produkcji ROS i stresu nitrosatywnego¹⁷⁶. Kroki te mają kluczowe znaczenie w promowaniu dysfunkcji śródbłonka, cukrzycowej chorobie nerek inerkastany zapalne w kontekście otyłości dietetycznej^180,181. W warunkach fizjologicznych arginaza II ulega ekspresji głównie w rdzeniu zewnętrznym, co sugeruje, że ta adaptacja metaboliczna prawdopodobnie nie występuje w mREC, które są najbardziej narażone na niedotlenienie¹⁸¹.

Wreszcie, ekspozycja brodawkowatych mRECs na ostre niedotlenienie wyzwala uwalnianie puryn i ATP, wraz z UTP i UDP, w przestrzeni pozakomórkowej^182–184. ATP aktywuje śródbłonkowe receptory P2Y, powodując produkcję NO, rozszerzenie naczyń krwionośnych i zwiększoną perfuzję tkanek¹⁸⁵. ATP tworzy również adenozynę po metabolizmie ATP przez ektoenzymy^185,186. Co ważne, niedotlenienie wyzwala zależną od HIF2 - regulację w górę receptora adenozynowego A2a (kodowanego przez ADORA2A) w EC^187,188, którego aktywacja zwiększa syntezę białka HIF1, dodatkowo promując ekspresję genów glikolitycznych i przepływ glikolityczny¹⁸⁷(rys. 4b). W większości przypadków aktywacja receptorów A2a i A2b wyrażanych przez EC i VSMC pośredniczy w działaniu rozszerzającym naczynia adenozyny uwalnianej podczas hipoksji185. wnerka, różne receptory adenozynowe są obecne w różnych częściach układu naczyniowego¹⁸⁹, a zewnątrzkomórkowe ATP i adenozyna odgrywają kluczową rolę w regulacji hemodynamiki nerek i mikrokrążenia^185,190. W rdzeniu adenozyna jest wytwarzana w rdzeniowym grubym odnodze wstępującej pętli Henlego (TALH) po stresie oksydacyjnym¹⁹¹i działa jako środek rozszerzający naczynia krwionośne, indukując wzrost przepływu krwi w rdzeniu kręgowym poprzez mechanizm, który może obejmować DVR mREC¹⁹². Jednak w przeciwieństwie do działania w większości innych naczyń, aktywacja receptorów A2a za pośrednictwem adenozyny, których ekspresja jest szczególnie widoczna w tętniczkach doprowadzających, powoduje skurcz naczyń nerkowych, przez co potencjalnie wpływa na nerkowy przepływ krwi i filtrację kłębuszkową.^185,193. Warto zauważyć, że zidentyfikowano rolę receptorów purynergicznych w progresji PChN¹⁹⁴.