Cum să reparați și să tratați leziunea renală acută?

Contact: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Abordări multi-omice ale leziunilor renale acute și reparației

Louisa MS Gerhardt și Andrew P. McMahon

Abstract

Rinichiul are o capacitate de regenerare remarcabilă. Ca răspuns la leziuni ischemice sau toxice, celulele tubulare proximale pot prolifera pentru a reconstrui tubii deteriorați și a restabili funcția rinichilor. Cu toate acestea, severleziuni renale acute(AKI) sau AKI recurentă (leziuni renale acute) evenimentele pot duce la repararea dezadaptativă și la progresia bolii de la AKI (leziuni renale acute) laboală cronică de rinichi(CKD). Aplicarea tehnologiilor unicelulare a identificat stări de celule tubulare proximale lezate la câteva săptămâni după AKl (leziuni renale acute), distins printr-o semnătură moleculară senescentă proinflamatoare. Studiile epigenetice au evidențiat modificări dinamice în peisajul cromatinei al rinichilor după AKI (leziuni renale acute)și au descris factori cheie de transcripție legați de AKI (leziuni renale acute) raspuns. Integrarea tehnologiilor multi-omice deschide noi posibilități de a îmbunătăți înțelegerea noastră asupra AKI (leziuni renale acute) și forțele motrice din spatele AKl (leziuni renale acutetranziția )-la-CKD, cu scopul final de a concepe strategii de diagnostic și terapeutice personalizate pentru a îmbunătăți AKI (leziuni renale acute) rezultate și prevenireboală de rinichiprogresie.

Cuvinte cheie: Leziuni renale acute, Multi-omics, Epigenomics, secvențierea ARN-ului unicelular, secvențierea ATAC.

Introducere

Leziuni renale acute(AKI), diagnosticată printr-o creștere bruscă a creatininei serice și/sau scăderea volumului de urină, este o afecțiune foarte răspândită asociată cu creșterea morbidității și mortalității, precum și cu costuri semnificative de asistență medicală [1e4]. De exemplu, dovezile actuale sugerează că cel puțin 25% dintre toți pacienții spitalizați cu COVID-19 dezvoltă AKI (leziuni renale acute) și că acești pacienți au un risc de mortalitate semnificativ mai mare decât pacienții cu COVID-19 fără AKI (leziuni renale acute) [5]. Pacienți care au supraviețuit AKI (leziuni renale acute) prezintă un risc crescut de tranziție la boală renală cronică și în stadiu terminal [3,4,6]. Potrivit raportului anual al Sistemului de date renale din SUA din 2018, doar 52,6 la sută dintre pacienții spitalizați pentru afacerile veteranilor, care au întâlnit AKI (leziuni renale acute)criteriile de diagnostic, au primit diagnosticul AKI (leziuni renale acute), solicitând mai multă conștientizare pentru AKI (leziuni renale acute) în rutinele spitalicești [7]. În plus, un diagnostic precoce al AKI (leziuni renale acute)este limitată de lipsa de biomarkeri sensibili și de opțiunile de tratament disponibile pentru AKI (leziuni renale acute) continuă să se bazeze pe optimizarea hemodinamică, evitarea nefrotoxicității și terapia de substituție renală.

Celulele tubulare proximale, cel mai abundent tip de celule din rinichi, sunt responsabile pentru o mare parte a reabsorbției lichidelor renale și a substanțelor dizolvate și au apărut ca jucători majori în răspunsurile adaptive și dezadaptative la AKI (leziuni renale acute) [8]. Datorită activității lor metabolice ridicate și dependenței de metabolismul oxidativ, ischemia duce rapid la epuizarea ATP, acumularea de specii reactive de oxigen și, în cele din urmă, apoptoza sau necroza celulelor tubulare proximale (Figura 1). Celulele tubulare proximale care supraviețuiesc unui eveniment ischemic au capacitatea de a dediferenția, de a prolifera și de a reconstrui tubulii deteriorați, jucând astfel un rol esențial în procesul de reparare adaptivă pentru restabilirea funcției renale [9-11]. Cu toate acestea, celulele tubulare proximale dezadaptative, caracterizate printr-un fenotip proinflamator și profibrotic, au fost, de asemenea, implicate în progresia bolii de la AKI (leziuni renale acute) la boala renală cronică (CKD), un proces complex care implică inflamația, rarefacția vasculară și producția de matrice extracelulară de către pericitele și miofibroblastele activate (Figura 1)[8,12]. Tehnologiile Omics care examinează organizarea genomică, expresia genelor și produsele proteice, cum ar fi analiza cromatinei accesibile transpozazei folosind secvențierea (ATAC-seq), secvențierea ARNm și, respectiv, spectrometria de masă, au îmbunătățit dramatic înțelegerea moleculară a răspunsurilor celulare inițiate de AKI (leziuni renale acute). Cel mai recent, aplicațiile unicelulare ale acestor abordări au permis studiul evenimentelor celulare la o rezoluție fără precedent. Acestea și alte abordări multi-omice dețin promisiunea unei înțelegeri cuprinzătoare a mecanismelor de reglementare care guvernează boala renală, deschizând noi căi pentru descoperirea biomarkerilor și a medicamentelor. Acest manuscris trece în revistă descoperirile recente care aplică tehnologia omică laleziuni renaleși repara și ia în considerare aplicațiile viitoare ale abordărilor multi-omice pentru a avansa înțelegerea și tratarealeziuni renaleșiboală de rinichi.

Figura 1:Prezentare generală asupra AKI și procese.

Celulele tubulare proximale sunt foarte susceptibile la ischemie, care poate duce la moartea celulelor prin apoptoză și reglată (piroptoză, feroptoză, necroptoză), precum și necroză nereglementată și desprinderea atât a celulelor moarte, cât și a celor viabile în lumenul tubular. Celulele tubulare proximale care supraviețuiesc (PTC) se pot dediferenția și prolifera pentru a restabili arhitectura și funcția rinichilor; cu toate acestea, o reparație dezadaptativă poate duce, de asemenea, la progresia bolii către boală renală cronică (CKD). Acest proces este caracterizat prin rareificarea vasculară, diferențierea pericitului la miofibroblaste, depunerea sporită a matricei extracelulare fibroase (ECM), pierderea tubulară și inflamația cronică. Nfkb1 plus PTC-uri cu reparații eșuate, caracterizate printr-un fenotip secretor asociat senescenței (SASP), joacă probabil un rol important în AKI (leziuni renale acute)tranziție -la-CKD.

Genomica

Studiile genomice urmăresc să identifice baza genetică a bolii prin secvențierea țintită bazată pe ipoteze a genelor candidate sau secvențierea întregului genom fără ipoteză. Aici, ne vom concentra asupra studiilor de asociere la nivelul genomului (GWAS) care utilizează o abordare imparțială pentru a mapa variantele de secvență de-a lungul întregului genom la caracteristici fenotipice, cum ar fi trăsăturile bolii și care permit identificarea genelor candidate pentru studii mecaniciste (Figura 2). În comparație cu alte trăsături ale bolii, numărul disponibil de GWAS care interoghează fundalul genetic al AKI (leziuni renale acute) este rar. Acest lucru se datorează parțial naturii complexe și eterogene a AKI (leziuni renale acute) ca trăsătură a bolii. AKI (leziuni renale acute) poate fi cauzată de o multitudine de factori diferiți, cum ar fi ischemia, sepsisul, medicamentele nefrotoxice și nefropatia obstructivă. Dovezile actuale sugerează că mecanismele moleculare și celulare de bază ale AKI (leziuni renale acute) au componente specifice cauzei [13,14], dar definiția consensuală a AKI (leziuni renale acute) — o modificare a creatininei serice și a producției de urină — nu ține cont de diferitele AKI (leziuni renale acute) cauze.

Un flux de lucru simplificat pentru un studiu de asociere la nivel de genom (GWAS) este ilustrat (stânga sus). Pentru a studia o asociere între variantele genetice și o trăsătură specifică, secvențierea sau genotiparea întregului genom folosind rețele de polimorfism cu un singur nucleotid (SNP) este efectuată pe o populație și sunt utilizate teste de asociere statistică pentru a identifica SNP-urile asociate cu trăsătura de interes. Pentru secvențierea ARN cu o singură celulă (dreapta sus), se prepară o suspensie cu o singură celulă, celulele unice sunt izolate și moleculele de ARNm din celulă (sau nucleu) sunt capturate pe granule pentru conversiile ulterioare în ADNc. ADNc este amplificat și secvențele sunt determinate prin secvențierea de generație următoare (NGS) și cartografierea secvenței la genom. Pentru analiza epigenomică (dreapta jos), un test pentru cromatina accesibilă la transposază (ATAC) este urmat de NGS și cartografierea secvenței pentru a vizualiza accesibilitatea cromatinei la nivelul genomului. Transpozaza hiperactivă Tn5 (Tn5) este utilizată pentru a scinda în mod specific situsurile cromatinei deschise și pentru a introduce simultan adaptoare de secvențiere pentru NGS. Regiunile cu accesibilitate crescută a cromatinei sunt prezentate ca vârfuri ATAC. Pentru analiza proteomică prin spectrometrie de masă (stânga jos), proteinele sunt extrase, digerate în peptide și ionizate. În spectrometrul de masă, ionii sunt accelerați, supuși unui câmp magnetic, iar raportul lor masă-încărcare este măsurat, permițând identificarea și cuantificarea proteinelor.

Până în prezent, două GWAS mai mari au interogat fundalul genetic al AKI (leziuni renale acute). Primul studiu a arătat o asociere a polimorfismelor nucleare unice (SNP) în GRM7 LMCD1-AS1 și locusul BBS9 cu AKI legată de chirurgia de bypass coronarian (leziuni renale acute) într-o cohortă de descoperire de 873 de pacienți și o cohortă de replicare [15]. Al doilea a combinat pacienți din două cohorte distincte pentru a forma o populație descoperită de 1429 de pacienți în stare critică și a identificat patru AKI (leziuni renale acuteSNP-uri asociate cu ) în imediata apropiere fie a factorului de reglare a interferonului 2 (IRF2), fie a factorului de transcripție T-box 1 (TBX1) [16]. Interesant, IRF2 a fost legat de piroptoză și are un rol de reglare în sistemul imunitar[17,18], iar TBX1 face parte din familia de gene T box, un grup de factori de transcripție cu roluri importante în soarta celulelor și în reglarea stării celulei [19] ]. Cu toate acestea, asocierea dintre AKI (leziuni renale acute) și acești loci nu au putut fi reproduși într-o cohortă prospectivă de pacienți în stare critică, care au fost genotipați în mod specific pentru SNP-urile identificate [20]. Acest lucru subliniază necesitatea unor dimensiuni și mai mari ale eșantioanelor pentru viitoarele AKI (leziuni renale acute) GWAS și ilustrează dificultatea identificării factorilor de risc genetic robusti pentru boli eterogene, cum ar fi AKI (leziuni renale acute).

În plus, analizele loci de trăsături cantitative de expresie (eQTL) vor ajuta probabil translatarea cunoștințelor obținute de GWAS la mecanismele bolii. Analizele OTL urmăresc să identifice loci care explică o parte din variația expresiei genelor în țesut și pot fi utilizate pentru a lega SNP-urile din genomul necodificator la expresia genei țintă. De exemplu, o abordare integrativă care combină GWAS, eOTL și experimente funcționale a condus la identificarea genelor implicate în patogeneza CKD [21-23].

Figura 2:Schema tehnologiilor omice selectate.

Transcriptomica

Apariția noilor tehnologii scalabile pentru a studia transcriptomul celulelor din rinichiul lezat a revoluționat înțelegerea noastră a răspunsurilor celulare la AKI (leziuni renale acute), descoperind noi stări celulare și evidențiind peisajul transcripțional în schimbare dinamică al rinichiului reparator. Secvențierea mRNA a rinichilor în vrac pe parcursul unui an după AKI (leziuni renale acute) au demonstrat modificări ale expresiei genelor specifice temporale legate de leziuni tubulare, proliferare, reparare, fibroză și imunitate [24]. Acest mouse AKI (leziuni renale acute) datele biobancii au arătat că genele asociate inflamației au fost încă reglate la un an după AKI (leziuni renale acute), sugerând inflamația persistentă ca factor determinant al progresiei bolii către CKD. Secvențierea mRNA în vrac a biopsiilor de rutină de transplant de rinichi a permis profilarea modificărilor transcripționale pe termen scurt și lung în transplanturile de rinichi umani declanșate de ischemia/leziunea de reperfuzie (IRI) în timpul transplantului [25]. Toate biopsiile de rinichi au fost prelevate în primele ore după reperfuzie au arătat un profil transcripțional similar, caracterizat prin activarea genelor cu răspuns imediat până la timpuriu, dintre care multe codifică factori de reglare transcripțională.

La 3 și 12 luni după transplant, totuși, două traiectorii divergente asociate fie cu recuperarea, fie cu progresia către CKD ar putea fi delimitate. Traiectoria asemănătoare CKD a arătat o reglare în jos a expresiei genelor legate de biogeneza mitocondrială și o reglare în sus a genelor asociate inflamației și fibrozei, așa cum s-a observat în modelul de șoarece al AKI (leziuni renale acute) [24,25]. Atât studiile la șoarece, cât și la om sugerează un rol proeminent pentru activitatea celulelor T și B și apariția centrelor de țesut limfoid terțiar în rezultatele pe termen lung ale AKI (leziuni renale acute) [25,26]. Analiza AKI de șoarece (leziuni renale acute) bio-bancă și seturi de date despre transplantul de rinichi uman susțin o activitate a celulelor B condusă de auto-antigen, care promovează progresia bolii printr-un răspuns imun susținut, la un an după AKI (leziuni renale acute) [27].

Deși secvențierea mRNA în vrac s-a dovedit a fi foarte informativă în AKI (leziuni renale acute), răspunsurile specifice tipului celular nu sunt diferențiate prin această tehnică. Abordările genetice pentru etichetarea tipurilor de celule distincte adaugă o precizie mai mare și o perspectivă suplimentară. De exemplu, purificarea afinității ribozomului de traducere (TRAP) utilizează o etichetare eGFP a subunității ribozomale L10a pentru a identifica subsetul specific de ARNm în tipurile individuale de celule supuse translației active [28]. Primul studiu TRAP în AKI (leziuni renale acute) cercetarea a folosit un model genetic de activare mediată de recombinază CRE a casetei eGFP-L10a în mod specific în cadrul tipurilor de celule nefronale, stromale, vasculare sau imune și au arătat modificări transcripționale distincte legate de fiecare compartiment celular după AKI (leziuni renale acute) [29]. Multe gene legate de funcția tubulară renală au fost reglate în jos la 24 de ore după AKI (leziuni renale acute). În schimb, genele implicate în activitatea căii anti-apoptotice, proliferarea celulară și mișcarea celulelor au fost reglate în mod semnificativ. Analiza TRAP a celulelor tubulare proximale evidențiate de markerul de leziune Kim-1(codificat de Hazel) a arătat că majoritatea celulelor Kim-1-pozitive au fost reparate cu succes la două săptămâni după AKI (leziuni renale acute), deși 15 la sută au păstrat expresia lui Kim-1 și a markerului de leziune Sox9 [10], evidențiind o stare celulară lezată persistent [30]. Analiza clonală a arătat că expansiunea clonelor pozitive Kim-1 a repopulat tubii proximali deteriorați, susținând un model de reparare prin dediferențierea celulelor tubulare proximale, mai degrabă decât printr-o populație specifică de celule stem/progenitoare [30]. Transcripția FoxMI a fost puternic reglată în celulele tubulare proximale Kim-1-pozitive și s-a dovedit că conduce proliferarea tubului proximal în zitro într-o manieră dependentă de receptorul factorului de creștere epidermic [30]. Abordările de secvențiere a ARNm cu o singură celulă cu randament ridicat, care examinează profilurile de secvențiere a ARNm a celulelor întregi (scRNA-seq) sau transcrierile de ARNm localizate nuclear (snRNA-seq), au îmbunătățit dramatic AKI (leziuni renale acute) studii. Aceste abordări oferă o perspectivă moleculară profundă asupra expresiei genelor la nivel celular atunci când sunt combinate cu abordări computaționale puternice, identificând tipuri de celule variabile și stări celulare în întregul organ [31,32]. scRNA-seq începe dintr-o suspensie de celule individuale sau nuclee unice, care sunt etichetate cu etichete moleculare unice și lizate (Figura 2). ARNm este ulterior transcris invers, amplificat și secvențial. Un studiu snRNA-seq asupra rinichilor supuși obstrucției ureterale unilaterale (UUO) a identificat două noi grupuri de celule tubulare proximale la 14 zile după UUO, dintre care unul avea o semnătură proliferativă puternică, în timp ce celălalt exprima gene implicate în inflamație și mișcarea celulelor, cum ar fi Ccl2, II34, Cxcll și Dock10 [33].

O populație celulară similară este evidentă într-un studiu snRNA-seq care profilează rinichiul lezat după IRI [34]. În primele ore după IRI, există o reglare în jos a expresiei genei normale a tubului proximal și un răspuns transcripțional marcat, inclusiv gene precoce imediate și markerii de leziune cunoscuți HuverI și Krt20 [24,25,34]. Până a doua zi după IRI, o fracțiune mare de celule tubulare proximale fie a prezentat un profil proliferativ, fie a recâștigat semnătura transcripțională t caracteristică pentru celulele tubulare proximale diferențiate. Cu toate acestea, o populație mică de celule proinflamatorii, profibrotice, caracterizate prin exprimarea Vcaml în majoritatea celulelor și coexprimarea Cal2 într-un subset, a prezis activitatea familiei NF-KB de factori de transcripție. În timp ce proliferarea celulelor tubulare proximale a scăzut la două săptămâni după AKI (leziuni renale acute), celulele tubulare proximale proinflamatorii, profibrotice au crescut, sugerând o legătură între repararea tubulară eșuată și populația de celule profibrotice proinflamatorii observate (Figura 1). În mod interesant, analiza deconvoluției a studiilor de secvențiere a ARN-ului în vrac a sugerat că o populație similară a crescut pe măsură ce rinichiul îmbătrânește în mod normal și după transplant.

În conformitate cu studiul menționat mai sus [34], o focalizare selectivă genetic asupra celulelor tubulare proximale lezate la patru săptămâni după o AKI mai ușoară (leziuni renale acute), folosind șoareci Krt20-T2A-CRE-ERT2 pentru a eticheta și purifica celulele tubulare proximale lezate, a arătat un fenotip celular lezat similar: un VcamI/Cal2 plus populația de celule tubulare proximale lezate, care s-a distins în continuare printr-un puternic proinflamator( de exemplu Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) și semnătură transcripțională profibrotică (de exemplu, Pdgfb, ColAal), cu activarea marcată a semnalizării NF-KB, TNF și AP-1 [35]. Aceste celule tubulare proximale lezate au împărtășit caracteristici ale unui fenotip secretor asociat senescenței (SASP) identificat în alte organe lezate (Figura 1)[35,36]. Spre deosebire de AKI anterioară (leziuni renale acute) [12], nu a fost observată nicio oprire semnificativă a ciclului celular G2/M la această populație. Experimente suplimentare de cartografiere a destinului celulelor ciclice au arătat că majoritatea celulelor VcamI plus /Cal2 plus tubular proximal, localizate la limita corticomedullară, au fost urmărite până la celulele tubulare proximale care proliferează în primele zile după AKI (leziuni renale acute). Cu toate acestea, celulele corticale Vuamt plus /Cu2 tubulare proximale au reprezentat probabil locuri secundare de leziune, care nu au legătură cu repararea tubului proximal asociată cu replicarea timpurie.

Atlas cuprinzător al răspunsului leziunii la O reperfuzie unilaterală de ischemie (UIR) care efectuează scRNA-seq la mai multe momente de la prima zi până la ziua 14 după ce UIR a dezvăluit o expresie crescută în celulele lezate ale Sox4 și Cd24a, gene identificate pentru roluri în dezvoltarea renală [37]. O nouă populație de celule, „celule de identitate mixtă”, a fost, de asemenea, raportată care prezintă coexpresie a tubului proximal (Sl34a7), a membrului ascendent gros (Umod) sau a markerilor de canal colector (Agp2). Datele scRNA-seq din nefropatia acidului folic de șoarece și modelele UUO au arătat că expresia redusă a markerilor de diferențiere, cum ar fi purtătorii de soluți în celulele tubulare proximale lezate, este asociată cu reglarea în jos a genelor implicate în procesele metabolice, cum ar fi oxidarea acizilor grași [38]. Receptorul nuclear Esrra a fost identificat ca o legătură importantă între diferențierea tubului proximal și metabolism, deoarece a reglementat direct expresia genelor metabolice și specifice tubului proximal. Acest lucru și alte studii scRNA-seq au evidențiat, de asemenea, o diversitate neapreciată anterior a celulelor imune din rinichiul bolnav [38,39].

O limitare importantă a tuturor tehnicilor de transcriptomică discutate este absența informațiilor spațiale. Noile platforme de transcriptomică fac acum posibilă vizualizarea exprimării ARNm în spațiu, prin recoacere și fixare a secțiunilor de țesut direct pe sonde cu coduri de bare unice, imaginând secțiunea de țesut și efectuând transcripție inversă in situ, urmată de eliberarea și secvențierea sondei [40]. Transcriptoamele secvențiate pot fi ulterior mapate înapoi pe secțiunea de țesut imagine. Această tehnologie de transcriptomică spațială a permis localizarea specifică a celor două tipuri de celule distincte din punct de vedere transcripțional ale segmentului tubului proximal S3 [41] la cortex și banda exterioară a medulului extern [42].În diferite AKI murine (leziuni renale acute), deconvoluția spoturilor transcriptomice spațiale individuale folosind date scRNA-seq a dezvăluit AKI (leziuni renale acute) modele specifice modelului de infiltrare a celulelor imune și au permis identificarea unei populații distincte de celule tubulare proximale care exprimă Af3-, colocalizând cu neutrofile după IRI [43]. Aceste studii ilustrează potențialul omicului spațial-temporal de a prezice controalele micromediului asupra răspunsurilor celulare după AKI (leziuni renale acute).

Epigenomica

Programele specifice tipului celular de expresie diferențială a genelor depind de modificarea epigenetică a cromatinei (de exemplu, metilarea și acetilarea histonelor) și ADN (de exemplu, prin metilarea citozinei la reziduurile CpG) ca răspuns la regulatorii transcripționali de legare la ADN și factorii asociați. Un număr acumulat de dovezi sugerează un rol important de reglare pentru mecanismele epigenetice în AKI (leziuni renale acute) și repararea renală [44-46]. Având în vedere recenzii aprofundate excelente[44-47], subliniem doar pe scurt studii epigenomice recente selectate în AKI (leziuni renale acute) cercetare.

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 la sută după UUO. În mod interesant, au fost raportate modificări complementare în diferite semne ale aceluiași aminoacid, sugerând un răspuns coordonat la AKI (leziuni renale acute) [48].

Promotorii evidențiați H3K4me3-au fost comparați cu potențiatorii marcați cu H3K27ac după AKI (leziuni renale acute) folosind imunoprecipitarea cromatinei și secvențierea de generație următoare (ChIP-seq)[49]. Site-urile de îmbunătățire activă au afișat o schimbare mai dinamică ca răspuns la AKI (leziuni renale acute). Modificările cromatinei la situsurile de amplificare active au fost asociate cu legarea alterată a factorilor de transcripție, cum ar fi Hnf4a, Gr și Stat3. Hnf4a este un factor de transcripție cheie în specificarea și diferențierea celulelor tubulare proximale [50]. celulele tubulare proximale au scăzut ca răspuns la AKI (leziuni renale acute) [49]. Acest lucru contribuie probabil la AKI (leziuni renale acute)-indusă dediferențierea celulelor tubulare proximale lezate. Stat3 este un regulator transcripțional cheie într-o rețea inflamatorie cu NF-KB și factori de reglare a proteinei activatoare-1(AP{-1) [51]. Activarea căii AP-1 este foarte conservată ca o inițială răspuns la mouse-ul AKI (leziuni renale acute) și IRI asociat transplantului de rinichi uman [24,25].Angajarea Stat3 la locusul Junb ca răspuns la AKI (leziuni renale acute) sugerează un rol pentru inactivarea Stat3 a componentelor transcripționale AP-1[49]. În plus, inhibarea activării amplificatorului dependent de bromodomain și extraterminal (BET) a afectat recuperarea după AKI (leziuni renale acute), evidențiind rolul important al dinamicii amplificatorului în AKI (leziuni renale acute)reparare[49].

ATAC-seq a devenit cea mai utilizată metodologie pentru evaluarea deschiderii cromatinei și deducerea activității regiunilor genomice reglatoare și transcrise. Rapid, tehnologia ATAC-seq a trecut de la testele sensibile de țesut în vrac cu doar 500 de celule, la o analiză nucleară unică și, cel mai recent, la analiza paralelă a stării cromatinei și a expresiei genelor în aceeași celulă [41,52-54]. ATAC-seq folosește transpozaza hiperactivă Tn5 pentru a tăia la cromatina deschisă și a tăia ADN-ul cu etichete cu adaptoare ADN pentru a facilita construirea bibliotecii și secvențierea ADN (Figura 2). Având în vedere doar două site-uri țintă în fiecare genom, datele ATAC sunt rare, iar studiile snATAC utilizează abordări computaționale pentru a grupa celulele cu profiluri snATAC similare și pentru a se integra cu seturi de date sc sau snRNA-seq generate independent. Un studiu recent a profilat eterogenitatea celulară în probele de rinichi umani adulți sănătoși cu seturi de date snATAC-seq și snRNA-seq integrate computațional [55]. Interesant, studiul a identificat o subpopulație de celule tubulare proximale care exprimă VCAM1-, care a arătat o activitate redusă a HNF4A și o activitate crescută a membrilor familiei NF-KB, asemănând parțial cu celulele tubulare proximale lezate proinflamatorii și profibrotice identificate în rinichiul șoarecelui mai multe. săptămâni după AKI (leziuni renale acute) [34,35,55]. Abundența acestei populații de celule a crescut în timp la șoarecii în vârstă și a fost mai mare la rinichii diabetici umani decât la martorii sănătoși. Astfel, unele răspunsuri celulare par să fie conservate între diferite boli de rinichi și între specii. Cu toate acestea, în ce măsură această populație de celule contribuie la pierderea funcției renale legată de vârstă șiboală de rinichiprogresia necesită investigații suplimentare.

Detectarea tipului de celule și predicțiile de reglementare sunt îmbunătățite prin coanalizarea snRNA-seq și snATAC-seq în același nucleu [41]. Această tehnică a fost folosită recent pentru a caracteriza țesutul renal uman sănătos și AKI (leziuni renale acute) și biopsii CKD care dezvăluie o nouă diversitate celulară în rinichiul normal și evidențiază stări de leziuni comparabile la AKI la șoarece și la uman (leziuni renale acute), precum și stări modificate ale celulelor membrelor ascendente groase, caracterizate prin expresia Proml și Dcd2 [56]. În plus, transcriptomica spațială a localizat miofibroblastele și celulele imune din probele de CKD în locurile de leziune a tubului proximal [56].

Cistanche restabilește funcția renală afectată

Proteomica si metabolomica

Studiul proteinelor și metaboliților din plasmă, urină și țesutul renal folosind electroforeza pe gel și spectrometria de masă completează instrumentele transcriptomice și epigenomice. Spectrometria de masă poate identifica și cuantifica macromolecule (de exemplu proteine) și metaboliți celulari dintr-un țesut complex, măsurând proprietățile de sarcină de masă distincte molecular ale moleculelor atunci când sunt ionizate și supuse unui câmp magnetic sau electric (Figura 2)[57]. Multe studii de proteomică au fost direcționate către identificarea biomarkerilor pentru AKI (leziuni renale acute)(examinat cuprinzător în altă parte[57-59]). De exemplu, nivelurile inhibitorului de țesut urinar al metaloproteinazei-2(TIMP2) și proteinei care leagă IGF-7(IGFBP7) s-au dovedit a fi predictive pentru deces și insuficiență renală la pacienții critici cu AKI (leziuni renale acute) [60]. Tratamentul pacienților copozitivi TIMP2 și IGFBP7 cu măsuri de îngrijire de susținere în conformitate cu ghidurile Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) pentru pacienții cu risc crescut de AKI(leziuni renale acute) AKI redus (leziuni renale acute) dezvoltarea în primele 72 de ore după intervenția chirurgicală cardiacă, dar nu a afectat mortalitatea și necesitatea terapiei de substituție renală [61]. Aceste rezultate și constatări din alte studii de biomarkeri sunt încurajatoare; cu toate acestea, biomarkerul ideal sau, mai probabil, panoul de biomarkeri pentru AKI (leziuni renale acute)evaluarea riscurilor, AKI vizată (leziuni renale acute)prevenirea, diagnosticul predictiv și, eventual, chiar ghidarea terapeutică în practica clinică de rutină nu au fost încă identificate.

Pe lângă impulsul pentru AKI eficient (leziuni renale acute) biomarkeri, proteomica poate fi, de asemenea, utilizată pentru a interoga AKI (leziuni renale acute) fiziopatologie [62]. Un studiu preclinic al AKI indusă de cisplatină (leziuni renale acute)a evidențiat o corelație slabă între transcriptom și proteom în rinichiul lezat [63]. Studiul a sugerat că discrepanța dintre cele două abordări a fost determinată de modificările proteinelor din compartimentul extracelular, de exemplu, în sistemul complementului [63]. Interesant, gradul de disociere dintre expresia ARN și proteinei a fost puternic corelat cu severitatea leziunii, așa cum este indicat de nivelurile de creatinine serice și de azot din ureea din sânge [63]. Acest lucru evidențiază relevanța modificărilor post-transcripționale în AKI (leziuni renale acute)raspuns.

Recent, profilarea proteomică aproape de o singură celulă, care permite măsurători proteomice cantitative de la 10 până la 100 de celule de rinichi microdisecate cu captură cu laser, a fost utilizată pentru a identifica proteinele specifice compartimentului glomerular și tubular proximal în rinichiul sănătos [64] . Unele dintre cele mai îmbogățite proteine ​​specifice compartimentului s-au corelat bine cu expresia genei corespunzătoare în podocit și, respectiv, grupul de tubul proximal al unui set de date scRNA-seq. În plus, mai mult de 40 de markeri proteici pot fi detectați simultan pe o singură secțiune de țesut prin citometria de masă imagistică (IMC), permițând astfel studiul proteomului în context spațial [65]. IMC al rinichiului uman sănătos a evidențiat o eterogenitate celulară neașteptată și a identificat un tip rar de celulă pozitivă megalină/aquaporin-1/vimentină (Lrp2/Aqp1/Vim) care reflectă potențial un tub proximal (Vim plus) lezat (Lrp2 plus /Aqp1). plus )starea celulei [65]. Aplicarea acestor tehnologii la AKI (leziuni renale acute) cercetarea va oferi perspective critice asupra peisajului proteomic al vătămărilor și reparațiilor.

Studiul metabolomului renal (molecule mai mici de 1500 Da [62]) a avansat și mai mult în înțelegerea AKI (leziuni renale acute) fiziopatologie.

Metabolomic

Profilarea țesutului renal lezat folosind cromatografie lichidă-spectrometrie de masă a condus la descoperirea că sinteza neo-nicotinamidei adenin dinucleotide (NAD plus) este afectată în AKI (leziuni renale acute) [66]. Reglarea în jos a regulatorului biogenezei mitocondriale PGCla în AKI (leziuni renale acute) a dus la depleția locală de NAD plus, în timp ce supraexpresia PGC1 a crescut nivelurile renale de NAD plus și a redus AKI (leziuni renale acute) [66]. Ecranele imparțiale de urină au demonstrat, de asemenea, niveluri crescute de NAD plus precursor de chinolină în urina șoarecilor după IRI [67], rezultată dintr-o reducere a chinolin fosforiboziltransferazei renale (QPRT), o enzimă cheie în sinteza NAD plus de novo [67]. Nivelurile QPRT renale reduse au fost asociate cu AKI mai mare(leziuni renale acute) susceptibilitate [67]. Tratamentul oral cu nicotinamidă a salvat AKI (leziuni renale acuteNAD renal indus de ) plus deficiența biosintetică la șoareci și un mic studiu clinic de fază 1 a sugerat un beneficiu renal potențial al tratamentului cu nicotinamidă la pacienții supuși unei intervenții chirurgicale cardiace [67]. Un studiu metabolomic al biopsiilor de transplant de rinichi umani, înainte și după reperfuzie, a arătat un profil metabolic diferit al transplanturilor cu funcție de grefa întârziată în viitor, comparativ cu transplanturile fără funcție de grefa întârziată [68]. Transplantele cu funcția grefă întârziată în viitor au fost caracterizate prin catabolism persistent ATP/GTP, sugerând restabilirea timpurie a homeostaziei energetice ca scop terapeutic în AKI (leziuni renale acute) prevenire [68]. Imagistica prin spectrometrie de masă (MSI) este o tehnică puternică utilizată pentru a vizualiza distribuția spațială a metaboliților, proteinelor sau lipidelor, cu rezoluție celulară și subcelulară [69]. Analiza MSI a rinichilor lezați a arătat că lipidomicul a folosit ch coll .x7rr pentru a diferenția între ischemia ușoară și severă încă de la 2 ore după leziune [70,71].

Concluzii și perspectivă

Tehnologiile omice disponibile ne-au propulsat înțelegerea AKI (leziuni renale acute) și reparați. Integrarea sau achiziția simultană a diferitelor seturi de date Omics va îmbunătăți și mai mult cunoștințele despre AKI (leziuni renale acute), iar constatările coroborative din abordări ortogonale vor oferi mai multă încredere mecanismelor identificate. Noi perspective, instrumente și resurse informaționale se acumulează odată cu investiția NIDDK în mai multe consorții mari, inclusiv Proiectul de medicină de precizie a rinichilor și Programul de reconstrucție a rinichilor. Marea provocare a acestei ere a „big data” este de a deduce mecanisme relevante din punct de vedere biologic din seturi de date extrem de complexe pentru a democratiza accesul la aceste date prin intermediul platformelor de vizualizare și analiză a datelor ușor de utilizat și, în cele din urmă, de a traduce cunoștințele noastre fiziopatologice tot mai mari în diagnostic și strategii terapeutice care îmbunătățesc îngrijirea pacientului și AKI (leziuni renale acute) rezultate.

Declarație de interese concurente

Autorii declară următoarele interese financiare/relații personale care pot fi considerate potențiale interese concurente: APMeste un consilier științific privind abordările legate de rinichi ale bolilor umane pentru Novartis, eGenesis, Aviva și Trestle Biotherapeutics.

Mulțumiri

Ne cerem scuze tuturor cercetătorilor a căror activitate nu a putut fi discutată din cauza limitărilor de spațiu. Mulțumim Dr. Pietro E.Cippà pentru lectura critică a manuscrisului. LMS Gerhardt a fost susținut de Fundația Germană de Cercetare (DFG), Germania, cu o bursă postdoctorală (GE 3179/1-1). Munca în laboratorul lui AP McMahon este susținută de granturi de la NIDDK, Statele Unite (DK126024,54364,126925) și ChanZuckerberg Initiative, Statele Unite (CZIF2019-002430).

Referințe

Lucrările de interes deosebit, publicate în perioada de revizuire, au fost evidențiate ca:

1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Leziuni renale acute, mortalitatea, durata șederii și costurile la pacienții spitalizați.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 Nephrology's 0by25 initiative forleziuni renale acute(zero decese prevenibile până în 2025): un caz privind drepturile omului pentru nefrologie.Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Hsu RK, Hsu CY: Rolul luileziuni renale acuteîn 3. H cronică boală renală. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.

4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Leziuni renale acuteși boala cronică de rinichi ca sindroame interconectate. 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: Fiziopatologia COVID-19-asociatăleziuni renale acute. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Această recenzie oferă o imagine de ansamblu detaliată a literaturii actuale legate de COVID-19-asociatleziuni renale acute.

6. Zuk A, Bonventre JV: Recent advances onleziuni renale acute6. 2 și consecințele și impactul acestuia asupra bolii cronice de rinichi. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Această recenzie excelentă rezumă mecanismele fiziopatologice care stau la baza tranziției de la leziunea renală acută la cea cronică și evidențiază rolul disfuncției mitocondriale, inflamației, senescenței și morții celulare în acest proces.

7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW, et al: US renal data system 2018 annual data report: epidemiology of kidney disease in Statele Unite. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 Annual Data Report disponibil la: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volum{{9} }ckd_în_the_us.pdf. (Accesat 11 aprilie 2021).

8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mecanisme de dezadaptare 8. reparare după AKI (leziuni renale acute) conducând la îmbătrânirea accelerată a rinichilor și CKD. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD: 9. Celulele epiteliale renale diferențiate repară tubii proximali lezați. Proc Natl Acad Sci US 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: Activarea Sox9 evidențiază o cale celulară de reparare renală în rinichiul de mamifer afectat acut.Cell Rep 2015,12:1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Celulele progenitoare Sox9 pozitive joacă un rol cheie în regenerarea epitelială a tubului renal la șoareci. Cell Rep 2016,14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Stoparea ciclului celular epitelial în G2/M mediază fibroza renală după leziune. Nat Med 2010, 16:535-543.

13. Xu K, Rosenstiel P, Paragas N, Hinze C, Gao X, Shen TH, Werth M, Forster C, Deng R, Bruck și colab.: Programele transcripționale unice identifică subtipurile de AKI (leziuni renale acute).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.

14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogeneity of epigenetic changes at ischemia/reperfuzie- și induse de endotoxinăleziuni renale acutegenele. 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 și colab.: Genome-wide association study ofleziuni renale acutedupă chirurgia de bypass coronarian identifică loci de susceptibilitate. Kidney Int 2015,88:823-832.

16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, BelcherJM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD și colab.: Un studiu de asociere la nivel de genom pentru a identifica polimorfisme cu o singură nucleotidă pentruleziuni renale acute.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 și colab.: IRF2 induce transcripțional expresia GSDMD pentru piroptoză. Sci Signal 2019, 12.

18. Matsuyama T, Kimura T, Kitagawa M, Pfeffer K, Kawakami T, Watanabe N, Kündig TM, Amakawa R, Nishihara K, Wakeham A: întreruperea vizată a IRF-1 sau IRF-2 are ca rezultat inducerea genei IIFN de tip anormal și dezvoltarea aberantă a limfocitelor. Cell 1993, 75:83-97.

19. Papaioannou VE: Familia de gene T-box: roluri emergente în dezvoltare, celule stem și cancer. Dezvoltare 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶No association between genetic loci near IRF2 and TBX1 andleziuni renale acutein the criticly ill.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.