Hvordan repareres og behandles akut nyreskade?

Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Multi-omiske tilgange til akut nyreskade og reparation

Louisa MS Gerhardt og Andrew P. McMahon

Abstrakt

Nyren har en bemærkelsesværdig regenerativ kapacitet. Som reaktion på iskæmisk eller toksisk skade kan proksimale tubuliceller formere sig for at genopbygge beskadigede tubuli og genoprette nyrefunktionen. Dog alvorligakut nyreskade(AKI) eller tilbagevendende AKI (akut nyreskade) hændelser kan føre til maladaptiv reparation og sygdomsprogression fra AKI (akut nyreskade) tilkronisk nyresygdom(CKD). Anvendelsen af ​​enkeltcelleteknologier har identificeret skadede proksimale tubulicelletilstande uger efter AKl (akut nyreskade), kendetegnet ved en proinflammatorisk senescent molekylær signatur. Epigenetiske undersøgelser har fremhævet dynamiske ændringer i kromatinlandskabet i nyren efter AKI (akut nyreskade)og har beskrevet centrale transkriptionsfaktorer knyttet til AKI (akut nyreskade) respons. Integrationen af ​​multiomiske teknologier åbner nye muligheder for at forbedre vores forståelse af AKI (akut nyreskade) og drivkræfterne bag AKl (akut nyreskade)-til-CKD-overgang, med det ultimative mål at designe skræddersyede diagnostiske og terapeutiske strategier for at forbedre AKI (akut nyreskade) resultater og forebyggenyre sygdomprogression.

Nøgleord: Akut nyreskade, Multi-omics, Epigenomics, enkeltcellet RNA-sekventering, ATAC-sekventering.

Introduktion

Akut nyreskade(AKI), diagnosticeret ved en pludselig stigning i serumkreatinin og/eller fald i urinvolumen, er en meget udbredt tilstand forbundet med øget sygelighed og dødelighed samt betydelige sundhedsomkostninger [1e4]. For eksempel tyder aktuelle beviser på, at mindst 25 procent af alle indlagte COVID-19 patienter udvikler AKI (akut nyreskade), og at disse patienter har en signifikant højere dødelighedsrisiko end COVID-19 patienter uden AKI (akut nyreskade) [5]. Patienter, der overlever AKI (akut nyreskade) har en øget risiko for at gå over til kronisk og nyresygdom i slutstadiet [3,4,6]. Ifølge årsrapporten for 2018 US Renal Data System var det kun 52,6 procent af hospitalsindlagte Veteran Affairs-patienter, der mødte AKI (akut nyreskade)diagnosekriterier, fik diagnosen AKI (akut nyreskade), der opfordrer til mere opmærksomhed for AKI (akut nyreskade) i hospitalsrutiner [7]. Endvidere en tidlig diagnose af AKI (akut nyreskade)er begrænset af mangel på følsomme biomarkører og tilgængelige behandlingsmuligheder for AKI (akut nyreskade) fortsætter med at stole på hæmodynamisk optimering, undgåelse af nefrotoksicitet og nyreudskiftningsterapi.

Proksimale tubuliceller, den hyppigst forekommende celletype i nyrerne, er ansvarlige for en stor del af nyrevæske og reabsorption af opløste stoffer og er dukket op som vigtige aktører i adaptive og maladaptive reaktioner på AKI (akut nyreskade) [8]. På grund af deres høje metaboliske aktivitet og afhængighed af oxidativ metabolisme fører iskæmi hurtigt til ATP-udtømning, akkumulering af reaktive oxygenarter og i sidste ende apoptose eller nekrose af proksimale tubuliceller (figur 1). Proksimale tubuliceller, der overlever en iskæmisk hændelse, har kapaciteten til at dedifferentiere, proliferere og genopbygge beskadigede tubuli og spiller således en væsentlig rolle i den adaptive reparationsproces for at genoprette nyrefunktionen [9-11]. Imidlertid er maladaptive proksimale tubuliceller, karakteriseret ved en proinflammatorisk og profibrotisk fænotype, også blevet impliceret i sygdomsprogression fra AKI (akut nyreskade) til kronisk nyresygdom (CKD), en kompleks proces, der involverer inflammation, vaskulær sjældenhed og ekstracellulær matrixproduktion af aktiverede pericytter og myofibroblaster (Figur 1)[8,12]. Omics-teknologier, der undersøger genomisk organisation, genekspression og proteinprodukter, såsom assay for transposase-tilgængeligt kromatin ved hjælp af sekventering (ATAC-seq), mRNA-sekventering og massespektrometri, har dramatisk forbedret molekylær indsigt i cellulære responser initieret af AKI (akut nyreskade). Senest har enkeltcellede anvendelser af disse tilgange muliggjort studiet af cellulære begivenheder med hidtil uset høj opløsning. Disse og andre multi-omics-tilgange rummer løftet om en omfattende forståelse af de regulatoriske mekanismer, der styrer nyresygdomme, hvilket åbner nye veje for biomarkører og lægemidler. Dette manuskript gennemgår de seneste resultater, der anvender omics-teknologi tilnyreskadeog reparere og overvejer fremtidige anvendelser af multi-omiske tilgange til at fremme forståelse og behandling afnyreskadeognyre sygdom.

Figur 1:Overblik over AKI og processer.

Proksimale tubuliceller er meget modtagelige for iskæmi, som kan føre til celledød gennem apoptose og reguleret (pyroptose, ferroptose, nekroptose) såvel som ureguleret nekrose og nedsivning af både døde og levedygtige celler ind i det tubulære lumen. Overlevende proksimale tubuliceller (PTC'er) kan dedifferentiere og formere sig for at genoprette nyrearkitektur og funktion; en maladaptiv reparation kan dog også føre til sygdomsprogression til kronisk nyresygdom (CKD). Denne proces er kendetegnet ved vaskulær formindskelse, differentiering af pericyt til myofibroblaster, forbedret fibrøs ekstracellulær matrix (ECM) aflejring, tubulært tab og kronisk inflammation. Nfkb1 plus mislykket reparation PTC'er, karakteriseret ved en senescens-associeret sekretorisk fænotype (SASP), spiller sandsynligvis en vigtig rolle i AKI (akut nyreskade)-til-CKD overgang.

Genomik

Genomiske undersøgelser sigter mod at identificere det genetiske grundlag for sygdom ved hypotesedrevet målrettet sekventering af kandidatgener eller hypotesefri helgenomsekventering. Her vil vi fokusere på genomomfattende associationsstudier (GWAS), som bruger en objektiv tilgang til at kortlægge sekvensvarianter på tværs af hele genomet til fænotypiske træk såsom sygdomstræk og tillade kandidatgenidentifikation til mekanistiske undersøgelser (figur 2). Sammenlignet med andre sygdomstræk er det tilgængelige antal GWAS, der afhører den genetiske baggrund for AKI (akut nyreskade) er knap. Dette skyldes delvist den komplekse og heterogene karakter af AKI (akut nyreskade) som et sygdomstræk. AKI (akut nyreskade) kan være forårsaget af en lang række forskellige faktorer såsom iskæmi, sepsis, nefrotoksiske lægemidler og obstruktiv nefropati. Aktuelle beviser tyder på, at de underliggende molekylære og cellulære mekanismer af AKI (akut nyreskade) har årsagsspecifikke komponenter [13,14], men konsensusdefinitionen af ​​AKI (akut nyreskade) — en ændring i serumkreatinin og urinproduktion — tager ikke højde for forskellige AKI (akut nyreskade) årsager.

En forenklet arbejdsgang for en genom-wide association study (GWAS) er illustreret (øverst til venstre). For at studere en sammenhæng mellem genetiske varianter og en specifik egenskab udføres hel-genomsekventering eller genotypning ved hjælp af single-nucleotide polymorphism (SNP) arrays på en population, og statistiske associationstest bruges til at identificere SNP'er forbundet med egenskaben af ​​interesse. Til enkeltcellet RNA-sekventering (øverst til højre) fremstilles en enkeltcellesuspension, enkelte celler isoleres, og mRNA-molekylerne fra cellen (eller kernen) fanges på perler til efterfølgende omdannelse til cDNA. cDNA amplificeres og sekvenser bestemmes ved næste generations sekventering (NGS) og sekvenskortlægning til genomet. Til epigenomisk analyse (nederst til højre) efterfølges et assay for transposase-tilgængeligt kromatin (ATAC) af NGS og sekvenskortlægning for at visualisere kromatintilgængelighed i hele genomet. Hyperaktiv Tn5 transposase (Tn5) bruges til specifikt at spalte steder af åben kromatin og samtidig indsætte sekventeringsadaptere til NGS. Regioner med øget kromatintilgængelighed er vist som ATAC-toppe. Til proteomisk analyse ved massespektrometri (nederst til venstre) ekstraheres proteiner, fordøjes til peptider og ioniseres. I massespektrometeret accelereres ioner, udsættes for et magnetfelt, og deres masse-til-ladning-forhold måles, hvilket muliggør proteinidentifikation og kvantificering.

Til dato forhørte to større GWAS den genetiske baggrund for AKI (akut nyreskade). Den første undersøgelse viste en sammenhæng mellem enkeltkernepolymorfier (SNP'er) i GRM7 LMCD1-AS1 og BBS9 locus med koronar bypasstransplantatkirurgi-relateret AKI (akut nyreskade) i en opdagelseskohorte på 873 patienter og en replikationskohorte [15]. Den anden kombinerede patienter fra to forskellige kohorter for at danne en opdagelsespopulation på 1429 kritisk syge patienter og identificerede fire AKI (akut nyreskade)-associerede SNP'er i umiddelbar nærhed af enten den interferon regulatoriske faktor 2 (IRF2) eller transkriptionsfaktoren T-boks 1 (TBX1)[16]. Interessant nok er IRF2 blevet forbundet med pyroptose og har en regulerende rolle i immunsystemet[17,18]og TBX1 er en del af T-boks-genfamilien, en gruppe af transkriptionsfaktorer med vigtige roller i celleskæbne og celletilstandsregulering [19 ]. Men sammenhængen mellem AKI (akut nyreskade) og disse loci kunne ikke reproduceres i en prospektiv kohorte af kritisk syge patienter, som var specifikt genotypebestemt for de identificerede SNP'er[20]. Dette understreger nødvendigheden af ​​endnu større stikprøvestørrelser til fremtidige AKI (akut nyreskade) GWAS og illustrerer vanskeligheden ved at identificere robuste genetiske risikofaktorer for heterogene sygdomme såsom AKI (akut nyreskade).

Derudover vil ekspressionskvantitative trait loci (eQTL) analyser sandsynligvis hjælpe med oversættelsen af ​​indsigt opnået af GWAS til sygdomsmekanismer. OTL-analyser sigter mod at identificere loci, der forklarer en brøkdel af genekspressionsvariansen i væv og kan bruges til at forbinde SNP'er i det ikke-kodende genom til målgenekspression. For eksempel førte en integrativ tilgang, der kombinerer GWAS, eOTL og funktionelle eksperimenter, til identifikation af gener involveret i patogenesen af ​​CKD [21-23].

Figur 2:Skematisk over udvalgte omics-teknologier.

Transkriptomik

Fremkomsten af ​​nye skalerbare teknologier til at studere transkriptomet af celler i den skadede nyre har revolutioneret vores forståelse af de cellulære reaktioner på AKI (akut nyreskade), afsløre nye celletilstande og fremhæve det dynamisk skiftende transkriptionelle landskab i den reparerende nyre. Nyre bulk mRNA sekventering i løbet af et år efter AKI (akut nyreskade) demonstrerede tidsspecifikke genekspressionsændringer relateret til tubulær skade, proliferation, reparation, fibrose og immunitet [24]. Denne mus AKI (akut nyreskade) biobankdata viste, at inflammationsassocierede gener stadig var opreguleret et år efter AKI (akut nyreskade), hvilket tyder på vedvarende inflammation som en drivende faktor for sygdomsprogression til CKD. Bulk mRNA-sekventering af rutinemæssige nyretransplantationsbiopsier muliggjorde profilering af de kort- og langsigtede transkriptionelle ændringer i humane nyretransplantationer udløst af iskæmi/reperfusionsskaden (IRI) under transplantation [25]. Alle nyrebiopsier blev taget i de første timer efter reperfusion viste en lignende transkriptionel profil karakteriseret ved aktivering af gener med øjeblikkelig til tidlig respons, hvoraf mange koder for transkriptionelle regulatoriske faktorer.

3 og 12 måneder efter transplantation kunne to divergerende baner forbundet med enten genopretning eller progression til CKD imidlertid afgrænses. Den CKD-lignende bane viste nedregulering i ekspressionen af ​​gener relateret til mitokondriel biogenese og opregulering af inflammations- og fibrose-associerede gener, som observeret i musemodellen af ​​AKI (akut nyreskade) [24,25]. Både muse- og menneskestudier tyder på en fremtrædende rolle for T- og B-celleaktivitet og forekomsten af ​​centre af tertiært lymfoidt væv i langsigtede resultater af AKI (akut nyreskade) [25,26]. Analyse af musens AKI (akut nyreskade) biobank- og humane nyretransplantationsdatasæt argumenterer for en autoantigen-drevet B-celleaktivitet, der fremmer sygdomsprogression gennem vedvarende immunrespons, et år efter AKI (akut nyreskade) [27].

Selvom bulk-mRNA-sekventering har vist sig at være meget informativ i AKI (akut nyreskade) undersøgelser, differentieres celletype-specifikke responser ikke ved denne teknik. Genetiske tilgange til mærkning af forskellige celletyper tilføjer større præcision og yderligere indsigt. For eksempel bruger translaterende ribosomaffinitetsoprensning (TRAP) en eGFP-mærkning af L10a ribosomale underenhed til at identificere den specifikke mRNA-undergruppe i individuelle celletyper, der gennemgår aktiv translation [28]. Det første TRAP-studie i AKI (akut nyreskade) forskning brugte en genetisk model af CRE-rekombinase-medieret aktivering af eGFP-L10a-kassetten specifikt inden for nefron-, stromale, vaskulære eller immuncelletyper og viste distinkte transkriptionsændringer knyttet til hvert cellulært rum efter AKI (akut nyreskade) [29]. Mange gener relateret til renal tubulær funktion blev nedreguleret 24 timer efter AKI (akut nyreskade). I modsætning hertil blev gener involveret i anti-apoptotisk pathway-aktivitet, celleproliferation og cellebevægelse markant opreguleret. TRAP-analyse af proksimale tubuliceller fremhævet af skadesmarkøren Kim-1(kodet af Hazel) viste, at størstedelen af ​​Kim-1-positive celler blev repareret med succes to uger efter AKI (akut nyreskade), selvom 15 procent bibeholdt ekspression af Kim-1 og skadesmarkøren Sox9 [10], hvilket fremhævede en vedvarende skadet celletilstand [30]. Klonal analyse afslørede, at udvidelsen af ​​Kim-1-positive kloner genpopulerede beskadigede proksimale tubuli, hvilket understøttede en model for reparation gennem dedifferentiering af proksimale tubuliceller snarere end gennem en specifik stam-/progenitorcellepopulation [30]. Transskriptionen FoxMI var stærkt opreguleret i Kim-1-positive proksimale tubuliceller og vist at drive proksimal tubuliproliferation i zitro på en epidermal vækstfaktorreceptorafhængig måde [30]. High-throughput enkeltcelle-mRNA-sekventeringstilgange, undersøgelse af helcelle-mRNA-sekventeringsprofiler (scRNA-seq) eller nuklear-lokaliserede mRNA-transkripter (snRNA-seq), har dramatisk forbedret AKI (akut nyreskade) undersøgelser. Disse tilgange giver en dyb molekylær indsigt i genekspression på celleniveau, når de kombineres med kraftfulde beregningsmetoder, der identificerer variable celletyper og celletilstande i hele organet [31,32]. scRNA-seq starter fra en suspension af enkelte celler eller enkelte kerner, som er mærket med unikke molekylære tags og lyseret (figur 2). mRNA'et bliver efterfølgende revers transkriberet, amplificeret og sekventeret. Et snRNA-seq-studie på nyrer udsat for unilateral ureteral obstruktion (UUO) identificerede to nye proksimale tubulicelleklynger 14 dage efter UUO, hvoraf den ene havde en stærk proliferativ signatur, mens den anden udtrykte gener involveret i inflammation og cellebevægelser, som f.eks. Ccl2, II34, Cxcll og Dock10 [33].

En lignende cellepopulation er tydelig i en snRNA-seq undersøgelse, der profilerer den skadede nyre efter IRI [34]. I de første timer efter IRI er der nedregulering af normal proksimal tubuli-genekspression og en markant transkriptionel respons, herunder øjeblikkelige tidlige gener og de kendte skadesmarkører HuverI og Krt20 [24,25,34]. På dag to efter IRI viste en stor del af proksimale tubuliceller enten en proliferativ profil eller genvandt t-transkriptionssignaturen for differentierede proksimale tubuliceller. En lille population af proinflammatoriske, profibrotiske celler, karakteriseret ved ekspression af Vcaml i de fleste celler og co-ekspression af Cal2 i en undergruppe, forudsagde imidlertid aktivitet af NF-KB-familien af ​​transkriptionsfaktorer. Mens prolifererende proksimale tubuliceller faldt to uger efter AKI (akut nyreskade), proinflammatoriske, profibrotiske proksimale tubuliceller steg, hvilket tyder på en kobling mellem mislykket tubulær reparation og den observerede pro-inflammatoriske, profibrotiske cellepopulation (figur 1). Interessant nok antydede dekonvolutionsanalyse af bulk-RNA-sekventeringsundersøgelser, at en tilsvarende population steg, efterhånden som nyren ældes normalt og efter transplantation.

I tråd med det førnævnte studie [34], et genetisk selektivt fokus på skadede proksimale tubuliceller fire uger efter en mildere AKI (akut nyreskade), ved brug af Krt20-T2A-CRE-ERT2-mus til at mærke og oprense beskadigede proksimale tubuliceller, viste en lignende beskadiget cellulær fænotype: en VcamI/Cal2 plus beskadiget proksimale tubulicellepopulation, som blev yderligere kendetegnet ved en stærk proinflammatorisk( f.eks. Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) og profibrotisk (f.eks. Pdgfb, ColAal) transkriptionel signatur med markant aktivering af NF-KB-, TNF- og AP{10}}-signalering [35]. Disse skadede proksimale tubuliceller delte træk ved en senescens-associeret sekretorisk fænotype (SASP) identificeret i andre skadede organer (figur 1) [35,36]. I modsætning til tidligere AKI (akut nyreskade) undersøgelser [12], blev der ikke observeret nogen signifikant G2/M-cellecyklusstop i denne population. Yderligere skæbnekortlægningseksperimenter af cykliske celler viste størstedelen af ​​VcamI plus /Cal2 plus proksimale tubuliceller, lokaliseret til den kortikomedullære grænse, sporet tilbage til proksimale tubuliceller, der prolifererede i de første dage efter AKI (akut nyreskade). Imidlertid repræsenterede kortikale Vuamt plus /Cu2 proksimale tubuliceller sandsynligvis sekundære skadesteder, ikke relateret til tidlig replikationsassocieret proksimal tubulireparation.

omfattende atlas over skadesreaktionen på A unilateral-ischemi reperfusion (UIR), der udfører scRNA-seq på flere tidspunkter fra dag et til dag 14, efter at UIR afslørede en forhøjet ekspression i beskadigede celler af Sox4 og Cd24a, gener identificeret for roller i nyreudvikling [37]. En ny cellepopulation, 'blandede identitetsceller', blev også rapporteret, der udviste co-ekspression af den proksimale tubuli (Sl34a7), tykt opstigende lem (Umod) eller opsamlingskanal (Agp2) markører. scRNA-seq-data fra musefolinsyrenefropati og UUO-modeller viste, at reduceret ekspression af differentieringsmarkører såsom solut-bærere i beskadigede proksimale tubuliceller er forbundet med nedregulering af gener involveret i metaboliske processer, såsom fedtsyreoxidation [38]. Den nukleare receptor Esrra blev identificeret som en vigtig forbindelse mellem proksimal tubuli-differentiering og metabolisme, fordi den direkte regulerede ekspressionen af ​​metaboliske og proksimale tubuli-specifikke gener. Denne og andre scRNA-seq undersøgelser har også fremhævet en tidligere ikke værdsat mangfoldighed af immunceller i den syge nyre [38,39].

En vigtig begrænsning af alle diskuterede transkriptomiske teknikker er fraværet af rumlig information. Nye transkriptomiske platforme gør det nu muligt at visualisere mRNA-ekspression rumligt ved at annealere og fiksere vævssektioner direkte på unikke stregkodede prober, billeddannelse af vævssektionen og udføre revers transkription in situ efterfulgt af probefrigivelse og sekventering [40]. De sekventerede transkriptomer kan efterfølgende kortlægges tilbage på det afbildede vævssnit. Denne rumlige transkriptomiske teknologi tillod den specifikke lokalisering af de to transkriptionelt adskilte celletyper af det proksimale tubulussegment S3 [41] til cortex og ydre stribe af den ydre medulla [42]. I forskellige murine AKI (akut nyreskade) modeller, dekonvolution af individuelle rumlige transkriptomiske pletter ved hjælp af scRNA-seq data afslørede AKI (akut nyreskade) modelspecifikke mønstre for immuncelleinfiltration og muliggjorde identifikation af en distinkt Af3-udtrykkende proksimal tubulicellepopulation, der kolokaliserede med neutrofiler efter IRI [43]. Disse undersøgelser illustrerer potentialet for rumlige-temporale omics til at forudsige mikromiljøkontroller på cellulære responser efter AKI (akut nyreskade).

Epigenomi

Celletypespecifikke programmer for differentiel genekspression afhænger af epigenetisk modifikation af kromatin (for eksempel histon-methylering og acetylering) og DNA (for eksempel ved cytosin-methylering ved CpG-rester) som respons på DNA-bindende transkriptionelle regulatorer og associerede faktorer. En akkumulerende mængde af beviser tyder på en vigtig regulerende rolle for epigenetiske mekanismer i AKI (akut nyreskade) og nyrereparation [44-46]. Givet fremragende dybdegående anmeldelser[44-47], fremhæver vi kun kort udvalgte nyere epigenomiske undersøgelser i AKI (akut nyreskade) forskning.

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 procent efter UUO. Interessant nok blev komplementære ændringer i forskellige mærker på den samme aminosyre rapporteret, hvilket tyder på et koordineret respons på AKI (akut nyreskade) [48].

H3K4me3-fremhævede promotorer blev sammenlignet med H3K27ac-mærkede enhancere efter AKI (akut nyreskade) ved hjælp af kromatin-immunpræcipitation og næste generations sekventering (ChIP-seq)[49]. Aktive forstærkersteder viste en mere dynamisk ændring som reaktion på AKI (akut nyreskade). Kromatinmodifikationer på aktive forstærkersteder var forbundet med ændret binding af transkriptionsfaktorer såsom Hnf4a, Gr og Stat3. Hnf4a er en nøgletransskriptionsfaktor i specifikationen og differentieringen af ​​proksimale tubuliceller [50]. Hnf4a-binding til forstærkerelementer, der er aktive i normal proksimale tubuliceller faldt som reaktion på AKI (akut nyreskade) [49]. Dette bidrager sandsynligvis til AKI (akut nyreskade)-induceret dedifferentiering af beskadigede proksimale tubuliceller. Stat3 er en nøgletransskriptionel regulator i et inflammatorisk netværk med NF-KB og aktivatorprotein-1(AP-1)regulatoriske faktorer [51].AP-1-vejsaktivering er meget bevaret som en initial svar på mus AKI (akut nyreskade) og human nyretransplantation-associeret IRI [24,25].Stat3 engagement på Junb locus som svar på AKI (akut nyreskade) foreslår en rolle for Stat3-inaktivering af AP-1 transkriptionskomponenter[49]. Desuden hæmmede hæmning af bromodæne og ekstra-terminal (BET)-afhængig forstærkeraktivering restitution efter AKI (akut nyreskade), der fremhæver den vigtige rolle for forstærkerdynamik i AKI (akut nyreskade)reparation[49].

ATAC-seq er blevet den mest udbredte metode til at vurdere åbenheden af ​​kromatin og udlede aktivitet af regulatoriske og transskriberede genomiske regioner. Hurtigt har ATAC-seq-teknologien bevæget sig fra følsomme bulkvævsassays med kun 500 celler til enkeltkerneanalyse og senest parallelanalyse af kromatintilstand og genekspression i den samme celle [41,52-54]. ATAC-seq bruger hyperaktiv Tn5-transposase til at skære ved åben kromatin og tag-skåret DNA med DNA-adaptere for at lette bibliotekskonstruktion og DNA-sekventering (figur 2). Givet kun to målsteder i hvert genom, er ATAC-data sparsomme, og snATAC-undersøgelser anvender beregningsmæssige tilgange til at gruppere celler med lignende snATAC-profiler og til at integrere med uafhængigt genererede sc- eller snRNA-seq-datasæt. En nylig undersøgelse profilerede den cellulære heterogenitet i raske, voksne humane nyreprøver med beregningsmæssigt integrerede snATAC-seq og snRNA-seq datasæt [55]. Interessant nok identificerede undersøgelsen en underpopulation af VCAM1-udtrykkende proksimale tubuliceller, som viste reduceret aktivitet af HNF4A og øget aktivitet af NF-KB-familiemedlemmer, delvist lignede proinflammatoriske, profibrotiske skadede proksimale tubuliceller identificeret i musenyren adskillige uger efter AKI (akut nyreskade) [34,35,55]. Overfloden af ​​denne cellepopulation steg over tid hos aldrende mus og var højere i humane diabetiske nyrer end hos raske kontroller. Således ser nogle cellulære responser ud til at være bevaret mellem forskellige nyresygdomme og på tværs af arter. Men i hvor høj grad bidrager denne cellepopulation til aldersrelateret tab af nyrefunktion ognyre sygdomprogression kræver yderligere undersøgelse.

Celletypedetektion og regulatoriske forudsigelser forbedres ved at co-analysere snRNA-seq og snATAC-seq i den samme kerne[41]. Denne teknik blev for nylig brugt til at karakterisere sundt menneskeligt nyrevæv og AKI (akut nyreskade) og CKD-biopsier, der afslører ny cellediversitet i den normale nyre og fremhæver sammenlignelige skadestilstande i mus og human AKI (akut nyreskade), samt ændrede celletilstande i tyk opadstigende lemmer karakteriseret ved ekspression af Proml og Dcd2[56]. Derudover lokaliserede rumlig transkriptomi myofibroblaster og immunceller i CKD-prøver til steder med proksimal tubuliskade [56].

Cistanche genopretter nedsat nyrefunktion

Proteomics og metabolomics

Studiet af proteiner og metabolitter i plasma, urin og nyrevæv ved hjælp af gelelektroforese og massespektrometri supplerer transkriptomiske og epigenomiske værktøjer. Massespektrometri kan identificere og kvantificere makromolekyler (f.eks. proteiner) og cellulære metabolitter i et komplekst væv ved at måle molekylært forskellige masse-ladningsegenskaber af molekyler, når de ioniseres og udsættes for et magnetisk eller elektrisk felt (figur 2)[57]. Mange proteomiske undersøgelser har været rettet mod identifikation af biomarkører for AKI (akut nyreskade)(omfattende gennemgået andetsteds[57-59]). For eksempel blev niveauer af urinvævshæmmer metalloproteinase-2(TIMP2) og IGF-bindende protein-7(IGFBP7) vist at være forudsigende for død og nyresvigt hos kritisk syge patienter med AKI (akut nyreskade) [60]. Behandling af TIMP2- og IGFBP7-kopositive patienter med understøttende plejeforanstaltninger i henhold til Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) retningslinjerne for patienter med høj risiko for AKI(akut nyreskade) reduceret AKI (akut nyreskade) udvikling i de første 72 timer efter hjertekirurgi, men påvirkede ikke dødelighed og behov for nyreudskiftningsterapi [61]. Disse resultater og resultater fra andre biomarkørundersøgelser er opmuntrende; dog den ideelle biomarkør eller mere sandsynligt biomarkørpanel for AKI (akut nyreskade)risikovurdering, målrettet AKI (akut nyreskade)forebyggelse, prædiktiv diagnose og muligvis endda terapeutisk vejledning i rutinemæssig klinisk praksis er endnu ikke identificeret.

Udover driften til effektiv AKI (akut nyreskade) biomarkører, kan proteomik også bruges til at udspørge AKI (akut nyreskade) patofysiologi [62]. En præklinisk undersøgelse af cisplatin-induceret AKI (akut nyreskade)afslørede en svag korrelation mellem transkriptom og proteom i den skadede nyre [63]. Undersøgelsen antydede, at uoverensstemmelsen mellem de to tilgange var drevet af proteinændringer i det ekstracellulære rum, for eksempel i komplementsystemet [63]. Interessant nok var omfanget af dissociation mellem RNA og proteinekspression stærkt korreleret med skadens sværhedsgrad som indikeret af serumkreatinin og blodurinstofnitrogenniveauer [63]. Dette fremhæver relevansen af ​​post-transkriptionelle ændringer i AKI (akut nyreskade)respons.

For nylig er nær-enkeltcellet proteomik-profilering, som muliggør kvantitative proteomiske målinger fra så lidt som 10 til 100 laserindfangede mikrodissekerede nyreceller, blevet brugt til at identificere proteiner, der er specifikke for det glomerulære og det proksimale rørformede rum i den raske nyre [64] . Nogle af de mest berigede kompartmentspecifikke proteiner korrelerede godt med ekspressionen af ​​det tilsvarende gen i henholdsvis podocytten og den proksimale tubuli-klynge af et scRNA-seq-datasæt. Ydermere kan mere end 40 proteinmarkører påvises samtidigt på et enkelt vævssnit ved billeddannelse af massecytometri (IMC), hvilket giver mulighed for studiet af proteomet i rumlig kontekst [65]. IMC af den raske menneskelige nyre afslørede uventet cellulær heterogenitet og identificerede en sjælden megalin/aquaporin-1/vimentin (Lrp2/Aqp1/Vim)-positiv celletype, der potentielt afspejler en skadet (Vim plus )proksimal tubuli (Lrp2 plus /Aqp1) plus ) celletilstand [65]. Anvendelsen af ​​disse teknologier til AKI (akut nyreskade) forskning vil give kritisk indsigt i det proteomiske landskab af skade og reparation.

Studiet af nyremetabolomet (molekyler mindre end 1500 Da [62]) har yderligere fremmet en forståelse af AKI (akut nyreskade) patofysiologi.

Metabolomisk

profilering af skadet nyrevæv ved hjælp af væskekromatografi-massespektrometri førte til den opdagelse, at de neo nicotinamid adenin dinucleotid (NAD plus ) syntese er svækket i AKI (akut nyreskade) [66]. Nedregulering af den mitokondrielle biogeneseregulator PGCla i AKI (akut nyreskade) resulterede i lokal NAD plus udtømning, mens PGC1 overekspression øgede nyre NAD plus niveauer og reducerede AKI (akut nyreskade) [66]. Uvildige urinscreeninger har også vist øgede niveauer af NAD plus precursor quinolin i urinen fra mus efter IRI [67] som følge af en reduktion af renal quinolin phosphoribosyltransferase (QPRT), et nøgleenzym i de novo NAD plus syntese [67]. Reducerede renale QPRT-niveauer var forbundet med højere AKI(akut nyreskade) modtagelighed [67]. Oral nikotinamidbehandling reddet AKI (akut nyreskade)-induceret renal NAD plus biosyntetisk mangel hos mus, og et lille fase 1 klinisk forsøg har antydet en potentiel renal fordel ved nikotinamidbehandling hos patienter, der gennemgår hjertekirurgi [67]. En metabolomisk undersøgelse af humane nyretransplantationsbiopsier, før og efter reperfusion, viste en tydeligt anderledes metabolisk profil af transplantater med fremtidig forsinket graftfunktion sammenlignet med transplantater uden forsinket graftfunktion [68]. Transplantater med fremtidig forsinket graftfunktion var karakteriseret ved vedvarende ATP/GTP-katabolisme, hvilket tyder på tidlig genoprettelse af energihomeostase som et terapeutisk mål i AKI (akut nyreskade) forebyggelse [68]. Massespektrometrisk billeddannelse (MSI) er en kraftfuld teknik, der bruges til at visualisere den rumlige fordeling af metabolitter, proteiner eller lipider med cellulær og subcellulær opløsning [69]. MSI-analyse af skadede nyrer viste lipidomisk e brugte ch coll .x7rr til at skelne mellem mild og svær iskæmi så tidligt som 2 timer efter skaden [70,71].

Konklusioner og perspektiv

Tilgængelige omics-teknologier har fremmet vores forståelse af AKI (akut nyreskade) og reparation. Integrationen eller den samtidige erhvervelse af forskellige omics-datasæt vil yderligere forbedre indsigten i AKI (akut nyreskade), og bekræftende resultater fra ortogonale tilgange vil give yderligere tillid til identificerede mekanismer. Ny indsigt, værktøjer og informationsressourcer vokser sammen med NIDDK's investering i flere store konsortier, herunder Kidney Precision Medicine Project og Rebuilding a Kidney Program. Den store udfordring i denne æra med 'big data' er at udlede biologisk relevante mekanismer fra meget komplekse datasæt for at demokratisere adgangen til disse data gennem brugervenlige visnings- og dataanalyseplatforme og i sidste ende at omsætte vores stigende patofysiologiske indsigt til diagnostiske og terapeutiske strategier, der forbedrer patientpleje og AKI (akut nyreskade) resultater.

Erklæring om konkurrerende interesse

Forfatterne erklærer følgende økonomiske interesser/personlige relationer, som kan betragtes som potentielle konkurrerende interesser: APM er en videnskabelig rådgiver om nyrerelaterede tilgange til menneskelig sygdom for Novartis, eGenesis, Aviva og Trestle Biotherapeutics.

Anerkendelser

Vi undskylder over for alle forskere, hvis arbejde ikke kunne diskuteres på grund af pladsbegrænsninger. Vi takker Dr. Pietro E.Cippà for den kritiske læsning af manuskriptet. LMS Gerhardt blev støttet af den tyske forskningsfond (DFG), Tyskland med et postdoc-stipendium (GE 3179/1-1). Arbejdet i AP McMahons laboratorium er støttet af tilskud fra NIDDK, USA(DK126024,54364,126925) og ChanZuckerberg Initiative, USA(CZIF2019-002430).

Referencer

Papirer af særlig interesse, offentliggjort inden for gennemgangsperioden, er blevet fremhævet som:

1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Akut nyreskade, dødelighed, liggetid og omkostninger hos indlagte patienter.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 initiativ forakut nyreskade(nul dødsfald, der kan forebygges i 2025): en menneskerettighedssag for nefrologi. Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Hsu RK, Hsu CY: Rollen afakut nyreskadeved kronisk 3. H nyresygdom. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.

4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Akut nyreskadeog kronisk nyresygdom som indbyrdes forbundne syndromer. 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: Patofysiologi af COVID-19-associeretakut nyreskade. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Denne anmeldelse giver et detaljeret overblik over den aktuelle litteratur relateret til COVID-19-associeretakut nyreskade.

6. Zuk A, Bonventre JV: Seneste fremskridt vedrakut nyreskade6. 2 og dens konsekvenser og indvirkning på kronisk nyresygdom. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Denne fremragende anmeldelse opsummerer de patofysiologiske mekanismer, der ligger til grund for overgangen fra akut til kronisk nyreskade og fremhæver rollen af ​​mitokondriel dysfunktion, inflammation, senescens og celledød i denne 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 års datarapport: epidemiologi af nyresygdom i De Forenede Stater. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 årsdatarapport tilgængelig fra: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_i_den_us.pdf. (Få adgang 11. april 2021).

8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mechanisms of maladaptive 8. reparation efter AKI (akut nyreskade) fører til accelereret nyreældning og CKD. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD:9. Differentierede nyreepitelceller reparerer beskadigede proksimale tubuli. 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: Sox9-aktivering fremhæver en cellulær vej til nyrereparation i den akut skadede pattedyrsnyre.Cell Rep 2015,12:1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9 positive progenitorceller spiller en nøglerolle i nyretubuli-epitelregenerering hos mus. Cell Rep 2016,14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Epitelcellecyklusstop i G2/M medierer nyrefibrose efter skade. 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, et al: Unikke transkriptionelle programmer identificerer undertyper af AKI (akut nyreskade).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.

14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogenitet af epigenetiske ændringer ved iskæmi/reperfusion- og endotoksin-induceretakut nyreskadegener. Kidney Int 2015, 88:734-744.

15. Stafford-Smith M, Li YJ, Mathew JP, Li YW, Ji Y, Phillips-Bute B, Milano CA, Newman MF, Kraus WE, Kertai MD, et al.: Genome-wide association study ofakut nyreskadeefter koronar bypassoperation identificerer følsomhedsloci. 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, et al.: En genomomspændende associationsundersøgelse til at identificere enkeltnukleotidpolymorfier forakut nyreskade.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, et al: IRF2 inducerer transkriptionelt GSDMD-ekspression for pyroptose. 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: Målrettet forstyrrelse af IRF-1 eller IRF-2 resulterer i unormal type IIFN-geninduktion og afvigende lymfocytudvikling. Cell 1993, 75:83-97.

19. Papaioannou VE: T-box-genfamilien: nye roller i udvikling, stamceller og cancer. Udvikling 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶Ingen sammenhæng mellem genetiske loci nær IRF2 og TBX1 ogakut nyreskadei den kritisk syge.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.