Как восстановить и лечить острую травму почек?

Контактное лицо: Одри Хуaudrey.hu@wecistanche.com

Мультиомические подходы к острому повреждению и восстановлению почек

Луиза М.С. Герхардт и Эндрю П. МакМахон

Абстрактный

Почки обладают замечательной регенеративной способностью. В ответ на ишемическое или токсическое повреждение клетки проксимальных канальцев могут пролиферировать, чтобы восстановить поврежденные канальцы и восстановить функцию почек. Тем не менее, тяжелыеострая почечная недостаточность(ОПН) или рецидивирующее ОПП (острая почечная недостаточность) события могут привести к неадекватному восстановлению и прогрессированию заболевания из-за ОПП (острая почечная недостаточность) кхроническое заболевание почек(ЧКД). Применение одноклеточных технологий выявило поврежденные состояния клеток проксимальных канальцев через несколько недель после АК1. (острая почечная недостаточность), отличающийся провоспалительной старческой молекулярной сигнатурой. Эпигенетические исследования выявили динамические изменения хроматинового ландшафта почек после ОПП. (острая почечная недостаточность)и описали ключевые факторы транскрипции, связанные с ОПП (острая почечная недостаточность) отклик. Интеграция мультиомных технологий открывает новые возможности для улучшения нашего понимания ОПП (острая почечная недостаточность) и движущие силы AKl (острая почечная недостаточность) к ХБП с конечной целью разработки индивидуальных диагностических и терапевтических стратегий для улучшения ОПП (острая почечная недостаточность) результаты и предотвращениеБолезнь почекпрогресс.

Ключевые слова: Острое повреждение почек, Мультиомика, Эпигеномика, секвенирование одноклеточной РНК, секвенирование ATAC.

Введение

Острое повреждение почек(ОПН), диагностируемое по внезапному повышению уровня креатинина в сыворотке и/или уменьшению объема мочи, является широко распространенным состоянием, связанным с повышенной заболеваемостью и смертностью, а также со значительными расходами на здравоохранение [1–4]. Например, текущие данные свидетельствуют о том, что по крайней мере у 25 процентов всех госпитализированных пациентов с COVID-19 развивается ОПП (острая почечная недостаточность) и что эти пациенты имеют значительно более высокий риск смертности, чем пациенты с COVID-19 без ОПП (острая почечная недостаточность) [5]. Пациенты, пережившие ОПП (острая почечная недостаточность) подвержены повышенному риску перехода в хроническую и терминальную стадии болезни почек [3,4,6]. Согласно ежегодному отчету US Renal Data System за 2018 г., только 52,6% госпитализированных пациентов по делам ветеранов, у которых был обнаружен ОПП (острая почечная недостаточность)критериям диагноза, был поставлен диагноз ОПП (острая почечная недостаточность), призывая к большей осведомленности об ОПП (острая почечная недостаточность) в больничной рутине [7]. Кроме того, ранняя диагностика ОПП (острая почечная недостаточность)ограничивается отсутствием чувствительных биомаркеров и доступными вариантами лечения ОПП (острая почечная недостаточность) продолжают полагаться на гемодинамическую оптимизацию, предотвращение нефротоксичности и заместительную почечную терапию.

Клетки проксимальных канальцев, наиболее распространенный тип клеток в почках, ответственны за большую часть реабсорбции почечной жидкости и растворенных веществ и стали основными участниками адаптивных и дезадаптивных реакций на ОПП.острая почечная недостаточность) [8]. Из-за их высокой метаболической активности и зависимости от окислительного метаболизма ишемия быстро приводит к истощению АТФ, накоплению активных форм кислорода и, в конечном итоге, к апоптозу или некрозу клеток проксимальных канальцев (рис. 1). Клетки проксимальных канальцев, пережившие ишемическое событие, обладают способностью дедифференцироваться, пролиферировать и восстанавливать поврежденные канальцы, таким образом играя важную роль в процессе адаптивного восстановления для восстановления функции почек [9-11]. Однако неадекватные клетки проксимальных канальцев, характеризующиеся провоспалительным и профибротическим фенотипом, также участвуют в прогрессировании заболевания при ОПП.острая почечная недостаточность) к хронической болезни почек (ХБП), сложному процессу, включающему воспаление, разрежение сосудов и продукцию внеклеточного матрикса активированными перицитами и миофибробластами (рис. 1) [8,12]. Технологии Omics, изучающие геномную организацию, экспрессию генов и белковые продукты, такие как анализ доступного для транспозазы хроматина с использованием секвенирования (ATAC-seq), секвенирования мРНК и масс-спектрометрии, соответственно, значительно улучшили молекулярное понимание клеточных ответов, инициируемых ОПП.острая почечная недостаточность). Совсем недавно применение этих подходов к одной клетке позволило изучать клеточные события с беспрецедентно высоким разрешением. Эти и другие мультиомные подходы обещают всестороннее понимание регуляторных механизмов, управляющих заболеванием почек, открывая новые возможности для открытия биомаркеров и лекарств. В этой рукописи рассматриваются недавние результаты применения технологии omics дляповреждение почеки ремонт, а также рассматривает будущее применение мультиомических подходов для улучшения понимания и леченияповреждение почека такжеБолезнь почек.

Фигура 1:Обзор AKI и процессов.

Клетки проксимальных канальцев очень восприимчивы к ишемии, которая может привести к гибели клеток в результате апоптоза и регулируемого (пироптоз, ферроптоз, некроптоз), а также нерегулируемого некроза и отторжения как мертвых, так и жизнеспособных клеток в просвет канальца. Выжившие клетки проксимальных канальцев (PTC) могут дедифференцироваться и пролиферировать, чтобы восстановить архитектуру и функцию почек; однако неадекватное восстановление также может привести к прогрессированию заболевания до хронической болезни почек (ХБП). Этот процесс характеризуется разрежением сосудов, дифференцировкой перицитов в миофибробласты, повышенным отложением фиброзного внеклеточного матрикса (ECM), потерей канальцев и хроническим воспалением. Nfkb1 плюс PTC с неудачным восстановлением, характеризующиеся секреторным фенотипом, ассоциированным со старением (SASP), вероятно, играют важную роль в ОПП. (острая почечная недостаточность)переход от -к ХБП.

Геномика

Геномные исследования направлены на выявление генетической основы заболевания путем целевого секвенирования генов-кандидатов на основе гипотез или безгипотезного секвенирования всего генома. Здесь мы сосредоточимся на полногеномных ассоциативных исследованиях (GWAS), в которых используется беспристрастный подход к сопоставлению вариантов последовательностей по всему геному с фенотипическими признаками, такими как признаки болезни, и которые позволяют идентифицировать гены-кандидаты для механистических исследований (рис. 2). По сравнению с другими признаками болезни, доступное количество GWAS, исследующих генетический фон ОПП (острая почечная недостаточность) мало. Частично это связано со сложной и гетерогенной природой ОПП (острая почечная недостаточность) как признак болезни. АКИ (острая почечная недостаточность) может быть вызвано множеством различных факторов, таких как ишемия, сепсис, нефротоксические препараты и обструктивная нефропатия. Текущие данные свидетельствуют о том, что лежащие в основе ОПП молекулярные и клеточные механизмы (острая почечная недостаточность) имеют причинно-специфические компоненты [13,14], но общепринятое определение ОПП (острая почечная недостаточность) — изменение креатинина сыворотки и диуреза — не учитывает различные ОПП (острая почечная недостаточность) причины.

Проиллюстрирован упрощенный рабочий процесс для полногеномного исследования ассоциации (GWAS) (вверху слева). Чтобы изучить связь между генетическими вариантами и конкретным признаком, в популяции выполняется секвенирование всего генома или генотипирование с использованием массивов однонуклеотидного полиморфизма (SNP), а для выявления SNP, связанных с интересующим признаком, используются тесты статистической ассоциации. Для секвенирования РНК одной клетки (вверху справа) готовят суспензию одной клетки, выделяют отдельные клетки и захватывают молекулы мРНК из клетки (или ядра) на шариках для последующего преобразования в кДНК. кДНК амплифицируют, и последовательности определяют секвенированием следующего поколения (NGS) и картированием последовательностей в геноме. Для эпигеномного анализа (внизу справа) за анализом доступного для транспозазы хроматина (ATAC) следует NGS и картирование последовательности для визуализации доступности хроматина в масштабе всего генома. Гиперактивная транспозаза Tn5 (Tn5) используется для специфического расщепления участков открытого хроматина и одновременной вставки адаптеров для секвенирования для NGS. Области повышенной доступности хроматина показаны как пики ATAC. Для протеомного анализа с помощью масс-спектрометрии (внизу слева) белки экстрагируются, перевариваются в пептиды и ионизируются. В масс-спектрометре ионы ускоряются, подвергаются воздействию магнитного поля и измеряется отношение их массы к заряду, что позволяет идентифицировать и количественно определять белки.

На сегодняшний день два более крупных GWAS исследовали генетический фон ОПП (острая почечная недостаточность). Первое исследование показало связь одиночных ядерных полиморфизмов (SNP) в локусе GRM7 LMCD1-AS1 и BBS9 с ОПП, связанным с коронарным шунтированием (острая почечная недостаточность) в когорте открытия из 873 пациентов и когорте репликации [15]. Второй объединил пациентов из двух разных когорт, чтобы сформировать популяцию для открытия из 1429 пациентов в критическом состоянии, и выявил четыре ОПП.острая почечная недостаточность)-ассоциированные SNP в непосредственной близости либо к фактору регуляции интерферона 2 (IRF2), либо к фактору транскрипции T-box 1 (TBX1) [16]. Интересно, что IRF2 был связан с пироптозом и играет регулирующую роль в иммунной системе [17,18], а TBX1 является частью семейства генов T-box, группы транскрипционных факторов, играющих важную роль в клеточной судьбе и регуляции состояния клеток [19]. ]. Однако связь между ОПП (острая почечная недостаточность), и эти локусы не могли быть воспроизведены в проспективной когорте пациентов в критическом состоянии, которые были специфически генотипированы по выявленным SNP [20]. Это подчеркивает необходимость еще большего размера выборки для будущего ОПП (острая почечная недостаточность) GWAS и иллюстрирует трудности выявления надежных генетических факторов риска гетерогенных заболеваний, таких как ОПП (острая почечная недостаточность).

Кроме того, анализ локусов количественных признаков экспрессии (eQTL), вероятно, поможет перевести данные, полученные с помощью GWAS, на механизмы заболевания. Анализ OTL направлен на выявление локусов, которые объясняют часть вариабельности экспрессии генов в ткани и могут использоваться для связывания SNP в некодирующем геноме с экспрессией целевого гена. Например, интегративный подход, сочетающий GWAS, eOTL и функциональные эксперименты, привел к идентификации генов, вовлеченных в патогенез ХБП [21-23].

Фигура 2:Схема избранных технологий omics.

Транскриптомика

Появление новых масштабируемых технологий для изучения транскриптома клеток в поврежденной почке произвело революцию в нашем понимании клеточных ответов на ОПП.острая почечная недостаточность), раскрывая новые состояния клеток и освещая динамически меняющийся ландшафт транскрипции восстанавливающейся почки. Массовое секвенирование мРНК почек в течение года после ОПП (острая почечная недостаточность) продемонстрировали специфичные во времени изменения экспрессии генов, связанные с повреждением канальцев, пролиферацией, восстановлением, фиброзом и иммунитетом [24]. Это мышка АКИ(острая почечная недостаточность) данные биобанка показали, что гены, связанные с воспалением, все еще активировались через год после ОПП (острая почечная недостаточность), предполагая, что персистирующее воспаление является движущим фактором прогрессирования заболевания до ХБП. Массовое секвенирование мРНК рутинных биопсий почечного трансплантата позволило профилировать краткосрочные и долгосрочные транскрипционные изменения в трансплантатах почек человека, вызванные ишемическим/реперфузионным повреждением (ИРИ) во время трансплантации [25]. Все биопсии почек, взятые в первые часы после реперфузии, показали сходный профиль транскрипции, характеризующийся активацией генов немедленного и раннего ответа, многие из которых кодируют факторы регуляции транскрипции.

Однако через 3 и 12 месяцев после трансплантации можно выделить две расходящиеся траектории, связанные либо с выздоровлением, либо с прогрессированием ХБП. Траектория, подобная ХБП, показала снижение экспрессии генов, связанных с митохондриальным биогенезом, и усиление экспрессии генов, связанных с воспалением и фиброзом, как это наблюдалось в модели ОПП у мышей.острая почечная недостаточность) [24,25]. Исследования как на мышах, так и на людях указывают на важную роль активности Т- и В-клеток и появления очагов третичной лимфоидной ткани в отдаленных исходах ОПП.острая почечная недостаточность) [25,26]. Анализ ОПП у мышей (острая почечная недостаточность) наборы данных биобанка и трансплантации почки человека доказывают, что активность В-клеток, управляемая аутоантигеном, способствует прогрессированию заболевания за счет устойчивого иммунного ответа через год после ОПП (острая почечная недостаточность) [27].

Хотя объемное секвенирование мРНК оказалось высокоинформативным при ОПП (острая почечная недостаточность) исследования, клеточно-специфические ответы не дифференцируются с помощью этого метода. Генетические подходы к маркировке отдельных типов клеток обеспечивают большую точность и дополнительную информацию. Например, при трансляции рибосомной аффинной очистки (TRAP) используется маркировка eGFP рибосомной субъединицы L10a для идентификации специфического подмножества мРНК в отдельных типах клеток, подвергающихся активной трансляции [28]. Первое исследование TRAP при ОПП (острая почечная недостаточность) в исследовании использовалась генетическая модель опосредованной рекомбиназой CRE активации кассеты eGFP-L10a, особенно в нефронах, стромальных, сосудистых или иммунных типах клеток, и были показаны отчетливые транскрипционные изменения, связанные с каждым клеточным компартментом после ОПП (острая почечная недостаточность) [29]. Многие гены, связанные с функцией почечных канальцев, подавлялись через 24 ч после ОПП.острая почечная недостаточность). Напротив, гены, участвующие в активности антиапоптотического пути, клеточной пролиферации и клеточном движении, были заметно активизированы. TRAP-анализ клеток проксимальных канальцев, выделенных маркером повреждения Kim-1(кодируется Hazel), показал, что большинство Kim-1-положительных клеток успешно восстанавливаются через две недели после ОПП (острая почечная недостаточность), хотя 15 % сохраняли экспрессию Kim-1 и маркера повреждения Sox9 [10], что указывает на постоянное повреждение клеток [30]. Клональный анализ показал, что экспансия Kim-1 положительных клонов повторно заселяла поврежденные проксимальные канальцы, подтверждая модель репарации посредством дедифференцировки клеток проксимальных канальцев, а не посредством специфической популяции стволовых клеток/клеток-предшественников [30]. Транскрипция FoxMI сильно активировалась в Kim-1-позитивных клетках проксимальных канальцев, и было показано, что она стимулирует пролиферацию проксимальных канальцев in zitro зависимым от рецептора эпидермального фактора роста образом [30]. Подходы к высокопроизводительному секвенированию мРНК одиночных клеток, изучающие профили секвенирования мРНК цельных клеток (scRNA-seq) или локализованные в ядре транскрипты мРНК (snRNA-seq), значительно усилили ОПП.острая почечная недостаточность) учеба. Эти подходы обеспечивают глубокое молекулярное понимание экспрессии генов на клеточном уровне в сочетании с мощными вычислительными подходами, идентифицируя различные типы клеток и состояния клеток по всему органу [31,32]. scRNA-seq начинается с суспензии отдельных клеток или отдельных ядер, которые помечены уникальными молекулярными метками и подвергнуты лизису (рис. 2). Затем мРНК подвергают обратной транскрипции, амплификации и секвенированию. Исследование snRNA-seq на почках, подвергшихся односторонней обструкции мочеточника (UUO), выявило два новых кластера клеток проксимальных канальцев через 14 дней после UUO, один из которых имел сильную пролиферативную характеристику, в то время как другие экспрессировали гены, участвующие в воспалении и движениях клеток, такие как Ccl2, II34, Cxcl1 и Dock10 [33].

Подобная клеточная популяция очевидна в исследовании snRNA-seq, определяющем профиль поврежденной почки после IRI [34]. В первые часы после ИРИ наблюдается подавление нормальной экспрессии генов проксимальных канальцев и выраженный транскрипционный ответ, включающий непосредственные ранние гены и известные маркеры повреждения HuverI и Krt20 [24,25,34]. Ко второму дню после IRI большая часть клеток проксимальных канальцев либо демонстрировала пролиферативный профиль, либо восстанавливала t-транскрипционную сигнатуру, характерную для дифференцированных клеток проксимальных канальцев. Однако небольшая популяция провоспалительных, профибротических клеток, характеризующаяся экспрессией Vcaml в большинстве клеток и коэкспрессией Cal2 в подгруппе, предсказывала активность семейства факторов транскрипции NF-KB. Пролиферирующие клетки проксимальных канальцев уменьшились через две недели после ОПП (острая почечная недостаточность), увеличилось количество провоспалительных профибротических клеток проксимальных канальцев, что указывает на связь между неудачным восстановлением канальцев и наблюдаемой популяцией провоспалительных профибротических клеток (рис. 1). Интересно, что деконволюционный анализ объемных исследований секвенирования РНК показал, что аналогичная популяция увеличивается по мере нормального старения почки и после трансплантации.

В соответствии с вышеупомянутым исследованием [34], генетически селективный фокус на поврежденных клетках проксимальных канальцев через четыре недели после более легкого ОПП (острая почечная недостаточность) с использованием мышей Krt20-T2A-CRE-ERT2 для мечения и очистки поврежденных клеток проксимальных канальцев продемонстрировал сходный фенотип поврежденных клеток: популяция VcamI/Cal2 плюс поврежденные клетки проксимальных канальцев, которая дополнительно отличалась сильным провоспалительным ( например, Cal2, Vcam1, Cxcl1, /34) и профиброзную (например, Pdgfb, ColAal) транскрипционную сигнатуру с заметной активацией передачи сигналов NF-KB, TNF и AP-1 [35]. Эти поврежденные клетки проксимальных канальцев имеют общие черты секреторного фенотипа, ассоциированного со старением (SASP), идентифицированного в других поврежденных органах (рис. 1) [35,36]. В отличие от предыдущего ОПП (острая почечная недостаточность) исследования [12], в этой популяции не наблюдалось значимой остановки клеточного цикла G2/M. Дополнительные эксперименты по картированию судеб циклирующих клеток показали, что большинство VcamI плюс/Cal2 плюс клетки проксимальных канальцев, локализованные на кортикомедуллярной границе, восходят к клеткам проксимальных канальцев, пролиферирующим в первые дни после ОПП.острая почечная недостаточность). Однако кортикальные клетки проксимальных канальцев Vuamt plus/Cu2, вероятно, представляли собой вторичные участки повреждения, не связанные с ранней репарацией проксимальных канальцев, связанной с репликацией.

исчерпывающий атлас реакции на повреждение при реперфузии односторонней ишемии (UIR), выполняющий секРНК в несколько моментов времени с первого по 14-й день после UIR, выявил повышенную экспрессию в поврежденных клетках Sox4 и Cd24a, генов, идентифицированных для роли в развитии почек [37]. Сообщалось также о новой клеточной популяции, «клетки смешанной идентичности», проявляющей коэкспрессию маркеров проксимальных канальцев (Sl34a7), толстого восходящего отдела (Umod) или собирательных трубочек (Agp2). Данные scRNA-seq для мышиной фолиевокислотной нефропатии и моделей UUO показали, что сниженная экспрессия маркеров дифференцировки, таких как переносчики растворенных веществ, в поврежденных клетках проксимальных канальцев связана с подавлением генов, участвующих в метаболических процессах, таких как окисление жирных кислот [38]. Ядерный рецептор Esrra был идентифицирован как важная связь между дифференцировкой проксимальных канальцев и метаболизмом, поскольку он непосредственно регулирует экспрессию метаболических и специфичных для проксимальных канальцев генов. Это и другие исследования scRNA-seq также выявили ранее недооцененное разнообразие иммунных клеток в больной почке [38,39].

Одним из важных ограничений всех обсуждаемых методов транскриптомики является отсутствие пространственной информации. Новые транскриптомные платформы теперь позволяют визуализировать экспрессию мРНК в пространстве путем отжига и фиксации срезов ткани непосредственно на зондах с уникальным штрих-кодом, визуализации среза ткани и выполнения обратной транскрипции in situ с последующим высвобождением зонда и секвенированием [40]. Секвенированные транскриптомы впоследствии могут быть нанесены на карту изображенного среза ткани. Эта технология пространственной транскриптомики позволила специфически локализовать два транскрипционно различных типа клеток проксимального сегмента канальца S3 [41] в коре и наружной полосе наружного мозгового вещества [42]. При различных ОПП мышей (острая почечная недостаточность) моделей, деконволюция отдельных пространственных транскриптомных пятен с использованием данных scRNA-seq выявила ОПП (острая почечная недостаточность) модельно-специфические паттерны инфильтрации иммунных клеток и позволили идентифицировать отдельную популяцию клеток проксимальных канальцев, экспрессирующих Af3-, совместно локализующуюся с нейтрофилами после IRI [43]. Эти исследования иллюстрируют потенциал пространственно-временной омики для прогнозирования контроля микросреды над клеточными реакциями после ОПП.острая почечная недостаточность).

Эпигеномика

Специфические для типов клеток программы дифференциальной экспрессии генов зависят от эпигенетической модификации хроматина (например, метилирование и ацетилирование гистонов) и ДНК (например, путем метилирования цитозина по остаткам CpG) в ответ на ДНК-связывающие регуляторы транскрипции и ассоциированные факторы. Накапливающийся объем данных свидетельствует о важной регулирующей роли эпигенетических механизмов при ОПП.острая почечная недостаточность) и восстановление почек [44-46]. Учитывая превосходные подробные обзоры [44-47], мы лишь кратко освещаем избранные недавние эпигеномные исследования ОПП (острая почечная недостаточность) исследовательская работа.

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 процентов после UUO. Интересно, что сообщалось о комплементарных изменениях разных меток одной и той же аминокислоты, что свидетельствует о скоординированном ответе на ОПП.острая почечная недостаточность) [48].

Промоторы, выделенные H3K4me3-, сравнивали с энхансерами, маркированными H3K27ac, после ОПП (острая почечная недостаточность) с использованием иммунопреципитации хроматина и секвенирования нового поколения (ChIP-seq) [49]. Сайты с активными энхансерами демонстрировали более динамичные изменения в ответ на ОПП (острая почечная недостаточность). Модификации хроматина в активных энхансерных сайтах были связаны с измененным связыванием факторов транскрипции, таких как Hnf4a, Gr и Stat3. Hnf4a является ключевым фактором транскрипции в спецификации и дифференцировке клеток проксимальных канальцев [50]. клетки проксимальных канальцев уменьшались в ответ на ОПП (острая почечная недостаточность) [49]. Это, вероятно, способствует ОПП (острая почечная недостаточность)-индуцированная дедифференцировка поврежденных клеток проксимальных канальцев. Stat3 является ключевым регулятором транскрипции в воспалительной сети с регуляторными факторами NF-KB и белка-активатора -1(AP-1) [51]. ответ на ОПП мыши (острая почечная недостаточность) и IRI, связанный с трансплантацией почки человека [24,25].Stat3 вовлечение в локус Junb в ответ на ОПП (острая почечная недостаточность) предполагает роль Stat3 в инактивации компонентов транскрипции AP-1 [49]. Кроме того, ингибирование активации бромодомена и экстратерминального (ВЕТ)-зависимого энхансера нарушало восстановление после ОПП. (острая почечная недостаточность), подчеркивая важную роль динамики энхансеров в ОПП (острая почечная недостаточность)ремонт[49].

ATAC-seq стала наиболее широко используемой методологией для оценки открытости хроматина и определения активности регуляторных и транскрибируемых областей генома. Быстро технология ATAC-seq перешла от чувствительных объемных анализов тканей всего с 500 клетками к анализу одиночного ядра, а совсем недавно к параллельному анализу состояния хроматина и экспрессии генов в одной и той же клетке [41,52-54]. ATAC-seq использует гиперактивную транспозазу Tn5 для разрезания открытого хроматина и мечения ДНК с помощью ДНК-адаптеров для облегчения построения библиотеки и секвенирования ДНК (рис. 2). Учитывая только два целевых сайта в каждом геноме, данные ATAC немногочисленны, и в исследованиях snATAC используются вычислительные подходы для группировки клеток с похожими профилями snATAC и для интеграции с независимо сгенерированными наборами данных sc или snRNA-seq. Недавнее исследование профилировало клеточную гетерогенность в образцах почек здорового взрослого человека с помощью компьютерно интегрированных наборов данных snATAC-seq и snRNA-seq [55]. Интересно, что исследование идентифицировало субпопуляцию клеток VCAM1-, экспрессирующих клетки проксимальных канальцев, которые демонстрировали сниженную активность HNF4A и повышенную активность членов семейства NF-KB, что частично напоминало провоспалительные, профибротические поврежденные клетки проксимальных канальцев, обнаруженные в почках мышей в нескольких почках. недель после ОПП (острая почечная недостаточность) [34,35,55]. Численность этой клеточной популяции увеличивалась со временем у стареющих мышей и была выше в почках человека с диабетом, чем в здоровой контрольной группе. Таким образом, некоторые клеточные реакции, по-видимому, сохраняются при разных заболеваниях почек и у разных видов. Однако в какой степени эта клеточная популяция способствует возрастной потере функции почек иБолезнь почекпрогрессирование требует дальнейшего изучения.

Обнаружение клеточного типа и прогнозирование регуляции улучшаются за счет совместного анализа snRNA-seq и snATAC-seq в одном и том же ядре [41]. Этот метод был недавно использован для характеристики здоровой ткани почек человека и ОПП (острая почечная недостаточность) и биопсии ХБП, выявляющие новое разнообразие клеток в нормальной почке и подчеркивающие сопоставимые состояния повреждения при ОПП мыши и человека. (острая почечная недостаточность), а также измененные толстые состояния клеток восходящей конечности, характеризующиеся экспрессией Proml и Dcd2 [56]. Кроме того, пространственная транскриптомика локализовала миофибробласты и иммунные клетки в образцах CKD в местах повреждения проксимальных канальцев [56].

Цистанхе восстанавливает нарушенную функцию почек

Протеомика и метаболомика

Изучение белков и метаболитов в плазме, моче и ткани почек с помощью гель-электрофореза и масс-спектрометрии дополняет транскриптомные и эпигеномные инструменты. Масс-спектрометрия может идентифицировать и количественно определять макромолекулы (например, белки) и клеточные метаболиты в сложных тканях, измеряя молекулярно-различные свойства массы и заряда молекул при ионизации и воздействии магнитного или электрического поля (рис. 2) [57]. Многие исследования протеомики были направлены на идентификацию биомаркеров ОПП.острая почечная недостаточность)(подробно проверено в другом месте[57-59]). Например, было показано, что уровни ингибитора металлопротеиназы-2(TIMP2) в тканях мочи и IGF-связывающего белка-7(IGFBP7) предсказывают смерть и почечную недостаточность у пациентов в критическом состоянии с ОПП (острая почечная недостаточность) [60]. Лечение пациентов с копозитивным статусом TIMP2 и IGFBP7 с помощью мер поддерживающей терапии в соответствии с рекомендациями по улучшению глобальных результатов при заболеваниях почек (KDIGO) для пациентов с высоким риском развития ОПП(острая почечная недостаточность) снижение ОПП (острая почечная недостаточность) развитие в первые 72 ч после операции на сердце, но не влияло на смертность и потребность в заместительной почечной терапии [61]. Эти результаты и результаты других исследований биомаркеров обнадеживают; тем не менее, идеальный биомаркер или, что более вероятно, панель биомаркеров для ОПП (острая почечная недостаточность)оценка рисков, целевое ОПП (острая почечная недостаточность)профилактика, прогностический диагноз и, возможно, даже терапевтическое руководство в рутинной клинической практике еще предстоит определить.

Помимо стремления к эффективному ОПП (острая почечная недостаточность) биомаркеры, протеомика также может быть использована для опроса ОПП (острая почечная недостаточность) патофизиология [62]. Доклиническое исследование цисплатин-индуцированного ОПП (острая почечная недостаточность)выявили слабую корреляцию между транскриптомом и протеомом в поврежденной почке [63]. Исследование показало, что несоответствие между двумя подходами было обусловлено белковыми изменениями во внеклеточном компартменте, например, в системе комплемента [63]. Интересно, что степень диссоциации между экспрессией РНК и белка сильно коррелировала с тяжестью травмы, на что указывали уровни креатинина в сыворотке и азота мочевины в крови [63]. Это подчеркивает актуальность посттранскрипционных изменений в ОПП. (острая почечная недостаточность)отклик.

Недавно для идентификации белков, специфичных для гломерулярного и проксимального канальцевого компартментов в здоровой почке, было использовано профилирование протеомики, близкое к одиночной клетке, которое позволяет проводить количественные протеомные измерения всего от 10 до 100 лазерных захватов микрорассеченных клеток почки [64]. . Некоторые из наиболее обогащенных компартмент-специфических белков хорошо коррелировали с экспрессией соответствующего гена в подоцитах и ​​кластере проксимальных канальцев из набора данных scRNA-seq, соответственно. Кроме того, более 40 белковых маркеров могут быть обнаружены одновременно на одном срезе ткани с помощью масс-цитометрии с визуализацией (IMC), что позволяет изучать протеом в пространственном контексте [65]. IMC здоровой почки человека выявила неожиданную клеточную гетерогенность и идентифицировала редкий мегалин/аквапорин-1/виментин (Lrp2/Aqp1/Vim)-положительный тип клеток, потенциально отражающий поврежденный (Vim plus) проксимальный каналец (Lrp2 plus /Aqp1). плюс )клеточное состояние [65]. Применение этих технологий к ОПП (острая почечная недостаточность) исследования позволят получить критическое представление о протеомном ландшафте травм и восстановления.

Изучение метаболома почек (молекулы размером менее 1500 Да [62]) способствовало дальнейшему пониманию ОПП (острая почечная недостаточность) патофизиология.

Метаболический

Профилирование поврежденной почечной ткани с помощью жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии привело к выводу, что при ОПП нарушается синтез де-неоникотинамидадениндинуклеотида (НАД+).острая почечная недостаточность) [66]. Снижение уровня митохондриального регулятора биогенеза PGCla при ОПП (острая почечная недостаточность) приводило к локальному истощению НАД плюс, в то время как избыточная экспрессия PGC1 увеличивала почечный уровень НАД плюс и уменьшала ОПП (острая почечная недостаточность) [66]. Беспристрастные скрининги мочи также продемонстрировали повышенные уровни NAD+ предшественника хинолина в моче мышей после IRI [67] в результате снижения почечной хинолинфосфорибозилтрансферазы (QPRT), ключевого фермента в синтезе NAD+ de novo [67]. Снижение уровня QPRT в почках было связано с более высоким уровнем ОПП.(острая почечная недостаточность) восприимчивость [67]. Пероральное лечение никотинамидом спасло от ОПП (острая почечная недостаточность)-индуцированный почечный NAD плюс дефицит биосинтеза у мышей, а небольшое клиническое исследование фазы 1 предположило потенциальную пользу лечения никотинамидом для почек у пациентов, перенесших операцию на сердце [67]. Метаболическое исследование биопсий трансплантата почки человека до и после реперфузии показало отчетливо отличающийся метаболический профиль трансплантатов с отсроченной функцией трансплантата в будущем по сравнению с трансплантатами без отсроченной функции трансплантата [68]. Трансплантаты с отсроченной в будущем функцией трансплантата характеризовались стойким катаболизмом АТФ/ГТФ, что позволяет предположить раннее восстановление энергетического гомеостаза в качестве терапевтической цели при ОПП.острая почечная недостаточность) профилактика [68]. Масс-спектрометрическая визуализация (MSI) — это мощный метод, используемый для визуализации пространственного распределения метаболитов, белков или липидов с клеточным и субклеточным разрешением [69]. Анализ MSI поврежденных почек показал, что липидомный анализ ch coll .x7rr позволяет дифференцировать легкую и тяжелую ишемию уже через 2 часа после повреждения [70,71].

Выводы и перспективы

Доступные технологии omics продвинули наше понимание ОПП (острая почечная недостаточность) и ремонт. Интеграция или одновременное получение различных наборов данных omics еще больше улучшит понимание ОПП (острая почечная недостаточность), а подтверждающие результаты ортогональных подходов придадут дополнительную уверенность в выявленных механизмах. Новые идеи, инструменты и информационные ресурсы накапливаются благодаря инвестициям NIDDK в несколько крупных консорциумов, включая Проект точной медицины почек и Программу восстановления почек. Серьезная задача этой эпохи «больших данных» состоит в том, чтобы вывести биологически значимые механизмы из очень сложных наборов данных, чтобы демократизировать доступ к этим данным с помощью удобных для пользователя платформ просмотра и анализа данных и, в конечном итоге, преобразовать наши растущие патофизиологические идеи в диагностические и терапевтические стратегии, улучшающие уход за пациентами и уменьшающие ОПП (острая почечная недостаточность) исходы.

Заявление о конкурирующих интересах

Авторы заявляют о следующих финансовых интересах/личных отношениях, которые могут рассматриваться как потенциальные конкурирующие интересы: APM является научным консультантом по связанным с почками подходам к заболеваниям человека для компаний Novartis, eGenesis, Aviva и Trestle Biotherapys.

Благодарности

Мы приносим свои извинения всем исследователям, чью работу не удалось обсудить из-за нехватки места. Мы благодарим доктора Пьетро Э. Чиппа за критическое прочтение рукописи. LMS Gerhardt была поддержана Немецким исследовательским фондом (DFG), Германия в виде постдокторской стипендии (GE 3179/1-1). Работа в лаборатории AP McMahon поддерживается грантами от NIDDK, США (DK126024,54364,126925) и Инициативы ЧанЦукерберга, США (CZIF2019-002430).

использованная литература

Среди статей, представляющих особый интерес, опубликованных в течение рассматриваемого периода, были отмечены:

1. Чертоу Г.М., Бердик Э., Хонор М., Бонвентре Дж.В., Бейтс Д.В.:Острое повреждение почек, смертность, продолжительность пребывания и стоимость госпитализированных пациентов. 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, и др.: Инициатива 0by25 Международного общества нефрологов дляострая почечная недостаточность(ноль предотвратимых смертей к 2025 г.): дело о правах человека в области нефрологии. Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Хсу Р.К., Хсу С.Ю.: Рольострая почечная недостаточностьпри хронической 3. Х болезни почек. Семин Нефрол 2016, 36:283-292.

4. Чавла Л.С., Эггерс П.В., Стар Р.А., Киммел П.Л.:Острое повреждение почеки хроническое заболевание почек как взаимосвязанные синдромы. N Engl J Med 2014, 371: 58-66.

5. Легран М., Белл С., Фоми Л., Йоаннидис М., Койнер Д.Л., Лю К., 5, 1; Канталуппи V: патофизиология COVID-19-ассоциированногоострая почечная недостаточность. Nat Rev Nephrol 2021. https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. В этом обзоре представлен подробный обзор современной литературы, связанной с COVID-19-ассоциированнымиострая почечная недостаточность.

6. Zuk A, Bonventre JV: Последние достижения вострая почечная недостаточность6. 2 и его последствия и влияние на хроническое заболевание почек. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019, 28: 397-405. Этот превосходный обзор обобщает патофизиологические механизмы, лежащие в основе перехода от острого к хроническому повреждению почек, и подчеркивает роль митохондриальной дисфункции, воспаления, старения и гибели клеток в этом процессе.

7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW и др.: Годовой отчет системы данных о почках США за 2018 г.: эпидемиология заболеваний почек в Соединенные Штаты. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 Годовой отчет с данными доступен по адресу: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_в_файле_us.pdf. (По состоянию на 11 апреля 2021 г.).

8. Ференбах Д.А., Бонвентре Дж.В.: Механизмы дезадаптивного 8. восстановления после ОПП (острая почечная недостаточность), что приводит к ускоренному старению почек и ХБП. Nat Rev Nephrol 2015, 11: 264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD: 9. Дифференцированные эпителиальные клетки почек восстанавливают поврежденные проксимальные канальцы. Proc Natl Acad Sci US A 2014, 111: 1527-1532. 10. Кумар С., Лю Дж., Панг П., Краутцбергер А. М., Региненси А.,

10. Akiyama H, Schedl A, Humphreys BD, McMahon AP: активация Sox9 подчеркивает клеточный путь восстановления почек в остро поврежденной почке млекопитающих. Cell Rep 2015, 12: 1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9-положительные клетки-предшественники играют ключевую роль в регенерации эпителия почечных канальцев у мышей. Представитель мобильной связи 2016, 14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: остановка цикла эпителиальных клеток в G2/M опосредует фиброз почек после повреждения. Nat Med 2010, 16:535-543.

13. Сюй К., Розенштиль П., Парагас Н., Хинце С., Гао Х., Шен Т.Х., Верт М., Форстер С., Денг Р., Брук и др.: Уникальные транскрипционные программы определяют подтипы ОПП (острая почечная недостаточность).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017, 28: 1729-1740.

14. Мар Д., Гариб С.А., Загер Р.А., Джонсон А., Денисенко О., Бомштык К. Гетерогенность эпигенетических изменений при ишемии/реперфузии и индуцированных эндотоксинамиострая почечная недостаточностьгены. 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 и др.: Полногеномное исследование ассоциацииострая почечная недостаточностьпосле операции коронарного шунтирования выявляют локусы предрасположенности. Kidney Int 2015, 88: 823-832.

16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, Belcher JM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD и др.: Полногеномное ассоциативное исследование для выявления однонуклеотидных полиморфизмов дляострая почечная недостаточность.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 и др.: IRF2 транскрипционно индуцирует экспрессию GSDMD для пироптоза. Научный сигнал 2019, 12.

18. Мацуяма Т., Кимура Т., Китагава М., Пфеффер К., Каваками Т., Ватанабэ Н., Кюндиг Т.М., Амакава Р., Нишихара К., Вакхэм А. Целенаправленное нарушение IRF-1 или IRF-2 приводит к индукция аномального гена IIFN типа и развитие аберрантных лимфоцитов. Cell 1993, 75: 83-97.

19. Papaioannou VE: Семейство генов T-box: новые роли в развитии, стволовых клетках и раке. Разработка 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶Нет связи между генетическими локусами рядом с IRF2 и TBX1 иострая почечная недостаточностьв критическом состоянии. AmJ Respir Crit Care Med 2019, 201: 109-111.