Hvordan reparere og behandle akutt nyreskade?
Mar 14, 2022
Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com
Multi-omiske tilnærminger til akutt nyreskade og reparasjon
Louisa MS Gerhardt og Andrew P. McMahon
Abstrakt
Nyren har en bemerkelsesverdig regenererende kapasitet. Som svar på iskemisk eller toksisk skade, kan proksimale tubuliceller proliferere for å gjenoppbygge skadede tubuli og gjenopprette nyrefunksjonen. Imidlertid alvorligakutt nyreskade(AKI) eller tilbakevendende AKI (akutt nyreskade) hendelser kan føre til maladaptiv reparasjon og sykdomsprogresjon fra AKI (akutt nyreskade) tilKronisk nyre sykdom(CKD). Anvendelsen av enkeltcelleteknologier har identifisert skadede proksimale tubulicelletilstander uker etter AKl (akutt nyreskade), preget av en proinflammatorisk senescent molekylær signatur. Epigenetiske studier har fremhevet dynamiske endringer i kromatinlandskapet i nyrene etter AKI (akutt nyreskade)og har beskrevet sentrale transkripsjonsfaktorer knyttet til AKI (akutt nyreskade) respons. Integreringen av multi-omiske teknologier åpner nye muligheter for å forbedre vår forståelse av AKI (akutt nyreskade) og drivkreftene bak AKl (akutt nyreskade)-til-CKD-overgang, med det endelige målet å utforme skreddersydde diagnostiske og terapeutiske strategier for å forbedre AKI (akutt nyreskade) resultater og forebyggenyresykdomprogresjon.
Nøkkelord: Akutt nyreskade, Multi-omics, Epigenomics, encellet RNA-sekvensering, ATAC-sekvensering.
Introduksjon
Akutt nyreskade(AKI), diagnostisert ved en plutselig økning i serumkreatinin og/eller reduksjon av urinvolum, er en svært utbredt tilstand assosiert med økt sykelighet og dødelighet samt betydelige helsekostnader [1e4]. For eksempel tyder nåværende bevis på at minst 25 prosent av alle sykehusinnlagte COVID-19-pasienter utvikler AKI (akutt nyreskade) og at disse pasientene har en betydelig høyere dødelighetsrisiko enn COVID-19 pasienter uten AKI (akutt nyreskade) [5]. Pasienter som overlever AKI (akutt nyreskade) har en økt risiko for å gå over til kronisk og nyresykdom i sluttstadiet [3,4,6]. I følge den årlige rapporten for 2018 US Renal Data System, var det bare 52,6 prosent av sykehusinnlagte Veteran Affairs-pasienter som møtte AKI (akutt nyreskade)diagnosekriterier, fikk diagnosen AKI (akutt nyreskade), ber om mer bevissthet for AKI (akutt nyreskade) i sykehusrutiner [7]. Videre en tidlig diagnose av AKI (akutt nyreskade)er begrenset av mangel på sensitive biomarkører, og tilgjengelige behandlingsalternativer for AKI (akutt nyreskade) fortsette å stole på hemodynamisk optimalisering, unngåelse av nefrotoksisitet og nyreerstatningsterapi.
Proksimale tubuliceller, den hyppigst forekommende celletypen i nyrene, er ansvarlige for en stor del av nyrevæske og reabsorpsjon av oppløste stoffer og har dukket opp som store aktører innen adaptive og maladaptive responser på AKI (akutt nyreskade) [8]. På grunn av deres høye metabolske aktivitet og avhengighet av oksidativ metabolisme, fører iskemi raskt til ATP-utarming, akkumulering av reaktive oksygenarter, og til slutt apoptose eller nekrose av proksimale tubuliceller (figur 1). Proksimale tubuliceller som overlever en iskemisk hendelse har kapasitet til å dedifferensiere, proliferere og gjenoppbygge skadede tubuli, og spiller dermed en viktig rolle i den adaptive reparasjonsprosessen for å gjenopprette nyrefunksjonen [9-11]. Imidlertid har maladaptive proksimale tubuliceller, karakterisert ved en proinflammatorisk og profibrotisk fenotype, også vært implisert i sykdomsprogresjon fra AKI (akutt nyreskade) til kronisk nyresykdom (CKD), en kompleks prosess som involverer betennelse, vaskulær rarfaksjon og ekstracellulær matriseproduksjon av aktiverte pericytter og myofibroblaster (Figur 1) [8,12]. Omics-teknologier som undersøker genomisk organisering, genuttrykk og proteinprodukter, for eksempel analyse for transposase-tilgjengelig kromatin ved bruk av sekvensering (ATAC-seq), mRNA-sekvensering og massespektrometri, har dramatisk forbedret molekylær innsikt i cellulære responser initiert av AKI (akutt nyreskade). Senest har enkeltcelleapplikasjoner av disse tilnærmingene muliggjort studiet av cellulære hendelser med enestående høy oppløsning. Disse og andre multi-omics-tilnærminger gir løftet om en omfattende forståelse av de regulatoriske mekanismene som styrer nyresykdom, og åpner nye veier for biomarkører og medikamentoppdagelse. Dette manuskriptet gjennomgår nylige funn som bruker omics-teknologi pånyreskadeog reparere og vurderer fremtidige anvendelser av multi-omiske tilnærminger for å fremme forståelse og behandling avnyreskadeognyresykdom.
Figur 1:Oversikt over AKI og prosesser.
Proksimale tubulusceller er svært utsatt for iskemi, som kan føre til celledød gjennom apoptose og regulert (pyroptose, ferroptose, nekroptose) samt uregulert nekrose og utsletting av både døde og levedyktige celler inn i det tubulære lumen. Overlevende proksimale tubuliceller (PTCs) kan dedifferensiere og proliferere for å gjenopprette nyrearkitektur og funksjon; Imidlertid kan en maladaptiv reparasjon også føre til sykdomsprogresjon til kronisk nyresykdom (CKD). Denne prosessen er preget av vaskulær sjeldne dannelse, differensiering av pericytter til myofibroblaster, forbedret fibrøs ekstracellulær matrix (ECM) avsetning, tubulært tap og kronisk betennelse. Nfkb1 pluss mislykkede reparasjons-PTCer, preget av en senescensassosiert sekretorisk fenotype (SASP), spiller sannsynligvis en viktig rolle i AKI (akutt nyreskade)-til-CKD-overgang.
Genomikk
Genomiske studier tar sikte på å identifisere det genetiske grunnlaget for sykdom ved hypotesedrevet målrettet sekvensering av kandidatgener eller hypotesefri helgenomsekvensering. Her vil vi fokusere på genomomfattende assosiasjonsstudier (GWAS) som bruker en objektiv tilnærming for å kartlegge sekvensvarianter over hele genomet til fenotypiske egenskaper som sykdomstrekk og tillate kandidatgenidentifikasjon for mekanistiske studier (figur 2). Sammenlignet med andre sykdomstrekk, er det tilgjengelige antallet GWAS som avhører den genetiske bakgrunnen til AKI (akutt nyreskade) er lite. Dette skyldes delvis den komplekse og heterogene naturen til AKI (akutt nyreskade) som et sykdomstrekk. AKI (akutt nyreskade) kan være forårsaket av en rekke forskjellige faktorer som iskemi, sepsis, nefrotoksiske medikamenter og obstruktiv nefropati. Nåværende bevis tyder på at de underliggende molekylære og cellulære mekanismene til AKI (akutt nyreskade) har årsaksspesifikke komponenter [13,14], men konsensusdefinisjonen av AKI (akutt nyreskade) — en endring i serumkreatinin og urinproduksjon — står ikke for forskjellige AKI (akutt nyreskade) årsaker.
En forenklet arbeidsflyt for en genomomfattende assosiasjonsstudie (GWAS) er illustrert (øverst til venstre). For å studere en assosiasjon mellom genetiske varianter og en spesifikk egenskap, utføres helgenomsekvensering eller genotyping ved bruk av single-nucleotide polymorphism (SNP) arrays på en populasjon og statistiske assosiasjonstester brukes til å identifisere SNP-er assosiert med egenskapen av interesse. For encellet RNA-sekvensering (øverst til høyre) tilberedes en enkeltcellesuspensjon, enkeltceller isoleres og mRNA-molekylene fra cellen (eller kjernen) fanges opp på kuler for påfølgende konvertering til cDNA. cDNA blir amplifisert og sekvenser bestemt ved neste generasjons sekvensering (NGS) og sekvenskartlegging til genomet. For epigenomisk analyse (nederst til høyre) følges en analyse for transposase-tilgjengelig kromatin (ATAC) av NGS og sekvenskartlegging for å visualisere kromatintilgjengelighet for hele genomet. Hyperaktiv Tn5 transposase (Tn5) brukes til å spesifikt spalte steder av åpent kromatin og samtidig sette inn sekvenseringsadaptere for NGS. Regioner med økt kromatintilgjengelighet er vist som ATAC-topper. For proteomikkanalyse ved massespektrometri (nederst til venstre) ekstraheres proteiner, fordøyes til peptider og ioniseres. I massespektrometeret blir ioner akselerert, utsatt for et magnetfelt, og deres masse-til-ladning-forhold måles, noe som muliggjør proteinidentifikasjon og kvantifisering.
Til dags dato har to større GWAS forhørt den genetiske bakgrunnen til AKI (akutt nyreskade). Den første studien viste en assosiasjon av enkeltkjernepolymorfismer (SNP-er) i GRM7 LMCD1-AS1 og BBS9-lokuset med koronar bypass-kirurgirelatert AKI (akutt nyreskade) i en oppdagelseskohort på 873 pasienter og en replikasjonskohort [15]. Den andre kombinerte pasienter fra to distinkte kohorter for å danne en oppdagelsespopulasjon på 1429 kritisk syke pasienter og identifiserte fire AKI (akutt nyreskade)-assosierte SNP-er i umiddelbar nærhet til enten interferon-regulatorisk faktor 2 (IRF2) eller transkripsjonsfaktoren T-boks 1(TBX1)[16]. Interessant nok har IRF2 blitt knyttet til pyroptose og har en regulerende rolle i immunsystemet[17,18]og TBX1 er en del av T-boks-genfamilien, en gruppe transkripsjonsfaktorer med viktige roller i celleskjebne og celletilstandsregulering [19 ]. Imidlertid er sammenhengen mellom AKI (akutt nyreskade) og disse lociene kunne ikke reproduseres i en potensiell kohort av kritisk syke pasienter, som ble spesifikt genotypet for de identifiserte SNP-ene [20]. Dette understreker nødvendigheten av enda større utvalgsstørrelser for fremtidig AKI (akutt nyreskade) GWAS og illustrerer vanskeligheten med å identifisere robuste genetiske risikofaktorer for heterogene sykdommer som AKI (akutt nyreskade).
I tillegg vil ekspresjons kvantitative egenskaper loci (eQTL) analyser sannsynligvis hjelpe til med oversettelsen av innsikt oppnådd av GWAS til sykdomsmekanismer. OTL-analyser tar sikte på å identifisere loki som forklarer en brøkdel av genuttrykksvariansen i vev og kan brukes til å koble SNP-er i det ikke-kodende genomet til målgenuttrykk. For eksempel førte en integrerende tilnærming som kombinerer GWAS, eOTL og funksjonelle eksperimenter til identifisering av gener involvert i patogenesen av CKD [21-23].
Figur 2:Skjematisk over utvalgte omics-teknologier.
Transkriptomikk
Fremkomsten av nye skalerbare teknologier for å studere transkriptomet til celler i den skadde nyren har revolusjonert vår forståelse av de cellulære responsene på AKI (akutt nyreskade), avdekker nye celletilstander og fremhever det dynamisk skiftende transkripsjonslandskapet til den reparerende nyren. Nyre bulk mRNA-sekvensering i løpet av ett år etter AKI (akutt nyreskade) demonstrerte tidsspesifikke genuttrykksendringer relatert til tubulær skade, spredning, reparasjon, fibrose og immunitet [24]. Denne musen AKI (akutt nyreskade) biobankdata viste at betennelsesassosierte gener fortsatt var oppregulert ett år etter AKI (akutt nyreskade), noe som tyder på vedvarende betennelse som en drivende faktor for sykdomsprogresjon til CKD. Masse-mRNA-sekvensering av rutinemessige nyretransplantasjonsbiopsier muliggjorde profilering av kort- og langsiktige transkripsjonsendringer i humane nyretransplantasjoner utløst av iskemi/reperfusjonsskade (IRI) under transplantasjon [25]. Alle nyrebiopsier ble tatt i løpet av de første timene etter reperfusjon viste en lignende transkripsjonsprofil preget av aktivering av gener med umiddelbar til tidlig respons, hvorav mange koder for transkripsjonelle regulatoriske faktorer.
3 og 12 måneder etter transplantasjon kunne imidlertid to divergerende baner assosiert med enten bedring eller progresjon til CKD avgrenses. Den CKD-lignende banen viste nedregulering i uttrykket av gener relatert til mitokondriell biogenese og oppregulering av betennelses- og fibroseassosierte gener, som observert i musemodellen til AKI (akutt nyreskade) [24,25]. Både muse- og menneskestudier antyder en fremtredende rolle for T- og B-celleaktivitet og utseendet til sentre av tertiært lymfoid vev i langsiktige utfall av AKI (akutt nyreskade) [25,26]. Analyse av musen AKI (akutt nyreskade) biobank- og humane nyretransplantasjonsdatasett argumenterer for en autoantigendrevet B-celleaktivitet, som fremmer sykdomsprogresjon gjennom vedvarende immunrespons, ett år etter AKI (akutt nyreskade) [27].
Selv om bulk-mRNA-sekvensering har vist seg å være svært informativ i AKI (akutt nyreskade) studier, er celletypespesifikke responser ikke differensiert med denne teknikken. Genetiske tilnærminger til merking av forskjellige celletyper gir større presisjon og ekstra innsikt. For eksempel bruker translaterende ribosomaffinitetsrensing (TRAP) en eGFP-merking av L10a-ribosomalunderenheten for å identifisere den spesifikke mRNA-undergruppen i individuelle celletyper som gjennomgår aktiv translasjon [28]. Den første TRAP-studien i AKI (akutt nyreskade) forskning brukte en genetisk modell av CRE-rekombinase-mediert aktivering av eGFP-L10a-kassetten spesifikt innenfor nefron-, stromal-, vaskulære- eller immuncelletyper og viste distinkte transkripsjonelle endringer knyttet til hvert cellulært rom etter AKI (akutt nyreskade) [29]. Mange gener relatert til renal tubulær funksjon ble nedregulert 24 timer etter AKI (akutt nyreskade). Derimot ble gener involvert i anti-apoptotisk baneaktivitet, celleproliferasjon og cellebevegelse markant oppregulert. TRAP-analyse av proksimale tubuliceller fremhevet av skademarkøren Kim-1(kodet av Hazel) viste at flertallet av Kim-1-positive celler ble reparert to uker etter AKI (akutt nyreskade), selv om 15 prosent beholdt uttrykket av Kim-1 og skademarkøren Sox9 [10], og fremhevet en vedvarende skadet celletilstand [30]. Klonal analyse avslørte at utvidelsen av Kim-1-positive kloner repopulerte skadede proksimale tubuli, og støttet en modell for reparasjon gjennom dedifferensiering av proksimale tubuliceller, snarere enn gjennom en spesifikk stam-/progenitorcellepopulasjon [30]. Transkripsjonen FoxMI ble sterkt oppregulert i Kim-1-positive proksimale tubuliceller og vist å drive proksimal tubuliproliferasjon i zitro på en epidermal vekstfaktorreseptoravhengig måte [30]. Enkeltcelle-mRNA-sekvenseringstilnærminger med høy gjennomstrømning, undersøkelse av helcelle-mRNA-sekvenseringsprofiler (scRNA-seq) eller kjernefysisk lokaliserte mRNA-transkripter (snRNA-seq), har dramatisk forbedret AKI (akutt nyreskade) studier. Disse tilnærmingene gir en dyp molekylær innsikt i genuttrykk på cellenivå når de kombineres med kraftige beregningstilnærminger, identifiserer variable celletyper og celletilstander i hele organet [31,32]. scRNA-seq starter fra en suspensjon av enkeltceller eller enkeltkjerner, som er merket med unike molekylære tagger og lysert (figur 2). mRNA blir deretter revers transkribert, amplifisert og sekvensert. En snRNA-seq studie på nyrer utsatt for unilateral ureteral obstruksjon (UUO) identifiserte to nye proksimale tubulicelleklynger 14 dager etter UUO, hvorav den ene hadde en sterk proliferativ signatur, mens den andre uttrykte gener involvert i betennelse og cellebevegelser, som f.eks. Ccl2, II34, Cxcll og Dock10 [33].
En lignende cellepopulasjon er tydelig i en snRNA-seq studie som profilerer den skadde nyren etter IRI [34]. I de første timene etter IRI er det nedregulering av normalt proksimalt tubuli-genuttrykk og en markert transkripsjonsrespons inkludert umiddelbare tidlige gener og de kjente skademarkørene HuverI og Krt20 [24,25,34]. På dag to etter IRI viste en stor del av proksimale tubuliceller enten en proliferativ profil eller gjenvunnet t-transkripsjonssignaturen for differensierte proksimale tubuliceller. En liten populasjon av proinflammatoriske, profibrotiske celler, preget av ekspresjon av Vcaml i de fleste celler, og samuttrykk av Cal2 i en undergruppe, spådde imidlertid aktiviteten til NF-KB-familien av transkripsjonsfaktorer. Mens prolifererende proksimale tubuliceller avtok to uker etter AKI (akutt nyreskade), økte proinflammatoriske, profibrotiske proksimale tubuliceller, noe som tyder på en kobling mellom mislykket tubulær reparasjon og den observerte pro-inflammatoriske, profibrotiske cellepopulasjonen (figur 1). Interessant nok antydet dekonvolusjonsanalyse av bulk-RNA-sekvenseringsstudier at en lignende populasjon økte etter hvert som nyrene eldes normalt og etter transplantasjon.
I tråd med den nevnte studien [34], et genetisk selektivt fokus på skadede proksimale tubuliceller fire uker etter en mildere AKI (akutt nyreskade), ved bruk av Krt20-T2A-CRE-ERT2-mus for å merke og rense skadde proksimale tubuliceller, viste en lignende skadet cellulær fenotype: en VcamI/Cal2 pluss skadet proksimal tubulicellepopulasjon som ble ytterligere preget av en sterk proinflammatorisk ( f.eks. Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) og profibrotisk (f.eks. Pdgfb, ColAal) transkripsjonssignatur, med markert aktivering av NF-KB-, TNF- og AP{10}}-signalering [35]. Disse skadde proksimale tubuluscellene delte trekk ved en senescensassosiert sekretorisk fenotype (SASP) identifisert i andre skadde organer (figur 1) [35,36]. I motsetning til tidligere AKI (akutt nyreskade) studier [12], ingen signifikant G2/M-cellesyklusstans ble observert i denne populasjonen. Ytterligere skjebnekartleggingsforsøk av syklusceller viste at flertallet av VcamI pluss /Cal2 pluss proksimale tubuliceller, lokalisert til den kortikomedullære grensen, sporet tilbake til proksimale tubuliceller som prolifererte de første dagene etter AKI (akutt nyreskade). Imidlertid representerte kortikale Vuamt pluss /Cu2 proksimale tubuliceller sannsynligvis sekundære skadesteder, ikke relatert til tidlig replikasjonsassosiert proksimal tubulireparasjon.
omfattende atlas over skaderesponsen på A unilateral-ischemi reperfusion (UIR) som utfører scRNA-seq på flere tidspunkter fra dag én til dag 14 etter at UIR avslørte et forhøyet uttrykk i skadede celler av Sox4 og Cd24a, gener identifisert for roller i nyreutvikling [37]. En ny cellepopulasjon, "blandede identitetsceller", ble også rapportert som viser samekspresjon av den proksimale tubuli (Sl34a7), tykt stigende lem (Umod), eller samlekanal (Agp2) markører. scRNA-seq-data fra musefolinsyrenefropati og UUO-modeller viste at redusert ekspresjon av differensieringsmarkører som oppløste stoffer i skadede proksimale tubuliceller er assosiert med nedregulering av gener involvert i metabolske prosesser, som fettsyreoksidasjon [38]. Den kjernefysiske reseptoren Esrra ble identifisert som en viktig kobling mellom proksimal tubulusdifferensiering og metabolisme fordi den direkte regulerte uttrykket av metabolske og proksimale tubulispesifikke gener. Denne og andre scRNA-seq-studier har også fremhevet et tidligere ikke verdsatt mangfold av immunceller i den syke nyren [38,39].
En viktig begrensning for alle diskuterte transkriptomiske teknikker er fraværet av romlig informasjon. Nye transkriptomiske plattformer gjør det nå mulig å visualisere mRNA-uttrykk romlig ved å anneale og fikse vevsseksjoner direkte på unike strekkodede prober, avbilde vevsseksjonen og utføre revers transkripsjon in situ etterfulgt av probefrigjøring og sekvensering [40]. De sekvenserte transkriptomene kan deretter kartlegges tilbake til den avbildede vevsseksjonen. Denne romlige transkriptomikkteknologien tillot spesifikk lokalisering av de to transkripsjonelt distinkte celletypene av det proksimale tubulussegmentet S3 [41] til cortex og ytre stripe av den ytre medulla [42]. I forskjellige murine AKI (akutt nyreskade) modeller, dekonvolvering av individuelle romlige transkriptomiske flekker ved bruk av scRNA-seq-data avslørte AKI (akutt nyreskade) modellspesifikke mønstre for immuncelleinfiltrasjon og muliggjorde identifisering av en distinkt Af3-uttrykkende proksimal tubulicellepopulasjon, kolokalisert med nøytrofiler etter IRI [43]. Disse studiene illustrerer potensialet for romlig-temporelle omics for å forutsi mikromiljøkontroller på cellulære responser etter AKI (akutt nyreskade).
Epigenomikk
Celletypespesifikke programmer for differensielt genuttrykk avhenger av epigenetisk modifisering av kromatin (for eksempel histonmetylering og acetylering) og DNA (for eksempel ved cytosinmetylering ved CpG-rester) som respons på DNA-bindende transkripsjonsregulatorer og assosierte faktorer. En akkumulerende mengde bevis tyder på en viktig regulatorisk rolle for epigenetiske mekanismer i AKI (akutt nyreskade) og nyreparasjon [44-46]. Gitt utmerkede dybdegjennomganger[44-47], fremhever vi bare kort utvalgte nyere epigenomiske studier i AKI (akutt nyreskade) undersøkelser.
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 prosent etter UUO. Interessant nok ble komplementære endringer i forskjellige merker på den samme aminosyren rapportert, noe som tyder på en koordinert respons på AKI (akutt nyreskade) [48].
H3K4me3-fremhevede promotorer ble sammenlignet med H3K27ac-merkede forsterkere etter AKI (akutt nyreskade) ved bruk av kromatin-immunutfelling og neste generasjons sekvensering (ChIP-seq) [49]. Aktive forsterkernettsteder viste en mer dynamisk endring som respons på AKI (akutt nyreskade). Kromatinmodifikasjoner på aktive forsterkersteder var assosiert med endret binding av transkripsjonsfaktorer som Hnf4a, Gr og Stat3.Hnf4a er en nøkkeltranskripsjonsfaktor i spesifikasjonen og differensieringen av proksimale tubuliceller [50].Hnf4a-binding til forsterkerelementer som er aktive i normalen proksimale tubulusceller redusert som respons på AKI (akutt nyreskade) [49]. Dette bidrar sannsynligvis til AKI (akutt nyreskade)-indusert dedifferensiering av skadde proksimale tubuliceller. Stat3 er en nøkkeltranskripsjonsregulator i et inflammatorisk nettverk med NF-KB og aktivatorprotein-1(AP-1)regulatoriske faktorer [51].AP-1-veiaktivering er svært bevart som en initial svar på mus AKI (akutt nyreskade) og human nyretransplantasjonsassosiert IRI [24,25].Stat3-engasjement på Junb-lokuset som svar på AKI (akutt nyreskade) foreslår en rolle for Stat3-inaktivering av AP-1 transkripsjonskomponenter[49]. Videre svekket hemming av bromodomain og ekstra-terminal (BET)-avhengig forsterkeraktivering utvinning etter AKI (akutt nyreskade), og fremhever den viktige rollen til forsterkerdynamikk i AKI (akutt nyreskade)reparasjon[49].
ATAC-seq har blitt den mest brukte metodikken for å vurdere åpenheten til kromatin og utlede aktiviteten til regulatoriske og transkriberte genomiske regioner. Raskt har ATAC-seq-teknologien gått fra sensitive bulkvevsanalyser med bare 500 celler, til enkeltkjerneanalyse, og sist parallellanalyse av kromatintilstand og genuttrykk i samme celle [41,52-54]. ATAC-seq bruker hyperaktiv Tn5-transposase for å kutte ved åpent kromatin og merke-kuttet DNA med DNA-adaptere for å lette bibliotekkonstruksjon og DNA-sekvensering (figur 2). Gitt bare to målsteder i hvert genom, er ATAC-data sparsomme, og snATAC-studier bruker beregningsmetoder for å gruppere celler med lignende snATAC-profiler og integrere med uavhengig genererte sc- eller snRNA-seq-datasett. En fersk studie profilerte den cellulære heterogeniteten i friske, voksne menneskelige nyreprøver med beregningsmessig integrerte snATAC-seq og snRNA-seq datasett [55]. Interessant nok identifiserte studien en underpopulasjon av VCAM1-som uttrykker proksimale tubuliceller, som viste redusert aktivitet av HNF4A og økt aktivitet av NF-KB-familiemedlemmer, som delvis lignet proinflammatoriske, profibrotiske skadede proksimale tubuliceller identifisert i musenyrene flere uker etter AKI (akutt nyreskade) [34,35,55]. Overfloden av denne cellepopulasjonen økte over tid hos aldrende mus og var høyere i humane diabetiske nyrer enn hos friske kontroller. Dermed ser det ut til at noen cellulære responser er bevart mellom forskjellige nyresykdommer og på tvers av arter. Men i hvilken grad denne cellepopulasjonen bidrar til aldersrelatert tap av nyrefunksjon ognyresykdomprogresjon krever videre utredning.
Celletypedeteksjon og regulatoriske spådommer forbedres ved å koanalysere snRNA-seq og snATAC-seq i samme kjerne [41]. Denne teknikken ble nylig brukt til å karakterisere sunt menneskelig nyrevev og AKI (akutt nyreskade) og CKD-biopsier som avslører ny cellediversitet i den normale nyren og fremhever sammenlignbare skadetilstander i mus og menneskelig AKI (akutt nyreskade), samt endrede celletilstander i tykke ascendenser kjennetegnet ved ekspresjon av Proml og Dcd2 [56]. I tillegg lokaliserte romlig transkriptomi myofibroblaster og immunceller i CKD-prøver til steder med proksimal tubulusskade [56].
Cistanche gjenoppretter nedsatt nyrefunksjon
Proteomikk og metabolomikk
Studiet av proteiner og metabolitter i plasma, urin og nyrevev ved bruk av gelelektroforese og massespektrometri komplementerer transkriptomiske og epigenomiske verktøy. Massespektrometri kan identifisere og kvantifisere makromolekyler (f.eks. proteiner) og cellulære metabolitter i et komplekst vev, ved å måle molekylært distinkte masseladningsegenskaper til molekyler når de er ionisert og utsatt for et magnetisk eller elektrisk felt (Figur 2) [57]. Mange proteomikkstudier har vært rettet mot identifisering av biomarkører for AKI (akutt nyreskade)(omfattende gjennomgått andre steder[57-59]). For eksempel ble nivåer av urinvevsinhibitor metalloproteinase-2(TIMP2) og IGF-bindende protein-7(IGFBP7) vist å være prediktive for død og nyresvikt hos kritisk syke pasienter med AKI (akutt nyreskade) [60]. Behandling av TIMP2 og IGFBP7 kopositive pasienter med støttende behandlingstiltak i henhold til Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) retningslinjer for pasienter med høy risiko for AKI(akutt nyreskade) redusert AKI (akutt nyreskade) utvikling i de første 72 timene etter hjertekirurgi, men påvirket ikke dødelighet og behov for nyreerstatningsterapi [61]. Disse resultatene og funnene fra andre biomarkørstudier er oppmuntrende; imidlertid den ideelle biomarkøren eller mer sannsynlig biomarkørpanel for AKI (akutt nyreskade)risikovurdering, målrettet AKI (akutt nyreskade)forebygging, prediktiv diagnose og muligens til og med terapeutisk veiledning i rutinemessig klinisk praksis er ennå ikke identifisert.
I tillegg til stasjonen for effektiv AKI (akutt nyreskade) biomarkører, kan proteomikk også brukes til å forhøre AKI (akutt nyreskade) patofysiologi [62]. En preklinisk studie av cisplatin-indusert AKI (akutt nyreskade)avslørte en svak korrelasjon mellom transkriptom og proteom i den skadde nyren [63]. Studien antydet at avviket mellom de to tilnærmingene ble drevet av proteinendringer i det ekstracellulære rommet, for eksempel i komplementsystemet [63]. Interessant nok var graden av dissosiasjon mellom RNA og proteinekspresjon sterkt korrelert med skadens alvorlighetsgrad, som indikert av serumkreatinin og urea-nitrogennivåer i blodet [63]. Dette fremhever relevansen av post-transkripsjonelle endringer i AKI (akutt nyreskade)respons.
Nylig har nær-encellet proteomikk-profilering, som muliggjør kvantitative proteomiske målinger fra så lite som 10 til 100 laserfangst mikrodisserte nyreceller, blitt brukt til å identifisere proteiner som er spesifikke for det glomerulære og det proksimale tubulære rommet i den friske nyren [64] . Noen av de mest anrikede kompartmentspesifikke proteinene korrelerte godt med uttrykket av det tilsvarende genet i henholdsvis podocytten og den proksimale tubuliklyngen til et scRNA-seq-datasett. Videre kan mer enn 40 proteinmarkører påvises samtidig på en enkelt vevsseksjon ved avbildning av massecytometri (IMC), og dermed muliggjøre studiet av proteomet i romlig kontekst [65]. IMC av den friske menneskelige nyren avslørte uventet cellulær heterogenitet og identifiserte en sjelden megalin/aquaporin-1/vimentin (Lrp2/Aqp1/Vim)-positiv celletype som potensielt reflekterte en skadet (Vim pluss) proksimal tubuli (Lrp2 pluss /Aqp1) pluss ) celletilstand [65]. Anvendelsen av disse teknologiene til AKI (akutt nyreskade) forskning vil gi kritisk innsikt i det proteomiske landskapet for skade og reparasjon.
Studiet av nyremetabolomet (molekyler mindre enn 1500 Da [62]) har videreført en forståelse av AKI (akutt nyreskade) patofysiologi.
Metabolomisk
profilering av skadet nyrevev ved bruk av væskekromatografi-massespektrometri førte til funnet at de neo nikotinamid adenin dinukleotid (NAD pluss) syntese er svekket i AKI (akutt nyreskade) [66]. Nedregulering av mitokondriell biogeneseregulator PGCla i AKI (akutt nyreskade) resulterte i lokal NAD pluss uttømming, mens PGC1 overekspresjon økte nyre NAD pluss nivåer og reduserte AKI (akutt nyreskade) [66]. Uhildede urinscreeninger har også vist økte nivåer av NAD pluss forløper kinolin i urinen til mus etter IRI [67] som følge av en reduksjon av renal kinolinfosforibosyltransferase (QPRT), et nøkkelenzym i de novo NAD pluss syntese [67]. Reduserte nyre-QPRT-nivåer var assosiert med høyere AKI(akutt nyreskade) mottakelighet [67]. Oral nikotinamidbehandling reddet AKI (akutt nyreskade)-indusert renal NAD pluss biosyntetisk mangel hos mus, og en liten fase 1 klinisk studie har antydet en potensiell nyrefordel av nikotinamidbehandling hos pasienter som gjennomgår hjertekirurgi [67]. En metabolomikkstudie av humane nyretransplantasjonsbiopsier, før og etter reperfusjon, viste en tydelig forskjellig metabolsk profil av transplantater med fremtidig forsinket graftfunksjon sammenlignet med transplantasjoner uten forsinket graftfunksjon [68]. Transplantater med fremtidig forsinket graftfunksjon ble preget av vedvarende ATP/GTP-katabolisme, noe som tyder på tidlig gjenoppretting av energihomeostase som et terapeutisk mål i AKI (akutt nyreskade) forebygging [68]. Massespektrometrisk bildebehandling (MSI) er en kraftig teknikk som brukes til å visualisere den romlige fordelingen av metabolitter, proteiner eller lipider, med cellulær og subcellulær oppløsning [69]. MSI-analyse av skadde nyrer viste lipidomisk e brukte ch coll .x7rr for å skille mellom mild og alvorlig iskemi så tidlig som 2 timer etter skade [70,71].
Konklusjoner og perspektiv
Tilgjengelige omics-teknologier har fremmet vår forståelse av AKI (akutt nyreskade) og reparasjon. Integrasjon eller samtidig innhenting av forskjellige omics-datasett vil ytterligere forbedre innsikten i AKI (akutt nyreskade), og bekreftende funn fra ortogonale tilnærminger vil gi ytterligere tillit til identifiserte mekanismer. Ny innsikt, verktøy og informasjonsressurser kommer med investeringen fra NIDDK i flere store konsortier, inkludert Kidney Precision Medicine Project og Rebuilding a Kidney Program. Den store utfordringen i denne epoken med "store data" er å utlede biologisk relevante mekanismer fra svært komplekse datasett for å demokratisere tilgangen til disse dataene gjennom brukervennlige visnings- og dataanalyseplattformer, og til slutt å oversette vår økende patofysiologiske innsikt til diagnostikk og terapeutiske strategier som forbedrer pasientbehandling og AKI (akutt nyreskade) utfall.
Erklæring om konkurrerende interesse
Forfatterne erklærer følgende økonomiske interesser/personlige relasjoner som kan betraktes som potensielle konkurrerende interesser: APM er en vitenskapelig rådgiver for nyrerelaterte tilnærminger til menneskelig sykdom for Novartis, eGenesis, Aviva og Trestle Biotherapeutics.
Anerkjennelser
Vi beklager til alle forskere hvis arbeid ikke kunne diskuteres på grunn av plassbegrensninger. Vi takker Dr. Pietro E.Cippà for kritisk lesning av manuskriptet. LMS Gerhardt ble støttet av den tyske forskningsstiftelsen (DFG), Tyskland med et postdoktorstipend (GE 3179/1-1). Arbeid i AP McMahons laboratorium støttes av tilskudd fra NIDDK, USA(DK126024,54364,126925) og ChanZuckerberg Initiative, USA(CZIF2019-002430).
Referanser
Artikler av spesiell interesse, publisert i gjennomgangsperioden, har blitt fremhevet som:
1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Akutt nyreskade, dødelighet, liggetid og kostnader hos innlagte pasienter.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 Nephrologys 0by25-initiativ forakutt nyreskade(null dødsfall som kan forebygges innen 2025): en menneskerettighetssak for nefrologi. Lancet 2015, 385:2616-2643.
3. Hsu RK, Hsu CY: Rollen tilakutt nyreskadeved kronisk 3. H nyresykdom. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.
4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Akutt nyreskadeog kronisk nyresykdom som sammenkoblede 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 av COVID-19-assosiertakutt nyreskade. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Denne anmeldelsen gir en detaljert oversikt over gjeldende litteratur relatert til covid-19-tilknyttetakutt nyreskade.
6. Zuk A, Bonventre JV: Nylige fremskritt påakutt nyreskade6. 2 og dens konsekvenser og innvirkning på kronisk nyresykdom. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Denne utmerkede anmeldelsen oppsummerer de patofysiologiske mekanismene som ligger til grunn for overgangen fra akutt til kronisk nyreskade og fremhever rollen til mitokondriell dysfunksjon, betennelse, senescens og celledød i denne prosessen.
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 årlig datarapport: epidemiologi av nyresykdom i de forente stater. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 årsdatarapport tilgjengelig fra: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_i_den_us.pdf. (Åpnet 11. april 2021).
8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mechanisms of maladaptive 8. reparasjon etter AKI (akutt nyreskade) fører til akselerert aldring av nyrene og CKD. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.
9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD:9. Differensierte nyreepitelceller reparerer skadde 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 fremhever en cellulær bane for nyre-reparasjon i den akutt skadde pattedyrnyren.Cell Rep 2015,12:1325-1338.
11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9 positive stamceller spiller en nøkkelrolle i nyretubuli-epitelregenerering hos mus. Cell Rep 2016,14:861-871.
12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Epitelcellesyklusstans i G2/M medierer nyrefibrose etter 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: Unike transkripsjonsprogrammer identifiserer undertyper av AKI (akutt nyreskade).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.
14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogenitet av epigenetiske endringer ved iskemi/reperfusjon- og endotoksinindusertakutt 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.: Genomomfattende assosiasjonsstudie avakutt nyreskadeetter koronar bypass-operasjon identifiserer følsomhetsloci. 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 genomomfattende assosiasjonsstudie for å identifisere enkeltnukleotidpolymorfismer forakutt 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 induserer transkripsjonelt GSDMD-ekspresjon 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 av IRF-1 eller IRF-2 resulterer i unormal type IIFN-geninduksjon og avvikende lymfocyttutvikling. Cell 1993, 75:83-97.
19. Papaioannou VE: T-boks-genfamilien: fremvoksende roller i utvikling, stamceller og kreft. Utvikling 2014.141:3819-3833.
20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶Ingen assosiasjon mellom genetiske loci nær IRF2 og TBX1 ogakutt nyreskadei kritisk syke.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.
