Del 1 Fænotypisk mangfoldighed og metabolisk specialisering af renale endotelceller

Contact: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email: audrey.hu@wecistanche.com

Sébastien J. Dumas^1,6, Elda Meta^1,6, Mila Borri^1,6, Yonglun Luo ^2,3, Xuri Li⁴, Ton J. Rabelink⁵og Peter Carmeliet^1,4

Cistanche tubulosa forebygger nyresygdom, klik her for at få prøven

Abstrakt |

Kompleks flercellet liv hos pattedyr er afhængig af det funktionelle samarbejde mellem forskellige organer for hele organismens overlevelse. Detnyrerspiller en kritisk rolle i denne proces gennem opretholdelse af væskevolumen og sammensætning homeostase, som gør det muligt for andre organer at udføre deres opgaver. Nyreendotelet udviser fænotypiske og molekylære træk, der adskiller det fra endotelet i andre organer. Desuden omfatter den voksne nyrevaskulatur forskellige populationer af for det meste hvilende, men ikke metabolisk inaktive, endotelceller (EC'er), der befinder sig inyreglomeruli, cortex og medulla. Hver af disse populationer understøtter specifikke funktioner, for eksempel ved filtrering af blodplasma, reabsorption og sekretion af vand og opløste stoffer og koncentrationen af ​​urin. Transkriptionel profilering af disse forskellige EF-populationer tyder på, at de har tilpasset sig lokale mikromiljøforhold (hypoxi, shear stress, hyperosmolaritet), hvilket gør dem i stand til at understøtte nyrefunktioner. Eksponering af EC'er for mikromiljø-afledte angiogene faktorer påvirker deres metabolisme og opretholdernyreudvikling og homeostase, hvorimod EC-afledte endokrine faktorer bevarer distinkte mikromiljønicher. I forbindelse med nyresygdom viser nyre-EC'er ændringer i deres metabolisme og fænotype som reaktion på patologiske ændringer i det lokale mikromiljø, hvilket yderligere fremmer nyredysfunktion. Forståelse af mangfoldigheden og specialiseringen af ​​nyre-EC'er kunne give nye veje til behandling af nyresygdomme ognyreregenerering.

Pattedyrets vaskulære system består af to forbundne og stærkt forgrenede netværk, der gennemsyrer hele kroppen - hver med specifikke roller. Det blodkarsystem leverer ilt og næringsstoffer til parenkymvæv og letter affaldsfjernelse, immunovervågning og handel med immunceller, koagulation og produktion af endokrine signaler til vævsvedligeholdelse og -regenerering1. I modsætning hertil dræner det lymfatiske karsystem den ekstravaserede interstitielle væske fra permeable blodkapillærer tilbage til venerne og letter handel med immunceller og lipidtransport². Alle blodkar er beklædt med blodendotelceller (BEC'er, herefter omtalt som EC'er), hvorimod lymfatiske endotelceller (LEC'er) danner det inderste lag af lymfekar - hvor hver population understøtter dens vaskulaturspecifikke opgaver. Endothelial heterogenitet strækker sig imidlertid langt ud over de brede forskelle mellem blod og lymfatisk endotel. Især EC'er fra forskellige organer udviser unikke molekylære profiler, der understøtter organets specifikke funktioner^3–6. Detnyrefordelefra en højt specialiseret vaskulatur, som er tæt forbundet med nyreepitelsystemet⁷. Specifikt eksisterer fænotypisk adskilte populationer af nyreendotelceller (REC'er) sameksisterende inden for de tre anatomiske og funktionelle rum inyre, glomeruli, cortex og medulla - hvor de understøtter specifikke nyreopgaver8,9. Det er vigtigt, at teknologiske fremskridt har muliggjort studiet af REC-heterogenitet på enkeltcelleniveau, hvilket giver ny indsigt i deres specialiserede roller i nyresundhed og -sygdomme^6,10,11.

Detnyreer afgørende for opretholdelsen af ​​organismens homeostase, regulering af volumen og sammensætning af kropsvæsker⁷. Nyrerne modtager 20-25 procent af hjertets output og udviser en stereotyp blodkararkitektur. Denne arkitektur muliggør ikke kun levering af ilt og næringsstoffer tilnyrer, men muliggør også deltagelse i filtrering af blodplasma, reabsorption af ioner og metabolitter fra filtratet, sekretion af ioner og metabolitter i den primære urin og urinkoncentration^7,8. Disse stærkt orkestrerede processer muliggør finjustering af ekstracellulær væskevolumen, blodtryk, osmolalitet og ionkoncentration^7,8. Nyrerne regulerer også cirkulerende metabolitniveauer, ikke kun ved at udskille metabolisk affald, men også ved at frigive glucose (via glukoneogenese) og aminosyrer, f.eks.¹². Pattedyrsorganer udveksler kontinuerligt metabolitter via kredsløbet, med selektiv brug for at understøtte deres egne metaboliske aktiviteter¹².

Følgelig viser de metaboliske funktioner af EC'er i forskellige organer sandsynligvis organspecifikke forskelle, hvilket understøttes af fund fra metaboliske transkriptomanalyser af EC'er i forskellige organer⁶. Desuden giver den metaboliske plasticitet af EC'er dem mulighed for at tilpasse sig og reagere på miljøændringer med hensyn til deres metaboliske behov og funktioner3,13. Nye beviser tyder på, at de specialiserede REC'er inyreskræddersy deres metaboliske transkriptom til at understøtte nyrefunktionen¹⁰.

REC dysfunktion ledsager det akutte eller progressive tab afnyrefungere^14,15. Denne dysfunktion er forbundet med en stigning i arteriel vasokonstriktion og en reduktion i renal blodgennemstrømning, erhvervelse af pro-inflammatoriske og pro-trombotiske fænotyper, der favoriserer immuncelleadhæsion og infiltration og dannelsen af ​​mikrotrombi, dissociering af mural pericytter fra endotelialet. lag, nedbrydning af endotelbarrieren, hvilket resulterer i interstitielt ødem, sjældenhed af peritubulære kapillærer (derved fremmer nyrehypoxi) og endotel-til-mesenkymal overgang, som bidrager til nyrefibrose16,17, hvilket tyder på, at endotelet kunne målrettes mod at beskytte mod nyre. skade og/eller for at regenerere nyrefunktionen.

Denne anmeldelse opsummerer vores nuværende forståelse afnyrevaskulatur, med fokus på de seneste fremskridt i vores forståelse af den fænotypiske, molekylære og metaboliske heterogenitet af REC'er i forhold til deres mikromiljø. Vi diskuterer også den potentielle anvendelse af målretning af REC-metabolisme som en terapeutisk strategi inyresygdommeeller til nyregenerering.

Centrale punkter

• Endotelet er forskelligt mellem forskellige organer, sandsynligvis for at understøtte forskellige organfunktioner.

• Multiple specialiserede endotelcellefænotyper sameksisterer i nyrernes glomeruli, cortex og medulla; disse fungerer til at understøtte glomerulær filtration, reabsorption og sekretion af ioner og metabolitter og urinkoncentration.

• De forskellige lokale mikromiljøer inyreforme den molekylære og metaboliske heterogenitet af det renale endotel; omvendt opretholder endotelcelle-afledte endokrine faktorer nicher af forskelligenyremikromiljøer.

• Omsætningen af ​​nyreendotelceller kan ændres i forbindelse mednyreskader og sygdomme, blandt andet som følge af ændringer i mikromiljøet.

• Større forståelse af den fænotypiske diversitet og metaboliske specialisering af renale endotelceller kan hjælpe med at identificere nye mål forbehandling afnyresygdommeognyreregenerering.

Renal endothelium heterogenitet

Renal vaskulær anatomi

Detnyretilføres blod via nyrepulsåren, som efter indtræden inyrevia nyrehilum forgrener sig til segmentale, interlobare, buede og interlobulære arterier (fig. 1a), og i sidste ende, afferente arterioler, som er høj-resistens kar, der er ansvarlige for kontrollen af ​​den glomerulære blodgennemstrømning og glomerulær filtrationshastighed (GFR) 18. Fra de afferente arterioler kommer blodet ind i den glomerulære tuft - et netværk af stærkt fenestrerede glomerulære kapillærer, hvor ultrafiltrering af blodplasma forekommer med en hastighed på ~120-140 ml/min hos voksne mennesker, hvilket gør det muligt for opløste stoffer med lav molekylvægt at passere fra den glomerulære kapillærer til Bowman's space¹⁹. Efter at en brøkdel af plasmaet er blevet filtreret, forlader blod den glomerulære tuft gennem efferente arterioler for at vaskularisere de distale og proksimale snoede tubuli, hvilket danner det kortikale peritubulære kapillærnetværk. Blod i de peritubulære kapillærer er beriget med opløste stoffer med høj molekylvægt og har et lavt væskeindhold på grund af tab af væske under glomerulær ultrafiltrering. Således er peritubulære kapillærer dedikeret til reabsorption af vand, ioner og essentielle næringsstoffer fra den proksimale^7,20og distale tubuli²¹. Flere ioner såsom H plus (ref. 22) og K plus (ref. 23) samt molekyler som kreatinin²⁴og lægemiddelmetabolitter²⁵- som ikke blev fuldstændig filtreret af de glomerulære kapillærer, men stadig skal elimineres fra kroppen - bevæger sig fra de peritubulære kapillærer ind i epitelcellerne i de proximale20 eller distale tubuli for at blive udskilt og elimineret i urinen21. De efferente arterioler fra de juxtamedullære nefroner giver anledning til den nedadgående vasa recta (DVR), som forbindes med den ascenderende vasa recta (AVR) gennem kapillære plexuser. AVR'en og DVR'en løber i modstrøm til Henles loop og deltager i medullær modstrømsudveksling, hvilket som beskrevet senere er nødvendigt for at opretholde en osmolaritetsgradient for urinkoncentration26. Til sidst smelter det kortikale og medullære kapillærsystem sammen med AVR sammen til et venesystem ved den corticomedullære forbindelse. Mere specifikt dræner den renale venøse vaskulatur blodet fra de peritubulære kapillærer og AVR ind i de interlobulære og buede vener og derefter interlobare vener, hvilket i sidste ende danner den renale vene, der kommer ud franyrehilum og til sidst forgrener sig i den nedre hulvene⁷.

Detnyreer også forsynet af lymfekar, som følger den overordnede topografi afnyreblodkar²⁷(fig. la). De er hovedsageligt til stede i nyrebarken, hvor deres primære rolle er at fjerne væske og makromolekyler (såsom albumin) fra det interstitielle mellemrum mellem tubuli og kapillærer²⁸. De har også en rolle i infiltrationen af ​​immunceller og efterfølgende betændelse²⁹. I glomeruli omgiver de Bowman's kapsel uden at trænge ind i glomerulære tott²⁸. Derimod er traditionelle lymfekar sjældent til stede i nyremarven; i denne region fjernes interstitiel væske og makromolekyler af AVR, som repræsenterer en type hybrid blodkar med lymfe-lignende træk^28,30.

Renale endotelcellefænotyper

EC'er fra forskellige organer er fænotypisk heterogene^3–6,31. De unikke egenskaber ved REC'er, og især glomerulære EC'er, har længe været værdsat. Global transkriptionel profilering af EC'er fra mus har bekræftet eksistensen af ​​organspecifikke transkriptomsignaturer^3,4,6. Det skal bemærkes, at disse undersøgelser har vist, at REC'er er de mest ulige EC'er fra andre organer, herunder hjernen, hjertet, lungerne, musklerne og testiklerne⁴(Fig. 1b) gennem deres ekspression af gener forbundet med interferon-signalering, såvel som gener, der koder for de endokrine faktorer FGF1 og IL-33 (ref.^4,6). Den organspecifikke heterogenitet af EC'er ligger sandsynligvis til grund for deres molekylære tilpasning til at opfylde specifikke funktionelle roller^3–6,31.

Imidlertid strækker heterogeniteten af ​​REC'er sig ud over det organotypiske niveau, med en bemærkelsesværdig mangfoldighed afnyrevaskulatur, som vist indledningsvis ved elektronmikroskopi og mikroarray-undersøgelser og efterfølgende ved enkeltcelleanalyser^6,32,33. Detnyrecortex, glomeruli og medulla indeholder unikke EC-populationer (henholdsvis cRECs, gRECs og mRECs). Denne mangfoldighed i EF-populationer kan skyldes eksponering for de forskellige mikromiljøer i disse regioner. For eksempel er det glomerulære endotel udsat for højt vaskulært tryk og interagerer tæt med podocytter for at regulere ultrafiltrering, hvorimod mREC'er udsættes for høj osmolaritet og hypoxi, som er relateret til opretholdelsen af ​​en osmolaritetsgradient og urinkoncentration^6,9,10,32(Fig. 1c). Ud over interkompartmental heterogenitet demonstrerer REC'er også intra-kompartmental heterogenitet, som sandsynligvis bestemmes af en række genetiske og miljømæssige faktorer, herunder typen af ​​vaskulær seng (arteriel, kapillær, venøs), deres interaktioner med andre celletyper (f.eks. , glatte muskelceller, pericytter, granulære celler, podocytter og tubuli-epitelceller) og deres eksponering for forskellige mikromiljøer inden for det samme rum, såsom eksponering for forskellige typer flow eller forskellige niveauer af osmolaritet34 (fig. 1c). Udviklingen inden for enkeltcellede transkriptomiske teknologier har gjort det muligt at kortlægge heterogeniteten af ​​muse-REC'er i meget høj opløsning^6,10,11, hvilket afslører op til 24 transkriptionelt forskellige REC-populationer^6,10,11. Det skal bemærkes, at resultaterne fra enkeltcellede RNA-seq-undersøgelser opsummeret nedenfor stadig skal bekræftes på proteinniveau, både for at verificere den rumlige lokalisering af de forudsagte proteiner og også for at integrere viden om de post-translationelle ændringer og/eller signalmekanismer, der kan påvirke proteinaktivitet. Det skal også bemærkes, at den relative berigelse af et gen inden for en bestemt REC-population som bestemt ved enkeltcelle-sekventering ikke nødvendigvis indebærer, at ekspressionen af ​​det gen er begrænset til den specifikke cellepopulation.

Heterogenitet af glomerulære renale endotelceller.Detnyreglomerulus er en højt specialiseret struktur, der er ansvarlig for filtreringen af ​​blodplasma for at generere et primært urinfiltrat, samtidig med at det sikres, at essentielle plasmaproteiner tilbageholdes i blodet. Det er sammensat af glomerulære kapillærer, der ligger mellem afferente og efferente arterioler, som er modstandskar, der kontrollerer både kapillær blodgennemstrømning og tryk. Arteriolerne af en nefron er i delvis kontakt med det juxtaglomerulære apparat (JGA) - en specialiseret struktur, der omfatter macula densa af den distale sammenviklede tubuli, granulære renin-producerende celler, der er forbundet med den afferente arteriole og ekstraglomerulære mesangiale celler (fig. 2a). JGA regulerer enkelt-nephron GFR og blodtryk gennem den tubuloglomerulære feedback, den myogene respons og frigivelsen af ​​renin^19,35–37.

Det glomerulære kapillære endotel er sammensat af unikke EC'er med ikke-diafragme-fenestrationer, der tillader filtrering af store mængder væske38 (fig. 2b).

Fenestrationerne er 50-100 nm i størrelse og optager omkring 20 procent af celleoverfladearealet, og optræder på elektronmikroskopisk billeddannelse som transcellulære huller³⁸. Diameteren af ​​disse fenestrationer er teoretisk stor nok til at tillade passage af væske og store proteiner ind i tubuli. Imidlertid producerer kapillære gREC'er også et tykt lag af glycocalyx, der omfatter negativt ladede glycoproteiner og polysaccharider, der fungerer som en barriere for proteinpassage^39,40. Desuden adsorberes plasmakomponenter i glycocalyx og danner en bredere pels kaldet endothelial overfladelag41, som med sin filamentøse struktur yderligere øger permselektiviteten af ​​den glomerulære endotelbarriere⁴². Faktisk observeres albuminuri og proteinuri ved svækkelse af glycocalyx^39,43,44. Sammen med podocytter syntetiserer og deler kapillære gREC'er også en fælles ekstracellulær matrix kendt som den glomerulære basalmembran (GBM), som hovedsageligt omfatter kollagen type IV, laminin og sulfaterede proteoglycaner42. Mutationer, der påvirker syntesen af ​​nogen af ​​komponenterne i GBM, fører til proteinuri45,46. Således danner kapillære gREC'er, podocytter og GBM en effektiv glomerulær filtrationsbarriere. Det skal bemærkes, at det glomerulære kapillære endotel mangler en diaphragma og udtrykker derfor ikke type II transmembrane glycoprotein plasmalemma vesikel-associeret protein 1 (PV1), som er kodet af Plvap10 og er en typisk markør for fenestrerede EC'er forbundet med de brodannende diafragmaer i endotel. fenestrae og caveolae⁴⁷

Udviklingen og vedligeholdelsen af ​​de kapillære gREC-fenestrationer kræver podocyt-afledt vaskulær endotelvækstfaktor (VEGF), som virker på en parakrin måde gennem endotel-VEGF-receptor 2 (VEGFR2, også kendt som KDR)⁴⁸. Overekspression af VEGF forårsager glomerulær kollaps, hurtigt tab af kapillære gREC'er og massiv proteinuri⁴⁹. Derfor er tæt regulering af podocyt VEGF nødvendig for at etablere den glomerulære vaskulatur under embryonal udvikling og for at opretholde fenestrationer i modne glomerulære kapillærer^38,42. Tilsvarende tillader tubulær epitelcelle-afledt VEGF vedligeholdelse af det peritubulære kapillærnetværk⁵⁰

I modsætning til andre kapillære EC'er udsættes gREC'er for højt blodtryk og høj blodgennemstrømning, hvilket driver den glomerulære filtrationsprocessen og udsætter gREC'er for betydelig forskydningsspænding⁵¹. Følgelig udtrykker gREC'er høje niveauer af det forskydningsspændingsregulerede transkript Pi16 (refs^6,10,11,52) (Fig. 2c; Supplerende tabel 1). Kapillære gREC'er udtrykker også en række andre markører^10,11,32,53, herunder Ehd3, som koder for et medlem af EHD-proteinfamilien^{10,11,38,54,55}der regulerer endocytisk recirkulering og menes at regulere recirkuleringen af ​​VEGFR2 i kapillære gREC'er (fig. 2c) sammen med EHD4 (ref. 54). EHD3 kan således bidrage til vedligeholdelsen af ​​glomerulære kapillære fenestrationer. Kapillære gREC'er viser også beriget ekspression af gener forbundet med TGF-BMP-signalvejen (Eng, Smad6, Smad7, Xiao og Hipk2 (refs10,56-58)), som er involveret i glomerulær kapillærdannelse. Overekspression af TGF inducerer proteinuri og glomerulosklerose⁵⁹, og dermed kan tilstedeværelsen af ​​hæmmende SMAD'er, såsom dem kodet af Smad6 og Smad7 i gREC'er, forhindre overdreven TGF-signalering og glomerulær dysfunktion. Derimod er podocyt-afledt BMP afgørende for normal glomerulær kapillærdannelse60. Kapillære gREC'er udtrykker også specifikt Nostrin³², hvis proteinprodukt binder endothelial nitrogenoxidsyntase (eNOS) for at udløse dets translokation fra plasmamembranen til vesikellignende subcellulære strukturer og dæmper produktionen af ​​nitrogenoxid (NO) - en vigtig regulator af GFR32. Desuden antyder den begrænsede ekspression af lipoproteinlipase (Lpl) til kapillære gREC'er, at det glomerulære endotel kan være essentielt for frigivelsen af ​​fedtsyrer i ultrafiltratet, som efterfølgende kunne bruges som energikilde af tubuli-epitelceller eller til regulering af blodlipidindhold eller kunne bidrage til akkumulering af glomerulære lipider som observeret i patologiske sammenhænge^6,10,61,62. Interessant nok korrelerer nyreekspression af gener involveret i lipidmetabolisme med GFR og inflammation hos patienter meddiabetikernyresygdomhvorimod defekt fedtsyreoxidation (FAO) i tubulære celler bidrager til udviklingen afnyrefibrose^61,62.

Transkriptionsfaktorer, såsom SOX17 og COUP-TFII (kodet af Nr2f2) i henholdsvis arterielle og venøse REC'er, driver transkriptomiske signaturer og identiteten af ​​specifikke vaskulære senge63,64. Identiteten af ​​gREC'er afhænger af aktiviteten af ​​mindst to transkriptionsfaktorer: GATA5 og TBX3 (refs10,11,32) (fig. 2c), som medierer erhvervelsen af ​​en gREC-lignende genekspressionsprofil, når de overudtrykkes sammen i human navlestrengsvene EC'er (HUVEC'er), en almindeligt anvendt EC-model11. GATA5-regulonet er opreguleret i gREC'er, men ikke i andre REC-populationer^10,11og selektiv deletion af Gata5 i EC'er forårsager glomerulære læsioner65. Desuden forårsager EC-specifik deletion af Tbx3 morfogene defekter såsom mikroaneurismer i undergrupper af glomeruli, reduceret antal kapillære gREC-fenestrationer og deformerede podocytfodprocesser, hvilket tyder på en rolle for denne transkriptionsfaktor i opretholdelsen af ​​den strukturelle organisation af glomerulære kapillærer¹¹. Derudover er både GATA5 og TBX3 involveret i reguleringen af ​​blodtrykket. GATA5 påvirker typisk vaskulær funktion, proteinkinase A og NO-signalveje⁶⁵, hvorimod TBX3 menes at modulere blodtrykket via reguleringen af ​​reninsekretion inyre¹¹.

Regulering af den vaskulære tonus af afferente og efferente arterioler er påkrævet for at opretholde det konstant høje glomerulære kapillærtryk, der er nødvendigt for glomerulær filtration¹⁸. Denne regulatoriske proces gør det muligt at opretholde en konstant GFR på trods af ændringer i systemisk tryk og hjerteoutput66. Afferente arterioler har et til tre lag af vaskulære glatte muskelceller (VSMC'er), som i nærheden af ​​JGA delvist erstattes af renin-producerende granulære celler67 (fig. 2d). EC-heterogenitet eksisterer også inden for den afferente arteriole med ikke-diafragma-fenestrationer af endotelet nærmest JGA68,69 - svarende til det glomerulære kapillære endotel - sandsynligvis for at lette den hurtige transport af renin ind i blodet18 (fig. 2d). Ekspression af Gja5 (koder for connexin 40), er beriget i denne undergruppe af gREC'er^10,70og har en vigtig rolle i kommunikationen mellem endotelet og granulære celler i JGA for at regulere reninfrigivelsen^35,70,71. Disse EC'er er også beriget med andre gener involveret i celle-til-celle-interaktion, såsom dem, der er relateret til Wnt- og Notch-signalvejene, Ephrin og cytokiner og kemokiner (fig. 2c), som kan mediere krydstale mellem mesangiale celler og/ eller granulære celler og gREC'er i JGA, og bidrager potentielt til autoregulering og blodtryksmodulation¹⁰.

I modsætning hertil udtrykker gREC'er i den opstrøms (mest distale) del af de afferente arterioler gener involveret i benzinregulering såsom Edn1 (som koder for endothelin 1), Alox12 (arachidonat 12-lipoxygenase) og S1pr1 (sphingosin{{6) }}phosphatreceptor 1)^10,72,73(fig. 2c). S1P-S1PR1 signalvejen regulerer potent afferent arteriole benzin ved at aktivere eNOS-systemet^74–76. I tråd med denne rolle er S1P-receptoren beriget i gREC'er i de afferente arterioler og påvises ikke i efferente arterioler¹⁰.

I modsætning til gREC'er i de afferente arterioler viser gREC'er i de efferente arterioler lavere connexin-ekspression77, især connexin 37 og connexin 40 (kodet af henholdsvis Gja4 og Gja5)10. I lighed med EC'er fra de afferente arterioler indikerer transkriptomanalyser af EC'er fra de efferente arterioler imidlertid tilstedeværelsen af ​​to gREC-populationer: en formentlig forbundet med JGA (udtrykker gener forbundet med immuncelleadhæsion og ekstravasation og EC-permeabilitet) og en anden som svarer til den distale del af den efferente arteriole (beriget i gener involveret i hyperosmolaritetsresponser)10 (fig. 2c).

Disse indsigter tyder på, at den fænotypiske og funktionelle mangfoldighed af gREC'er ligger til grund for disse endotelers evne til at opretholde GFR gennem den aktive modulering af glomerulær blodgennemstrømning og ved at sikre glomerulær filtrationseffektivitet. Gennem integrationen af ​​tubuloglomerulær feedback og myogene signaler er især gREC'er forbundet med JGA sandsynligvis kritiske regulatorer af GFR.

Heterogenitet af kortikale nyreendotelceller.Ud over det glomerulære kapillære endotel og de præ-glomerulære og post-glomerulære afferente og efferente arterioler,nyrecortex indeholder lymfekar og store arterier og vener sammen med deres tilhørende vasa vasora, postkapillære venoler og peritubulære kapillærer. I overensstemmelse med deres rolle i reabsorption og sekretion af opløste stoffer, ioner og vand er kortikale peritubulære kapillærer tyndvæggede kapillærer, der omfatter EC'er, der er funktionelt koblet til det tubulære epitel9 (fig. 3a). Sammenlignet med gREC'er og mREC'er udtrykker cREC'er - især peritubulære kapillære EC'er - høje niveauer af Igfbp3 (koder for insulinlignende vækstfaktorbindende protein 3) og Npr3 (koder for natriuretisk peptidreceptor 3)10,11 (fig. 3b) .

De kortikale peritubulære kapillærer opstår fra de efferente arterioler og omgiver de proksimale og distale sammenviklede tubuli (fig. 3a), hvilket giver ilt og næringsstoffer og bidrager til optagelsen af ​​opløste stoffer og vandreabsorption fra det tubulære lumen⁹. I modsætning til glomerulære kapillærer udtrykker peritubulære kapillære EC'er Plvap, hvis proteinprodukt (PV1) spænder over de peritubulære kapillære EC fenestrae. Disse diaphragmed fenestrae er 62-68 nm i diameter og letter sandsynligvisudveksling af vand, ioner og små opløste stoffer med proksimale og distale tubuli9,10

Glomeruli filtrerer ca. 180 g glukose pr. dag78 og under fysiologiske forhold reabsorberes næsten det hele i de proksimale tubuli. Filtreret glucose reabsorberes først fra lumen af ​​de proksimale tubuli inde i epitelcellerne gennem natrium-glucose cotransportere (SGLT'er). Når den intracellulære glukosekoncentration overstiger interstitiets koncentration, diffunderer den ind i det interstitielle rum gennem specifikke faciliterede glukosetransportører (GLUT'er), hvorfra den reabsorberes ind i blodbanen79. I overensstemmelse med deres rolle i denne proces udtrykker peritubulære kapillære EC'er højere niveauer af Slc2a1 (koder for GLUT1) end EC'er fra andre renale vaskulære senge11 (fig. 3b), hvilket tyder på, at glukosereabsorption kan lettes af GLUT1 i peritubulære kapillære EC'er.

Kortikale peritubulære kapillærer omfatter to EC-populationer - en, der udtrykker høje niveauer af Apoe (koder for apolipoprotein E) og en, der udtrykker lidt eller ingen Apoe10 (fig. 3b). Den Apoe-høje population viser en beriget ekspression af andre gener relateret til lipidmetabolisme såsom Plpp3 og Thrsp10,80,81. I modsætning hertil udtrykker den Apoe-lave population gener, der koder for VEGF-receptorer (Kdr, Flt1 og Nrp1, der koder for henholdsvis VEGFR2, VEGFR1 og neuropilin 1), insulinlignende vækstfaktorbindende proteiner og receptor (Igfbp5, Igfbp3 og Insr) , og Npr3, som koder for en receptor for natriuretisk peptid, som regulerer blodvolumen og natriumudskillelse10,82-85. Hvorvidt disse to EC-populationer eksisterer i separate kapillærer, der interagerer med proksimale viklede tubuli eller distale tubuli, eller om de eksisterer i de samme kapillærer, er i øjeblikket ukendt.

Overraskende nok er to yderligere kapillære EC-populationer også blevet beskrevet i musens nyrebark - en angiogenisk-lignende EC-population og en population, der er karakteriseret ved ekspressionen af ​​interferon-stimulerede gener og gener involveret i antigenbehandling og -præsentation10 (fig. 3b). . De angiogenisk-lignende EC'er kan have en rolle i regenereringen af ​​beskadigede REC'er, hvorimod de interferonaktiverede EC'er kan deltage i immunovervågning, selvom yderligere undersøgelser er nødvendige for at undersøge disse muligheder10.

cREC'er i store arterier er karakteriseret ved ekspressionen af ​​det arterielle transkriptionsfaktorgen Sox17 og tight junction-genet Cldn5 (claudin 5), hvorimod cREC'er i store vener er karakteriseret ved ekspressionen af ​​transkriptionsfaktoren Nr2f2 (COUP-TFII), og fenestrationsmarkør Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(Fig. 3b).

Arterielle cREC'er udtrykker det semaphorin-kodende gen Sema3g, som har autokrine og parakrine virkninger på henholdsvis EC'er og VSMC'er, de connexin-kodende gener Gja4 og Gja5, som er komponenter i myoendotelial junctions, og Notch-familiemedlemmet Jag1 (refs6,10) 11,87–90) (fig. 3b). Store arterier udsættes for højt blodtryk, og deres vaskulære tonus moduleres som reaktion på ændringer i blodtrykket. Deres evne til at reagere på mekaniske signaler aktiveres af tilstedeværelsen af ​​et elastisk lag i tunikamediet, der er rigt på elastiske fibre^9,91og gennem ekspressionen af ​​gener relateret til elastisk fibersamling såsom Eln (elastin), Ltbp4 (latent-transformerende vækstfaktor- -bindingsprotein 4), Fbln5 (fibulin 5) og Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). De udtrykker også høje niveauer af Mgp (matrix Gla protein) 6,10, som undertrykker vaskulær forkalkning sandsynligvis gennem inhibering af BMP2 og BMP4 signalering96. I overensstemmelse med deres rolle i at regulere renal blodgennemstrømning, udtrykker cREC'er i de store arterier også gener, der er ansvarlige for benzinregulering, såsom Ace, Edn1 og S1pr1 (refs6,10,97-99) (fig. 3b).

Tilførsel af ilt og næringsstoffer og fjernelse af affaldsprodukter, der frigives inden for vaskulærvæggen i store arterier og vener, lettes af vasa vasora100. Vasa vasora REC'er blev ikke identificeret i de publicerede undersøgelser af mus encellede REC'er, formentlig fordi kar med en lumendiameter på<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Udførelse af sådanne undersøgelser på større dyr eller på mennesker, som har større nyrekar, kan øge sandsynligheden for at opfange vasa vasora REC'er. Der er i øjeblikket ingen markører beskrevet for REC'er afledt af vasa vasora.

Ud over blodkarsystemet indeholder nyrebarken også to sæt nyrelymfekar. Begge disse stammer som blindendede kapillærer i nyrelappen, hvorfra det ene sæt følger arterierne mod hilum for at forbinde hilar- og kapselsystemet, og det andet trænger ind i kapslen for at forbinde kapsellymfesystemet28,101 (fig. 1a). De renale lymfatiske kapillærer kan skelnes fra blodkarkapillærer, da de hovedsageligt er til stede i interstitium, er blindende og mangler pericytter^28,29. Renale lymfatiske kapillærer består af enkeltlagede, 'eg-blad'-formede, delvist overlappende LEC'er28,29, som kan skelnes fra BEC'er ved ekspression af flere markører⁶, hvoraf de mest kendte er Pdpn (podoplanin)102, det hyaluronan-receptor-kodende gen Lyve1 (ref. 103), Flt4 (som koder for VEGFR3)104 og transkriptionsfaktorgenet Prox1 (ref. 105) (fig. 3b) . Selvom disse markører også udtrykkes i andre celletyper, kan de bruges til at skelne mellem de to vigtigste EC-typer29. I mennesketnyre, er podoplanin blevet beskrevet som værende den mest pålidelige markør for LEC'er^28,29. Ikke desto mindre kendte ingen af ​​de tonyreLEC-populationer er blevet identificeret i publicerede enkeltcellede RNA-seq undersøgelser^6,10,11, muligvis på grund af deres tab under tekniske behandlingstrin (for eksempel under enzymatisk fordøjelse eller EC-oprensning), og/eller fordi de repræsenterer en for lille EC-fraktion sammenlignet med populationen af ​​nyre-BEC'er. Yderligere undersøgelser er derfor nødvendige for at karakterisere heterogeniteten af ​​det renale lymfatiske endotel.

Heterogenitet af de medullære nyreendotelceller.Den primære rolle for nyremarven er urinkoncentration⁹. Det anatomiske arrangement af vasa recta og lav blodgennemstrømning af nyremarven (10 procent af den samlede renal blodgennemstrømning9), forhindrer udvaskning af opløste stoffer, såsom urinstof og NaCl, hvilket skaber en osmolaritetsgradient fra den ydre medulla til nyrepapillen , som er afgørende for urinkoncentration26,106. Denne gradient varierer i henhold til hydreringsstatus106.

Det renale medullære endotel er karakteriseret ved ekspression af Igfbp7 (refs10,11), en urinmarkør fornyreskade, der forudsiger renal restitution efter akut nyreskade (AKI)107, og Cd36 (refs10,32), som koder for en scavenger-receptor, der er ansvarlig for optagelsen af ​​langkædede fedtsyrer fra kredsløbet108 (fig. 3c). Derfor kan lipider bevæge sig på en CD36-afhængig måde gennem det medullære endotel til medullære interstitielle celler, en fibroblastlignende cellepopulation, der er karakteriseret ved lipiddråber, hvis overflod korrelerer med tilstanden af ​​diurese109. Deletion af Cd36 i mus var forbundet med en øget nyreafhængig risiko for spontan hypertension^10,110, men dæmpede udviklingen afnyrefibrose som reaktion på en diæt med højt fedtindhold111 (fig. 3c), hvilket derfor tyder på både en beskyttende og en patologisk rolle for lipidtransport i disse processer.

Ligesom det kortikale og glomerulære endotel udviser det renale medullære endotel omfattende intra-kompartmental heterogenitet^10,11. DVR'en er arteriel-lignende kar, der omfatter et kontinuerligt endotel omgivet af glatmuskellignende pericytter eller VSMC'er, der reagerer på vasoaktive stimuli for at kontrollere nyremarvens blodgennemstrømning. I overensstemmelse med deres arteriolær-lignende fænotype udtrykker DVR EC'er Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 og Cxcl12 (CXCL12, også kendt som SDF1 - et kemokinprotein der fungerer som en ligand for CXCR4 og CXCR7 udtrykt af VSMC'er og pericytter)^10,63,113. DVR EC'er udtrykker også Slc14a1 og Aqp1, som koder for urinstoftransporteren B (UTB)^10,11,112og vandkanalen aquaporin 1 (ref^10,11,55), som begge er nødvendige for urinkoncentration114,115 (fig. 3c,d). Disse EC'er udtrykker også Scin, som koder for slagg i - et protein, der binder aquaporin 2 i et multiproteinkompleks ved opsamling af kanalepitelceller, formentlig for at lette handel med aquaporin 2116. Co-ekspressionen af ​​Aqp1 og Scin i DVR EC'er antyder en lignende interaktion i det medullære endotel¹⁰.

Osmolaritetsgradienten etablerer et fjendtligt miljø for celler i nyremarven, især for dem i nyrepapillen, hvor osmolariteten er højest (svarende til en tilstand med fysiologisk hyperosmolaritet, hvor osmolariteten er højere end i det systemiske plasma)117. Muse DVR EC'er kan adskilles i to hovedfænotyper i henhold til deres placering i nyrepapillen eller i den ydre eller indre medulla10 og skelnes ved ekspressionen af ​​hyperosmolaritetsinducerede og af vasotonregulerende gener10 (fig. 3c). Renal papilla DVR EC'er udtrykker hyperosmolaritetsresponsive gener, herunder målgener af den hyperosmolaritetsinducerbare transkriptionsfaktor NFAT5, såsom S100a4 og S100a6 (refs10,118), hvorimod DVR EC'er fra den indre og ydre medulla viser beriget ekspression af Hpgd. et hovedenzym involveret i katabolismen af ​​vasoaktive prostaglandiner, Edn1, som koder for vasokonstriktoren endothelin 1, og Adipor2, som koder for en receptor for adiponectin, der inducerer vasodilatoreffekter119.120 (fig. 3c). Dette ekspressionsmønster er i overensstemmelse med den mere fremtrædende tilstedeværelse af glatmuskellignende pericytter i den ydre medullære del af DVR og dermed denne regions større reaktionsevne over for vasoaktive faktorer sammenlignet med lavere DVR-dele9.121.

I modsætning til DVR er AVR fenestrerede venøs-lignende kar (fig. 3d). Disse kar reabsorberer vand fra det renale medullære interstitium, der akkumuleres under urinkoncentration af opsamlingskanalerne, løkken af ​​Henle og DVR, og opsamler det tilbage i den generelle cirkulation på en måde, der ligner lymfekarrenes funktion30. I overensstemmelse med denne rolle udtrykker AVR EC'er den venøse transkriptionsfaktor Nr2f2 (refs10,11,64) og Plvap - sandsynligvis for at opretholde deres rolle i vandreabsorption^10,11,47,122(Fig. 3c). AVR EC'er udtrykker også Tek, der koder for angiopoietin Tie2-receptoren, som er nødvendig for AVR-dannelse under udvikling. Sletning af Tek i mus udløser den hurtige ophobning af væske og cyster i medullært interstitium og tab af medullære karbundter og resulterer i nedsat urinkoncentrationsevne³⁰.

I lighed med DVR kan AVR adskilles i to transkriptomisk forskellige EC-populationer placeret i papillen og i den ydre og indre medulla. Dem i papillen er karakteriseret ved ekspressionen af ​​hyperosmolaritets-responsive gener (Cryab, Fxyd2 og Cd9 (refs10,123,124)), glykolytiske gener (Ldha, Aldoa og Gapdh10,125,126) og Car2, som koder for kulsyreanhydrase 2-enzymet , hvis fravær forringer urinkoncentrationen og udløser polyuri hos mus127 (fig. 3c). Papillære AVR EC'er udtrykker specifikt Na plus /K plus ATPase subunit-kodende gen Fxyd2, hvorimod et alternativt subunit-kodende gen Fxyd6 er opreguleret i AVR EC'er i den ydre og indre medulla¹⁰ (Fig. 3c).

De papillære dele af AVR og DVR viser forskellige genekspressionsprofiler, men deler ekspressionen af ​​adskillige hyperosmolaritets-responsive gener, herunder Akr1b3, som koder for aldosereduktase - det hastighedsbegrænsende enzym af polyol-vejen, der er ansvarlig for omdannelsen af ​​glucose til sorbitol, en inert organisk osmolyt, der er vigtig for cellevolumenvedligeholdelse under forhold med hyperosmolaritet117. De udtrykker også S100a6 såvel som andre gener - såsom Fxyd5 (som koder for en anden Na plus /K plus ATPase-underenhed), Nrgn (som koder for det calmodulin-bindende protein neurogranin) og Crip1 (som koder for cystein-rigt protein 1) 10.118 - der potentielt kan være forbundet med det hyperosmotiske miljø (fig. 3c).

Den renale medullære kapillære plexus, som forbinder DVR og AVR (fig. 3a), er karakteriseret ved et Plvap-positivt fenestreret endotel og den berigede endotelekspression af gener, der koder for VEGF-receptorer, såsom Kdr, Flt1 og Nrp1. som gener involveret i fedtsyretransport og metabolisme (Cd36 og Plpp3)10 (fig. 3c). mREC'er inkluderer også EC'er fra postkapillære venuler, såvel som angiogene og interferon-aktiverede EC-populationer, svarende til kapillærerne i nyrebarken10.

REC heterogenitet og nyresygdom

Under fysiologiske forhold er endotelet hvilende - en tilstand, der for en stor del opretholdes gennem S-nitrosylering af proteiner og transkriptionsfaktorer af eNOS-afledt NO128,129. Aktiviteten af ​​eNOS selv er reguleret af forskydningsspænding¹³⁰og intracellulære metabolitter, såsom eNOS-substratet, l-arginin, og dets cofaktor, tetrahydrobiopterin¹³¹. Under særlige forhold - for eksempel som reaktion på infektion - kan denne hviletilstand slås fra, hvilket inducerer aktivering af EC'er og rekruttering af immuncellerne. Redox-signalering og især afkobling af eNOS-enzymet, hvilket resulterer i produktionen af ​​superoxid i stedet for NO, er afgørende for denne aktiveringsproces. Afkoblingen af ​​eNOS sætter gang i en kaskade, der fører til remodellering af endoteloverfladelaget og inducerer ekspressionen af ​​receptorer, der kan interagere med blodplader og immunceller¹³². Selvom endotelaktivering udgør en del af værtens forsvarssystem, kan dette molekylære maskineri aktiveres uhensigtsmæssigt under sygdomstilstande såsom autoimmun sygdom eller i forbindelse med kardiovaskulære risikofaktorer eller infektion. Det skal bemærkes, at der eksisterer heterogenitet i REC'ers reaktion på skadelige signaler¹³³. For eksempel ved atypisk hæmolytisk uræmisk syndrom er mutationer i den komplementhæmmende faktor H forbundet med reduceret faktor H-binding til glomerulært endotelheparansulfat134, hvilket inducerer glomerulær trombotisk mikroangiopati. Et andet eksempel er kronisk humoral allograft afstødning, hvor de peritubulære kapillærer synes at være det primære mål for skade¹³⁵; det tilhørende tab af det peritubulære kapillærnetværk forudsiger forekomsten afnyrefejl136. I forbindelse med COVID-19-pandemien er det værd at bemærke, at AKI hyppigt observeres hos patienter med alvorlig sygdom (som rammer op til 50 procent af patienterne på intensivafdelinger)¹³⁷, hos hvem udbredt EC-dysfunktion kan fremme sygdomsoptrapning som følge af vaskulær lækage, koagulopati og forværret inflammation^138,139.

Ud over heterogenitet i endotelaktiveringsresponsen kan responsen fra REC'er på miljøsignaler fra cirkulationen være stedspecifik. For eksempel viser gREC'er fra patienter med type 1-diabetes Mellitus et dysreguleret angiogent respons, der resulterer i glomerulær vækst og sekundær podocytopati^140,141. Ved iskæmisk skade - især i peritubulære kapillærer - resulterer endotelaktivering og udslettelse af EC'er i det såkaldte 'no-reflow'-fænomen, hvorved perfusion ikke genoprettes, selv efter genoprettelse af åbenhed, hvilket resulterer i tubulær epitelcelleskade og AKI¹⁴². Den kliniske patologi induceret af REC-aktivering er beskrevet i detaljer andetsteds.

Fremkomsten af ​​højopløsningsteknikker såsom enkeltcellet RNA-seq har givet ny indsigt i den molekylære regulering af endothelial fænotypisk heterogenitet og de processer, der er involveret inyreskade. En række undersøgelser i løbet af de sidste par år, fra vores gruppe og andre, har fremmet konceptet om, at endothelial heterogenitet er forbundet med den intracellulære metabolisme^{3,6,10,143–145}. Som beskrevet nedenfor hjælper de forskellige mikromiljøer, som REC'er udsættes for, med at etablere både deres fænotypiske mangfoldighed og metaboliske specialisering.

Metabolisk specialisering af REC'er

EC'er udviser en aktiv metabolisme, selv når de er stille for at opretholde processer såsom energiproduktion, biomassesyntese og redox-homeostase, som er nødvendige for at opretholde vaskulær barriereintegritet, vasoregulerende funktion, transport af opløste stoffer og hæmning af trombose og vaskulær inflammation. For eksempel opretholder hvilende EC'er høje niveauer af FAO, som hjælper med at opretholde vaskulær barriereintegritet delvist gennem regenerering af NADPH, som giver beskyttelse mod reaktive oxygenarter (ROS)146. I overensstemmelse med denne rolle øger hæmning af FAO i EC'er oxidativt stress, endotelbarrierepermeabilitet, leukocytinfiltration146 og endotel-til-mesenkymal overgang¹⁴⁷, hvilket tyder på, at FAO er påkrævet til opretholdelse af endotelfunktion og fænotype. REC'er viser forskellige metaboliske profiler og transkriptomer til EC'er isoleret fra andre organer i mus^3,6. De er især karakteriseret ved opregulering af gener involveret i aminosyre- og pyrimidinbiosyntese samt glukosemetabolisme⁶. Desuden er nogle metaboliske gener selektivt beriget i arterielle, kapillære eller venøse EC'er, hvilket indikerer intra-organ metabolisk heterogenitet⁶. Som diskuteret nedenfor kan forskellige mikromiljøforhold, som forskellige REC-populationer udsættes for, også påvirke deres metaboliske profiler og understøtte REC-fænotypisk heterogenitet såvel som deres respons på sygdomsstimuli.

REC-reaktioner på ændringer i iltspænding

Selvomnyrerer de mest perfunderede organer i kroppen, forbruges mindre end 10 procent af den cirkulerende ilt under blodets passage gennemnyrer¹⁴⁸. Detnyremedulla udsættes for lav iltspænding, med en pO2 på 10-20 mmHg (hypoxi) sammenlignet med 50 mmHg i nyrebarken117 (fig. 4a). Iltgradienten, der følger den kortikopapillære akse, er konsekvensen af ​​flere faktorer, herunder en arteriovenøs iltshunt, der er resultatet af det parallelle arrangement af AVR og DVR i medulla, den begrænsede blodgennemstrømning til og inden for medulla for at minimere udvaskningen af ​​opløste stoffer , og brugen af ​​oxidativ phosphorylering til at producere de høje niveauer af energi, der kræves for at Na plus /K plus ATPase kan reabsorbere Na plus og for at muliggøre den korrekte funktion af andre cellemembrantransportører af opløst stof117. Således er hypoxi iboende til urinkoncentrationsmekanismen i medulla^10,117.

Det er også nødvendigt for passendenyreudvikling149. Hypoxi kan dog være skadelig og betragtes som en væsentlig årsag til AKI150 og en risikofaktor for kronisk nyresygdom (CKD)151 (fig. 4a). Nyrehypoxi kan skyldes iskæmiske hændelser, som kan opstå under nyretransplantation eller som et resultat af unormal nyreperfusion på grund af peritubulær kapillær sjældenhed, glomerulær skade, åreforkalkning, dysregulering af arteriel vaskulær tonus, anæmi og nedsat iltdiffusion på grund af fibrose152 ( fig. 4a). Inden for det vaskulære system forårsager kortvarig udsættelse for hypoxi reversibel modulering af vaskulær tonus og blodgennemstrømning, hvorimod langvarig eksponering resulterer i irreversibel remodellering af vaskulaturen og det omgivende væv med VSMC-proliferation og fibrose¹⁵³. Det cellulære respons på hypoxi afhænger af inaktiveringen af ​​Fe2 plus-afhængige oxygenaser og 2-oxoglutarat (2-OG)-afhængige oxygenaser152, og den efterfølgende aktivering af hypoxi-inducerbar transkriptionsfaktor (HIF)-afhængig og HIF-uafhængige veje. Eksponering for hypoxi udløser aktiveringen af ​​både HIF1 og HIF2 i ECs154 (fig. 4b). I dennyreREC'er udtrykker bredt HIF2 ved hypoxi, mens proteinekspression af HIF1 er begrænset til mREC'er i papilla155-157, hvor det sandsynligvis stimulerer glykolyse (fig. 4b). Aktivering af HIF2 i REC'er medierer generelt beskyttelse og genopretning fra iskæmisk nyreskade ved at fremme erytropoiese og ved at undertrykke nyrebetændelse, kapillær sjældenhed og fibrose156 (fig. 4b). Eksponering af REC'er for hypoxi i forbindelse mednyresygdom kan derfor inducere forskellige responser i gRECs og cRECs end i mRECs. For eksempel fremmer hypoxi HIF1 -afhængig spredning og migration af dyrkede EC'er158.159; under ikke-sammenflydende forhold gennemgår dyrkede gREC'er imidlertid mitokondrieafhængig apoptose ved udsættelse for hypoxi155,160,161, hvilket tyder på en fejltilpasning af gREC'er til hypoxi. Selvom gREC'er ser ud til at være ret resistente over for hypoxi in vivo, sandsynligvis på grund af den parakrine virkning af podocyt-afledt VEGF161, kan hypoxi inducere et progressivt tab af tight junction-proteinerne occludin og ZO-1 i gREC'er i en HIF{{ 11}}afhængig måde, hvilket i sidste ende øger endotelbarrierepermeabilitet162. Lidt er kendt om mRECs respons på hypoxi. Især mREC'er i AVR'en og DVR'en udsættes for lav iltspænding i papillen under fysiologiske forhold, og Epas1-regulonet (der koder for HIF2 ) opreguleres i mREC'er ved vandmangel, sandsynligvis som reaktion på en stigning i hypoxi drevet af urinkoncentrationsproces¹⁰.

Metabolisk tilpasning af EC'er til ændringer i iltspænding.Under normoxiske forhold er EC'er primært afhængige af glykolyse til ATP-produktion snarere end mitokondriel oxidativ phosphorylering163. Som reaktion på hypoxi forværres disse metaboliske reaktioner med yderligere forbedring af glykolyse og undertrykkelse af mitokondriel respiration (fig. 4b), hvilket forklarer, hvorfor EC'er er modstandsdygtige over for hypoxi, så længe glucose forbliver tilgængelig164. Ved eksponering for akut hypoxi, såsom en iskæmisk hændelse, viser EC'er en hurtig stigning i mitokondriel og/eller NAD(P)H-oxidase-afledt ROS, som stabiliserer HIF1 og muliggør højere glykolytisk flux164 - responser, der er i overensstemmelse med en HIF{{6 }}induceret opregulering af glukosemetabolisme og nedregulering af mitokondriel aktivitet^164,165 (Fig. 4b). Desuden afslørede metaboliske pathway-analyser af EC'er udsat for kronisk hypoxi, som kan forekomme i medulla eller i forbindelse med CKD, en HIF2 -afhængig opregulering af glykolytiske gener¹⁶⁶. Interessant nok blev nogle glykolytiske gener såsom Eno1 og Aldoa, som koder for enzymerne enolase 1 og aldolase A, der er nødvendige for at producere ATP og pyruvat fra glucose, opreguleret i højere grad i mRECs end i cRECs og gRECs10. Mere specifikt viste mREC'er fra den papillære del af AVR - det er den del af det renale vaskulære leje, der er mest udsat for hypoxi - den højeste ekspression af de glykolytiske gener Aldoa, Ldha og Gapdh blandt alle mREC'er i mus10. Således kan papillære mREC'er vise højere anaerob glykolytisk flux end andre REC'er som et resultat af deres hypoxiske mikromiljø. På samme måde har medullære epitelceller en højere kapacitet til anaerob glykolytisk ATP-produktion end proksimale tubulære celler¹¹⁷. mREC'er opregulerer også adskillige glykolytiske gener ved vandmangel, samtidig med den øgede HIF2-aktivitet nævnt ovenfor¹⁰.

I EC'er opreguleres HIF2 delvist efter aktivering af den mitokondrielle NAD plus-afhængige deacetylase sirtuin 3 (SIRT3) (ref. 167) (fig. 4b). Tab af SIRT3 svækker hypoxisk signalering i EC'er og resulterer i defekt angiogenese og mikrovaskulær dysfunktion, sekundært til et metabolisk skifte fra oxygenuafhængig glykolyse til mitokondriel respiration. Dette metaboliske skifte er forbundet med et fald i ekspressionen af ​​6-phosphofructo-2-kinase (PFKFB3), et enzym, der fungerer som en positiv regulator af glykolyse og ROS-dannelse¹⁶⁷(Fig. 4b). Ved hypoxi opregulerer SIRT3 mitokondrielle antioxidantenzymer på en måde afhængig af FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — en transkriptionsfaktor, der også opreguleres af HIF1¹⁶⁹ (Fig. 4b). Interessant nok er SIRT3-FOXO3-antioxidantvejen operationel i gREC'er, hvilket forhindrer endotel-til-mesenchymal overgang ognyrefibrose i en dyremodel af angiotensin-II-induceret hypertension¹⁷⁰(Fig. 4b). Farmakologiske tilgange, der øger SIRT3, begrænser også cisplatin-induceret AKI ved at beskytte mod tubulær skade og ved at forbedrenyrefungere¹⁷¹. Derimod udviser Sirt3-knockout-mus mere alvorlig AKI, selvom REC's bidrag til disse effekter ikke er blevet bestemt¹⁷¹. Hvorvidt denne SIRT3-FOXO3-antioxidantvej også er involveret i den fysiologiske respons af mREC'er på hypoxi i medulla, skal endnu fastlægges.

Metabolismen af ​​fedtsyrer påvirkes også af oxygentilgængeligheden, da hypoxi udløser en stigning i ekspressionen og aktiviteten af ​​fedtsyresyntase (FAS), et nøglehastighedskontrollerende enzym i fedtsyrebiosyntesevejen, hvilket resulterer i en reduktion af malonyl -CoA-pulje og en forøgelse af palmitatniveauer i ECs172 (fig. 4b). I humane lungearterie-EC'er fører hæmning af FAS til svækkelse af HIF1-stabilisering og efterfølgende HIF1 -medierede ændringer i glukosetransport og metabolisme og til genoprettelse af eNOS-funktion, hvilket tyder på, at hæmningen af ​​fedtsyresyntese kan være gavnlig for EC-funktion ved hypoxi¹⁷²(Fig. 4b). I dennyre, Fans - som koder for FAS - blev opreguleret i en eksperimentel model for kronisk nyresvigt og bidrog til hypertriglyceridæmi¹⁷³. Opregulering af fans og andre hypoxi-responsive gener blev også observeret inyrecortex af en musemodel af seglcelleanæmi, der udviste progressiv glomerulær og tubulær skade¹⁷⁴. Ændret lipidmetabolisme er karakteristisk for proteinurisk CKD, og ​​både kliniske og eksperimentelle beviser understøtter forestillingen om, at ændret lipidmetabolisme kan bidrage til patogenesen og udviklingen af ​​nyresygdom¹⁷⁵. Ikke desto mindre er RECs rolle i dysreguleret fedtsyremetabolisme i forbindelse mednyresygdommangler at blive yderligere afklaret.

Hypoxi inducerer også opreguleringen af ​​arginase II på en måde afhængig af aktiveringen af ​​HIF2¹⁷⁶eller HIF1¹⁷⁷, og nedsætter syntesen og transporten af ​​dets substrat, arginin, i EC'er^178,179(Fig. 4b). Arginase II er et metalloenzym, der især kommer til udtryk inyrerog katalyserer hydrolysen af ​​l-arginin til urinstof og l-ornithin. Stigningen i arginase II-aktivitet sænker biotilgængeligheden af ​​arginin, som dæmper eNOS-aktivitet, reducerer endothelial NO-produktion og udløser eNOS-afkobling, hvilket i sidste ende fører til produktion af ROS og nitrosativ stress¹⁷⁶. Disse trin er afgørende for at fremme endothelial dysfunktion, diabetisk nyresygdom ognyrebetændelse i forbindelse med diæt-induceret fedme^180,181. Under fysiologiske forhold er arginase II hovedsageligt udtrykt i den ydre medulla, hvilket tyder på, at denne metaboliske tilpasning sandsynligvis ikke forekommer i de mREC'er, der er mest udsat for hypoxi¹⁸¹.

Endelig udløser udsættelse af papillære mREC'er for akut hypoxi frigivelsen af ​​puriner og ATP sammen med UTP og UDP i det ekstracellulære rum^182–184. ATP aktiverer endotel P2Y-receptorer, hvilket resulterer i NO-produktion, vasodilatation og øget vævsperfusion¹⁸⁵. ATP danner også adenosin efter metabolisering af ATP af ektoenzymer^185,186. Det er vigtigt, at hypoxi udløser en HIF2 -afhængig opregulering af adenosin A2a-receptoren (kodet af ADORA2A) i EC'er^187,188, hvis aktivering øger HIF1-proteinsyntesen, hvilket yderligere fremmer glykolytisk genekspression og glykolytisk flux¹⁸⁷(Fig. 4b). I de fleste tilfælde medierer aktivering af A2a- og A2b-receptorer udtrykt af EC'er og VSMC'er de vasodilatoriske virkninger af adenosin frigivet under hypoxi185. I dennyre, er forskellige adenosinreceptorer til stede i de forskellige dele af vaskulaturen¹⁸⁹, og ekstracellulær ATP og adenosin spiller nøgleroller i reguleringen af ​​nyrernes hæmodynamik og mikrocirkulationen^185,190. I medulla produceres adenosin i det medullære tykke opstigende lem af løkken af ​​Henle (TALH) efter oxidativ stress¹⁹¹og virker som en vasodilator, der inducerer en stigning i marvblodgennemstrømningen via en mekanisme, der kan involvere DVR mRECs¹⁹². Men i modsætning til dets virkninger i de fleste andre kar, udløser adenosin-medieret aktivering af A2a-receptorer, som især kommer til udtryk i de afferente arterioler, vasokonstriktion af nyrevaskulaturen, hvilket potentielt påvirker renal blodgennemstrømning og glomerulær filtration.^185,193. Det skal bemærkes, at en rolle for purinerge receptorer i CKD-progression er blevet identificeret¹⁹⁴.