Molecular Mechanisms of Renal Progenitor Regulation: Hvor mange brikker i puslespillet?
Feb 24, 2022
Abstrakt: Nyrerav mus, rotter og mennesker har stamceller som opprettholder daglig homeostase og deltar i endogene regenerative prosesser etter skade, på grunn av deres evne til å formere seg og differensiere. I de glomerulære og tubulære kompartmentene til nefronet viste konsistente studier at godt karakteriserte, distinkte populasjoner av stamceller, lokalisert i parietale epitelet til Bowman-kapselen og spredt i de proksimale og distale tubuli, kunne generere segmentspesifikke celler under fysiologiske forhold. og etter vevsskade. Imidlertid kan defekte eller unormale regenerative responser fra disse forfedre bidra til patologiske tilstander. De molekylære egenskapene tilnyreforfedre har blitt grundig studert, og avslører at mange klassiske og evolusjonært konserverte veier, som Notch eller Wnt/-catenin, spiller en viktig rolle i celleregulering. Andre, som retinsyre, renin-angiotensin-aldosteronsystem, TLR2 (Toll-like receptor 2) og leptin, er også viktige i denne prosessen. I denne anmeldelsen oppsummerer vi mengden av molekylære mekanismer som styrernyrestamfaderresponser under homeostase og etterfølgendenyreskade.Til slutt vil vi utforske hvordan encellet RNA-sekvensering kan gi karakterisering avnyreforfedre til neste nivå, samtidig som det å kjenne deres molekylære signatur får relevans i klinikken.
Nøkkelord:nyreforfedre; molekylære mekanismer; nyreskade; enkeltcelle RNA-sekvensering; molekylær signatur
CISTANCHE VIL FORBEDRE NYRE/NYRESYKDOM
Introduksjon Mekanismer for endogen regenerering og reparasjon har blitt foreslått for flere pattedyrorganer [1]. Klassiske regenerative organer, som mage-tarmkanalen og huden, har blitt grundig studert gjennom årene og har brakt frem i lyset hovedrollen til endogene stamceller [2]. I tarmen opprettholder intestinale stamceller daglig homeostase, mens distinkte stam-/progenitorceller er ansvarlige for de raske reparasjonsprosessene etter skade [2]. På samme måte danner epidermale stamceller en heterogen stamcellepool som deltar i epidermal homeostase, så vel som vevsreparasjon, etter sår [3]. Den voksnenyreer et organ med lav cellulær omsetning og utstyrt med stamceller som er i stand til å formere seg og differensiere [4,5]. Denne verdifulle egenskapen lar forskere og klinikere vurdere nye terapeutiske veier å gjenopprettenyrefunksjonetter skade. Her foreslår vi en oversikt over de molekylære mekanismene som finner sted i glomerulær og tubulærnyreforfedre i fysiologiske og patologiske tilstander (Figur 1) og hvordan en dysregulering av disse banene kan være opphav tilnyresykdom. Vi vil også undersøke hvordannyreforfedre kan karakteriseres ytterligere ved å bruke enkeltcelle RNA-sekvensering (scRNAseq) teknologi og den kliniske relevansen til den molekylære signaturen til disse cellene.
Renale stamfader
Nyreforfedre ble oppdaget av Sagrinati et al. hos menneskenyrer, basert på ekspresjonen av stamcellemarkørene CD133 og CD24, i fravær eller lavt uttrykk av differensieringsmarkører [6,7]. CD133 pluss CD24 pluss-celler er lokalisert ved urinpolen til Bowman-kapselen, samt spredt langs det rørformede rommet til nefronet blant differensierte tubulære celler [6]. Noennyrestamfader, inkludert de som er lokalisert i Bowman-kapselen og en undergruppe av de som er sc atterert langs tubuli, uttrykker også CD106 (også kalt vaskulær celleadhesjonsmolekyl 1, VCAM1), mens flertallet av stamceller lokalisert langs tubuli ikke [6, 8]. Disse fenotypiske dCfferences gjenspeiler en mangfoldig funksjonell kapasitet; faktisk, CD133 pluss CD24 pluss CD106--celler spredt langs tubuli viser funksjonelle trekk ved tubulære stamceller, mens CD133 pluss CD24 pluss CD106 pluss parietale epiteliale ål (PEC) er multipotente [6]. I tillegg er et undersett av CD1 33 pluss CD24 pluss CD1 06 pluss stamceller lokalisert nær den distale polen til Bowman-kapselen og som uttrykker podocalyxin, i stand til å generere bare podocytter [6]. Til sammen konfigurerer disse observasjonene en hierarkisk avstamning avnyreforfedre innenfornyresom minner om det hemopoietiske systemet [9]. PEC-er med lignende stamfaderegenskaper og anatomisk lokalisering ble også identifisert hos mus og rottenyrer[4,10,11]. Den genetiske merkingen av PEC-er i en transgen induserbar muselinje demonstrerte at PEC-er migrerer til den glomerulære tuften og differensierer til podocytter i adolescent mus [11]. I nyere tid har Pax2 blitt identifisert som en markør for musnyreforfedre, og etableringen av en induserbar musemodul for avstamningssporing av Pax2 pluss cellepopulasjon tillot å demonstrere differensieringen avnyreforfedre lokalisert blant PEC-er til podocytter under postnatal glomerulær vekst [4]. Ytterligere studier viste at juxtamedullære og corticol glomeruli har forskjellig antall Pax2 pluss stamceller, med kortikale som er utstyrt med dobbelt så mange Pax2 pluss stamceller tisser glomerulære podocyttantall under friske forhold [12]. Hos voksen rottenyrer, er umodne celler som uttrykker nevrale celleadhesjonsmolekylet (NCAM) og stamcellemarkøren CD24 blitt beskrevet blant epitelceller som ligger langs rotte-Bowman-kapselen [10].
Den genetiske merkingen av Pax2 pluss forfedre til Bowman-kapselen til mus tillot å demonstrere at disse forfedre differensierer til podocytter i modeller av fokal segmentell glomerulosklerose (FSGS), og deres respons på skade bestemmer utfallet av glomerulære lidelser, noe som ytterligere underbygger deres rolle som podocytt forfedre [4,12]. Nylig, ved å bruke en transgen musemodell der podocytter ble merket med GFP (grønt fluorescerende protein) og PEC-er ble samtidig merket med tdTomato, ga Kaverina og kolleger også sterke bevis på at PEC-er tjener som en kilde til nye podocytter i voksne mus ved skade. Disse cellene co-uttrykte de to fluorescerende merkene, ervervet podocyttmarkører og viste de primære, sekundære og tertiære fotprosessene [13]. En unormal progenitorrespons på skade kan også bidra til glomerulære forstyrrelser [4,10,14,15]. Faktisk, under visse forhold, hos mennesker, mus og rotter, har en kaotisk migrasjon og spredning av Bowman-kapsel-progenitorceller blitt vist å bidra til halvmånedannelse og glomerulær arrdannelse [4,10,14]. Studier på menneskernyrebiopsier er i samsvar med konseptet om at prolifererende stamceller genererer hyperplastiske lesjoner ved halvmåne- og kollapsende glomerulopati [14], og lignende resultater er oppnådd hos rotter [10]. Hos mus viste avstamningssporingen av PEC-er at deres spredning fører til en markant økning i celletall i halvmåner av murin nefrotoksisk serumnefritt og kollapsende glomerulopati [16] og dannelsen av sklerotiske lesjoner og ekstracellulær matriseavsetning i FSGS [15]. Mer nylig demonstrerte den spesifikke genetiske sporingen av forfedre blant PEC-er deres involvering i generering av hyperplastiske glomerulære lesjoner som kunne tenkes som en svikt i å regenerere podocytter etter skade [4]. Fra alle disse studiene er det nå klart atnyreforfedre lokalisert blant PEC-er reagerer på podocyttskade, og utløser et regenerativt program, men en ineffektiv eller overdreven respons kan føre til at et funksjonelt vev blir et arrlignende vev som består av celler og uorganisert ekstracellulær matrise. Derfor å kjenne til mekanismene som driver en korrekt sprednings- og differensieringsrespons avnyrestamceller under homeostase og etter skade er av avgjørende betydning og kan tillate identifisering av antatte modulatorer for å øke det regenerative potensialet tilnyreforfedre.
Regulatorer av glomerulær progenitorfysiologi: Når orkesteret stemmer melodien
Hvilke signalveier regulerer glomerulær progenitorhvile, spredning og differensiering mot podocytter hos friskenyrer? Studier på nefrogenese viste at aktivering av -catenin/Wnt-signalering representerer et sentralt trinn som driver PEC-differensiering til podocytter under utvikling [17,18]. Faktisk induserte slettingen av Ctnnb1 (-catenin 1) i PEC-er i en betinget knockout-mus på det sene S-formede kroppsstadiet glomerulære anomalier og erstatning av PEC-er i Bowman-kapsler med godt differensierte podocytter. Sporing av nefrogenese i embryonale betingede -catenin knockout-mus avslørte at disse "parietale podocyttene" stammet fra forløperceller i parietallaget av den S-formede kroppen ved direkte linjebytte. Disse funnene viser at -catenin/Wnt-signalering er nødvendig for riktig differensiering og modning av PEC-er til podocytter [17]. WT1, en hovedregulator for denne prosessen [19], er også en potent hemmer av -catenin/Wnt-signalveien [18]. Studier utført i hvilende PEC-er viste at uttrykket av WT1 undertrykkes av høye nivåer av Pax2 og av uttrykket av høye nivåer av mikroRNA-193a (miR-193a) [20]. Når PEC-er nedregulerer uttrykket av miR-193a, tillater dette oppregulering av WT1, som undertrykker -catenin/Wnt-signalering og induserer PEC-differensiering til podocytter. Nylige in vitro-resultater viste at apolipoprotein L1 (APOL1) også regulerer den molekylære PEC-fenotypen gjennom modulering av miR193a-uttrykket og at APOL1 og miR193a deler et gjensidig tilbakemeldingsforhold [21]. Faktisk, i et kultursystem ble PEC-differensiering til podocytter ledsaget av en reduksjon i miR-193a-uttrykk. På samme måte forbedret undertrykkelsen av miR-193a APOL1-uttrykket [21]. Fremtidige arbeider bør ta for seg hvorvidt denne APOL1–miR-193a-aksen fungerer på samme måte in vivo som den gjør in vitro i relevante transgene musemodeller og i menneskernyrer. Interessant nok er APOL1 et følsomhetsgen, med genetiske varianter som øker sannsynligheten for å utvikle podocytopatier [22].
Kontrollen av celleskjebnebeslutningen og celleproliferasjonen i mange forskjellige systemer drives gjennom integrert signalering av Wnt- og Notch-signalveiene [23]. Lasagni et al. rapporterte at inyrestamfader lokalisert i Bowman-kapselen, Notch-aktivering fremmer inntreden i S-fasen av cellesyklusen og påfølgende mitose til de er i en udifferensiert tilstand [24]. Imidlertid svekket nedregulering av Notch-banen undernyreProgenitor-differensiering induserte generering av podocytter med unormalt DNA-innhold og deres påfølgende dødsfall ved mitotisk katastrofe [24,25]. Nylige resultater tyder på at podocytt-avledet CXCL12 (CXC-motiv kjemokinligand 12) hemmer Notch-signalering, og dermed opprettholder roen til podocyttforløpere [12]. Notch-nedregulering assosieres med oppregulering av cellesyklushemmere p21, p27 og p57 og nedregulering av cyclin D1 [24], som gir podocytten egenskapene til en postmitotisk, ikke-proliferativ celle. Den CXCL12-medierte podocytt-renal progenitor-feedbackmekanismen begrenser også podocyttregenerering etter glomerulær skade [12]. Faktisk, ved å bruke avstamningssporingen til Pax2 plusnyrestamfader hos mus med Adriamycin-indusert nefropati, viste forskerne at en CXCL12-blokade fremmer de novo podocyttdannelse og demper glomerulosklerose [12].
CISTANCHE VIL FORBEDRE NYRE-/NYREFUNKSJONEN
Som forbedring avnyreProgenitordifferensiering til podocytter kan representere en attraktiv terapeutisk strategi for å fremme remisjon av glomerulære lidelser, flere studier er utført for å identifisere differensierende forbindelser. Retinsyrer (RA) er derivater av vitamin A med etablerte fordeler ved behandling av en rekke kreftformer [26]. RA har også vist seg å beskytte motnyreskadei flere eksperimentelle modeller avnyresykdom,inkludert minimal endringssykdom, membranøs nefropati, FSGS, humant immunsviktvirus (HIV)-assosiert nefropati (HIVAN) og lupusnefritt [27]. Tallrike studier har understreket rollen til RA i podocyttdifferensiering in vitro [28,29], og vi brukte RA i cellekulturmediene for å fremmenyrestamfaderdifferensiering mot podocyttavstamningen [7]. Interessant nok kan eksponering for albumin, som binder RA med høy affifinitet, under in vitro-kulturer hemmenyrestamfaderdifferensiering mot podocytter ved sekvestrering av RA. In vivo rapporterte vi at RA ble frigjort i Bowman-rommet etter glomerulær skade, og å stoppe den endogene RA-syntesen i en modell av fokal segmentell glomerulosklerose forverret albuminuri, glomerulær skade og dødelighet [30]. Den eksogene administreringen av RA, som nøytraliserte sekvestreringsaktiviteten til albumin, tillot den regenerative responsen tilnyreforfedre, etablere en økning i podocyttantall og forbedring avnyrefunksjon[30]. Nylige resultater fra Lasagni et al. [4] bekreftet hypotesen om at farmakologiske tilnærminger som øker podocyttenes respons på RA-signalering ville dempe utviklingen av eksperimentellenyreskade. Faktisk in vitro behandling avnyrestamceller med RA i nærvær av 6-brom-indirubin-30 -oksim (BIO), en glykogensyntase-kinase-3 (GSK3)-hemmer, induserte en sterk differensiering av menneskernyrestamceller mot podocytter gjennom aktivering av RA-responsive elementer (RARE) transkripsjonell aktivitet, dvs. øke nyreforløperens følsomhet for de differensierende effektene av endogen RA. Forbedringen av nyre-progenitor-differensiering til podocytter ved å bruke BIO i en murin modell av FSGS resulterte i en viktig effekt på sykdommen, og økte sykdomsremisjonen hos behandlede mus. I en progressiv musemodell av fedme-relatert type 2-diabetes, BIO som et tillegg til det doble renin-angiotensin-systemet (RAS)/natrium-glukosetransportør (SGLT)-2-hemming med metformin, ramipril og empagliflflozin svekket nedgangen i glomerulær fifiltrasjonshastighet (GFR) ved ytterligere å redusere glomerulosklerose, øke podocytttallet gjennom opprettholdelse av spesialisering, samt indusere de novo differensiering fra podocyttforløpere og forbedre fifiltrasjonsspaltens tetthet [31].
Endlich et al. demonstrerte rollen til Dach1 (Dachshund-homolog 1) i celleskjebnebestemmelsen av PEC til podocytter og for riktig podocyttfunksjon. Podocytter uttrykker høye nivåer av Dach1 in vivo og in vitro, mens PEC uttrykker svært lave nivåer av Dach1. Forfatterne fant at induksjonen av Dach1-ekspresjon i PEC signifikant oppregulerer de podocyttspesifikke proteinene synaptopodin og WT1. Interessant nok er Dach1 en del av Eya-Six-Hox-Pax regulatoriske nettverk, og reguleringen av synaptopodin-uttrykk ble ledsaget av en samtidig nedregulering av Pax2-uttrykk [32].
Guhr et al. analysert med hvilke mekanismernyrestamfader opprettholder potensialet til å uttrykke podocyttproteiner under patofysiologiske forhold og demonstrerte at de inneholder et aktivert ubiquitin-proteasomsystem (UPS) som fører til rask nedbrytning av nylig syntetiserte podocyttspesifikke proteiner [33]. På den annen side opprettholder UPS-en podocyttidentiteten ved å regulere nivåene av podocyttspesifikke proteiner, slik som de aktinbindende proteinene -actinin 4 (ACTN4) og synaptopodin (SYNPO), transkripsjonsfaktoren Wilms tumor 1 (WT1), stomatin-familiemedlemmet podocin, spaltediafragmaproteinet nefrin, adapterproteinet NCK1 og aktivert proteinkinase Cλ (PKCλ) [33]. UPS-aktivitet er derfor en viktig determinant for glomerulære cellefenotyper og differensieringsstatus.Det er velkjent at inyre,det mekaniske miljøet er utsatt for modifikasjoner i etablerte modeller av glomerulære sykdommer og kan påvirke den differensierte tilstanden til en rekke celletyper, inkludert podocytter [34]. Vi har nylig analysert effekten av underlagsstivhet pånyrestamfaderadferd, som viser at, i det minste in vitro, fenotypen til mennesketnyrestamfader er svært avhengig av Youngs modul til substratet, som er et mål på stivheten til materialet definert som forholdet mellom stress og belastning, med stivere substrater som fremmer proliferasjon og migrasjon av nyreprogenitor. Underlagets stivhet modulerer også kapasiteten tilnyreforfedre for å differensiere mot podocytter, med en Youngs modul på 12 kPa som er optimal blant de som ble analysert. Ved å bruke kjemiske og genetiske hemmere demonstrerte vi at Rho kinase (ROCK) aktivitet er nødvendig for å mediere effekten av stivhet pånyreprogenitor spredning, migrasjon og differensiering [35]. En redusert glomerulær stivhet er et vanlig trekk ved mange former for glomerulær skade, inkludert FSGS [34,36], noe som antyder en viktig rolle for ROCK også inyresykdom.
Renin angiotensin aldosteron systemhemmere (RAAS-I) er medisiner som er effektive for å forsinke utviklingen avnyresykdomgjennom en rekke handlinger. Mekanismene som er ansvarlige for de terapeutiske effektene av disse stoffene, så vel som deresnyrecellulære mål, har i stor grad blitt studert i flere dyremodeller av menneskernyresykdom. Nyere data viste at de også kan utøve sine gunstige effekter ved å promoterenyrestamfaderdifferensiering til podocytter. Faktisk, i en rottemodell av glomerulær skade, induserte en behandling med ACE-I en reduksjon av progenitorproliferasjon, reduksjon av halvmånedannelse og unngikk progresjon mot glomerulosklerose [10]. Dermed gjenopprettet moderering av progenitorcelleaktivering av legemidler en normal glomerulær arkitektur [10]. Interessant nok var uttrykket av angiotensin (Ang) II-reseptor, AT1, begrenset til sjelden CD24 pluss PEC hos normale menneskernyrermen ble oppregulert i de hyperplastiske lesjonene [37], noe som tyder på et bidrag fra Ang II/AT1-reseptorveien for å fremme unormalnyreprogenitor migrasjon og spredning i proliferative sykdommer [37]. I samsvar med, hos en pasient rammet av CGN (crescentic glomerulonephritis), ACE-I-terapi assosiert med regresjon av hyperplastiske lesjoner og normaliserte AT1-reseptoruttrykket pånyreforfedre. Disse resultatene gir en annen forklaring på de gunstige effektene observert etter behandling med angiotensin II-reseptorblokker (ARB). Tilsvarende forbedret ARB-behandlingen resultatet i en rottemodell av mesangial proliferativ glomerulonefritt, noe som induserte en økning i antall PEC-er som uttrykker stamcellemarkører [38].
Skader på podocytter anses som en viktig bidragsyter til diabetikerenyresykdomprogresjon mot sluttstadietnyresykdom[39–41]. Suganami et al. rapporterte forebygging og reversering avnyreskadeved leptinadministrasjon i dyremodeller av diabetisk nefropati [39]. Mer nylig har Pichaiwong et al. demonstrerte at å erstatte leptin kunne reversere de strukturelle og funksjonelle parameterne for avansert diabetisk nefropati hos leptinmangelfulle BTBR ob/ob-mus [41]. Spesielt resulterte leptinbehandlingen, men ikke RAAS-I, i en signifikant økning i podocytttetthet og antall og i en økning av WT1-positivt prolifererende PEC. Mekanismene som ligger til grunn for denne prosessen ble ytterligere avgrenset i en oppfølgingsartikkel, der de viste at en dobbel behandling av leptin-mangelfulle ob/ob-mus med en selektiv antagonist av endotelin-1 type A-reseptoren (ETAR) i kombinasjon med RAAS-hemming førte til en forbedret fenotype [40], preget av aktivering av PEC og økt antall podocytter. Disse resultatene gir indirekte bevis på at PEC-er kan være et potensielt reservoar for å gjenopprette tapte podocytter og at den differensierende kapasiteten til PEC-er kan være et nøkkelelement for regresjon av diabetisk nefropati som kan moduleres farmakologisk.
Regulators of Glomerular Progenitors in Patology: When the Orchestra Is Out of TuneSamtidig somnyreforfedre kan drive podocyttregenerering etter skade [4], de kan også forårsake ekstrakapillære proliferative lesjoner eller halvmåner som er kjennetegnet for både inflammatoriske og ikke-inflammatoriske glomerulære sykdommer [42]. Faktisk indikerer bevis i eksperimentelle modeller [15] og i menneskelige biopsier at halvmåner består avnyreforfedre [14] som unormalt skifter reaksjonene deres fra reparerende til skadelige. Det er ikke helt forstått hvilke faktorer som er ansvarlige for å vippe balansen. CGN er den best karakteriserte sykdommen dernyreforfedre er de største synderne. Cellulær halvmåne er den typiske morfologiske endringen observert i CGN. Det er definert som flerlags akkumuleringer avnyrestamfader og andre celletyper i Bowman-rommet. Følgelig tetter det urinutløpet og strømmen av primærurinen, og senere blir det impliserte nefronet svekket. Brudd på glomerulære kapillærer ved halvmånesykdom fører til eksponering avrenal forfedre til en høy konsentrasjon av plasma som dramatisk øker spredningen av menneskernyreforfedre i kultur [43]. Flere plasmakomponenter kan forklare halvmånedannelsen, men for tiden er det konsistente data bare for fifibrinogenaktivering, et medlem av den aktiverte koagulasjonskaskaden under vaskulære skader. Mangel på fifibrinogen eller fifibrinolyse forhindrer dannelse av halvmåne i flere gnagermodeller [43,44].
Kollapsende nefropati og pseudocrescents stammer også franyreforfedre [14]. Ved forskjell med halvmåner ble det foreslått at pseudocrescents stammer franyrestamfader som en dysregulert respons på den massive og raske podocyttløsningen som oppstår under visse tilstander med direkte podocyttskade (som eksponering for visse legemidler, immunmedierte lidelser eller infeksjoner som direkte retter seg mot podocytten) som oppstår i fravær av inflammatoriske komponenter og fører til kapillær kollaps [22,45]. Disse lesjonene er også ofte observert ved virale glomerulopatier, slik som HIV- og parvovirus-nefropati [22]. I disse virale glomerulopatiene utløser interferon (IFN-)- og IFN- ikke bare lokal betennelse inne i glomerulus, men virker også på PEC-er og podocytter, med IFN-hemmer migrasjonen av PEC-er og begge undertrykkernyrestamfaderdifferensiering til podocytter in vitro [46]. In vivo, i en modell av Adriamycin nefropati, injeksjon av enten IFN- eller IFN-forverret proteinuri og glomerulosklerose [46]. Nylig har kollapsende FSGS blitt beskrevet hos pasienter av nyere afrikanske aner med høyrisiko APOL1-genotype og infisert med alvorlig akutt respiratorisk syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) [47,48]. Det har blitt foreslått at SARS-CoV-2 direkte kan infisere podocytten [49] og/eller utløse en inflammatorisk kaskade som involverer aktivering av interferon-kjemokinbanen, som igjen interagerer med APOL1-variantgenet [ 50]. Som angitt ovenfor,nyreProgenitordifferensiering til podocytter assosieres med APOL1-ekspresjon og kan derfor være involvert i koronavirussykdom 2019 (COVID-19)-assosiert nefropati.
Flere nyere studier fremhevet en kritisk rolle for de novo-ekspresjonen av CD9 og, senere, av CD44 som en patogen bytting av PEC-er fra en hvilende til en aktivert fenotype i CGN og i FSGS [16,51,52], som bekrefter den patogene rollen. av PEC-er i disse sykdommene og tilbyr nye molekylære mål for glomerulær sykdomsterapi. Til støtte for denne ideen, Kaverina et al. viste at PEC-er mister CD44-ekspresjon når de differensieres til podocytter i skadde glomeruli fra gamle mus, noe som tyder på at en CD44-økning i PEC-er ikke representerer en regenerativ, men en patologisk overgang [53]. I FSGS har CD44 vist seg å ha en viktig rolle i cellemigrasjon mot den skadede fifiltrasjonsbarrieren, der skadde podocytter oppregulerer migrasjonshemmende faktor (MIF) og stromalcelleavledet faktor 1 (SDF1) som stimulerer CD44-ekspresjon og CD{{12} }mediert migrasjon [54]. I tillegg produserte PEC-er både PEC-avledede og podocyttspesifikke ekstracellulære matriseproteinisoformer på en CD44-avhengig måte [55]. Til slutt antydet en avstamningssporingsstudie av PEC-er at CD44 ikke deltok inyreregenerering gjennom differensiering til podocytter og deltok kun i en pro-fifibrotisk vei [56].
Rørformede forfedre
Nyrestamceller fra det parietale epitellaget til Bowman-kapselen kan potensielt regenerere proksimale tubulære epitelceller ved glomerulotubulære kryss [57]. Imidlertid eksisterer tubulære forpliktede stamceller spredt i de proksimale og distale tubuli også hos mennesker [6,58–60] og hos mus [5,61–63] og øker ved tubulær skade hos pasienter som er rammet med akutt eller kronisk tubulær skade [6 ]. Kumar et al. utført avstamningssporing av sjeldne Sox9-uttrykkende celler i proksimale tubuli og identifiserte dem som en antatt tubulær stamfaderpopulasjon involvert i postakuttnyreskade(AKI) gjenoppretting [64]. Sox9 er en transkripsjonsfaktor som inyreutvikling, kontrollerer epitelforgrening og kommer til uttrykk i nefronforløpere [64,65]. Interessant nok, da Sox9 ble slått ut fra S1- og S2-segmentene, en langsommere utvinning av det fysiologiskenyrefunksjoner, forbedret tubulær skade, samt øktnyrefifibrose, oppstod [64]. Etter partiell nefrektomi prolifererer Sox9 plus-celler og genererer epitelceller i proksimale tubulus, Henles løkke, distale tubuli, samlekanal og parietallaget av glomerulus [66]. Nylig har Lazzeri et al. ga bevis for at tubulære stamceller gjennomgår mitose og erstatter omtrent halvparten av de irreversibelt tapte tubulære cellene under AKI [5]. Ved å utføre avstamningssporing av Pax2 pluss-celler i en musemodell av tubulær skade, identifiserte de tubulære stamceller som en distinkt tubulær cellesubpopulasjon som var motstandsdyktig mot død og viste høy klonogen aktivitet, noe som førte til generering av lange tubulære segmenter [5].
Regulators of Tubular Progenitor Physiology: A Polyphonic Choir
Menneskelignyreforfedre uttrykker B-lymfom Mo-MLV (Moloney murine leukemivirus) innsettingsregion 1 (Bmi-1) [57]. Bmi-1 er et medlem av polycomb-familien av transkripsjonsrepressorer. Det er involvert i cellesyklusregulering og senescens av stamceller som er endogene til forskjellige organer, som prostata, tynntarm og lunger [67–70]. Inyrer, BMI-1-nivåer økte raskt etter skade i en musemodell av AKI [71]. Disse funnene peker mot involvering av Bmi-1 uttrykt i tubulære stamceller inyreregenerering. Faktisk, Lv et al. viste at akutt tubulær nekrose førte til en Bmi-1 økning og påfølgende tubulær progenitormobilisering i villtype mus, mens tubulære stamceller ikke ble mobilisert i Bmi-1 knockout-mus [72]. Bmi-1 knockout-mus viste en sterknyrefenotype, inkludert interstitiell fifibrose, tubulær atrofi og alvorlignyredysfunksjon, med redusert celleproliferasjon, økt celleapoptose og senescens og inflammatorisk celleinfifiltrering [72,73]. I en fersk studie har Zhou et al. ytterligere belyst rollen til Bmi-1 inyreforfedre, som viser at Bmi-1 bevarte selvfornyelsen og stammen tilnyreforfedre ved å opprettholde redoksbalansen og forhindre cellesyklusstans, gjennom hemming av reaktive oksygenarter (ROS), p16 og p53 [74].
Et annet viktig molekyl som er involvert i reguleringen av den tubulære stamfaderen er Toll-like receptor 2 (TLR2), eller CD282, et evolusjonært konservert membranprotein som spiller en viktig rolle i patogengjenkjenning og aktivering av medfødt immunitet. TLR2 fungerer som en sensor for vevsskade gjennom deteksjon av skadeassosierte molekylære mønstermolekyler (DAMPs) frigjort av skadet vev. TLR2-aktivering fører til aktivering av nedstrøms transkripsjonsfaktorer som regulerer uttrykket av overlevelsesgener eller proinflammatoriske cytokiner og kjemokiner [75–77]. Sallustio et al. viste at tubulære stamceller uttrykker TLR2, hvis stimulering av agonister som etterligner inflammatoriske mediatorer eller DAMPs induserer den massive sekresjonen av monocyttkjemoattraktant protein-1 (MCP-1), interleukin 6 (IL-6), interleukin 8 (IL-8) og komplement komponent C3 via NF-KB (nukleær faktor kappa-lettkjede-forsterker av aktiverte B-celler) aktivering [59]. Dessuten modulerte TLR2-stimulering spredningshastigheten og differensieringskapasiteten til tubulære forfedre, noe som tyder på en viktig rolle inyrereparasjon [59]. Oppfølgingsstudier av samme gruppe identifiserte distinkte sett med miRNA spesifikt uttrykt i tubulære stamceller [78]. Blant disse regulerte miR-1915 og miR-1225-5p uttrykket av CD133 og PAX2, så vel som TLR2. Sallustio et al. dissekerte deretter gjenopprettingsmekanismene etter AKI og fant en viktig rolle for TLR2 inyreregenerering [79]. De fastslo at etter skade fører TLR2-skadeføling til sekresjon av inhibin-A og dekorin av de tubulære stamfaderene, som igjen fremmer tubulær regenerering gjennom celleproliferasjon [79]. Disse to cytokinene tilhører TGF- (transforming growth factor-) signalveien og er involvert i cellesyklusregulering, økningen av celleproliferasjon og hemming av apoptose [80–84].
Ekspresjonen av molekyler fra Wnt-banen er rapportert hos voksnenyreforfedre hos mus [85] og mennesker [86]. Ved å bruke en musemodell for avstamningssporing, Rinkevich et al. viste at både under homeostase og etter skade, voksne pattedyrnyrergjennomgår segmentspesifikk klonal ekspansjon fra celler avledet fra WNT-responsive forløpere [63]. De antydet at evnen til å reagere på WNT-signaler velger for cellene som til slutt vil utføre robust klonal ekspansjon. Studier i SIX2 pluss urinavledetnyrestamfadere indikerte at WNT-veiaktivering ved GSK3-hemming induserer differensiering avnyreforfedre inn i nyreepiteliale proksimale tubulære celler [87]. I tillegg utøvde Wnt3 pro-regenerative effekter og ble oppregulert i CD133 plussnyreforfedre i en in vitro-modell av cisplatinskade [88]. I denne studien avslørte forfatterne den funksjonelle rollen til CD133 i seg selv i renal tubulær reparasjon gjennom opprettholdelse av den proliferative responsen og kontroll av senescens ved å fungere som en permissiv faktor for -catenin-signalering, og forhindre nedbrytning i cytoplasmaet [88]. I sebrafisknyrer,skadede tubuli ble erstattet av nye nefroner franyreforfedre som uttrykker Wnt-reseptoren frizzled9b og transkripsjonsfaktoren lef1. Etter skade ble uttrykket av Wnt-ligander Wnt9a og Wnt9b indusert hos skaddenyrerpå steder hvor stamceller danner nye nefroner [89]. Disse resultatene antyder at den essensielle rollen til Wnt/frizzled signalveien inyreregenerering er svært bevart blant arter.
CISTANCHE VIL FORBEDRE NYRE/NYRESYKDOM
Som tidligere nevnt, er Notch-signalering en evolusjonær bevart vei som har en kritisk rolle inyreskadeog reparasjon [24,90–93], spesielt under AKI [94,95]. Kang et al. viste at Sox9 plussnyreforfedre uttrykte høye nivåer av Notch, og overekspresjon av det intracellulære Notch1-domenet (NICD1) i Sox9 plus-populasjonen forbedretnyrehistologi i en folsyreindusert modell av AKI [62]. Ma et al. rapporterte at aktiveringen av Sox9 pluss nyreforfedre, hvis rolle er avgjørende inyrereparasjon, ble formidlet av Notch-banen, som bekrefter tidligere rapport om at Notch1-3-, Jagged1/2-, Dll4- og Sox9-ekspresjonsnivåene øker etter iskemi-reperfusjonsskade (IRI) [66]. Faktisk, i andre organer som bukspyttkjertelen, modulerer Sox9-aktivering Notch-banen ved å regulere Hes1 for å opprettholde stamcellebassenget [96]
Flere medikamenter har vist seg å forbedre segnyreregenerering, og blant disse kan histon-deacetylase (HDAC)-hemmere (HDACis) være et lovende terapeutisk alternativ for behandling av AKI [97–102]. HDAC-er danner en gruppe enzymer involvert i flere cellulære prosesser ved å fjerne acetylgruppen fra histon- eller ikke-histonproteiner [103]. Marumo et al. rapporterte en reduksjon i HDAC5-aktivitet, økt histonacetylering og reaktivering av benmorfogenetisk protein 7 (BMP-7) i proksimale tubulære celler i restitusjonsfasen etternyreIRI [104]. Disse observasjonene tyder på at HDACer kan utøve sine gunstige effekter pånyreutvinning gjennom økt ekspresjon av BMP-7, et protein som opprettholder en renal stamfaderpool i udifferensiert status undernyreutvikling [105]. Interessant nok utvidet behandlingen med HDACisnyrestamcellepopulasjon i sebrafisk [106]. I nefrotoksisk serum nefritt modell avglomerulonefritt hos mus, en trichostatin A (TSA) behandling aktivertnyresidepopulasjonsceller (SD) [107]. SD-celler danner en undergruppe av celler med multilineage-potensial og kjente renobeskyttende egenskaper som demper kroniskenyresykdom(CKD) gjennom en økning av BMP-7 uttrykk [107]. Ved å bruke tilnærmingen for avstamningssporing beskrevet ovenfor, la Lazzeri et al. viste at en behandling med to mye brukte HDAC-er, TSA og 4-fenylbutyrat (4-PBA), førte til Pax2 pluss progenitor-proliferasjon, og dermed unngikk utviklingen av vevsfifibrose og CKD [5]. Utviklingen av selektive HDACer, med økt effektivitet og mindre toksisitet, ville forbedresnyreutvinning gjennom tubulær progenitorproliferasjon. Merk at HDACer har vist gunstige terapeutiske effekter i en rekke eksperimentelle modeller avnyresykdommerforuten AKI, inkludert glomerulosklerose, tubulointerstitiell fifibrose, glomerulær og tubulointerstitiell betennelse, lupus nefritt, polycystisknyresykdomognyrecellekarsinom (RCC), som gjennomgått i [108]. Flere HDACer er for tiden i fase 1 eller 2-studier for behandling av RCC og nedsatt nyrefunksjon (clinicaltrial.org).
Regulators of Tubular Progenitors in Pathology: A Cacophonus Choir
Biologiske og molekylære trekk vednyrekreft tyder på detnyreforfedre kan være opphavet til utviklingen av forskjelligenyretumortyper. I en fersk studie har Peired et al. viste det mennesketnyreforfedre som overuttrykker NICD1 hadde en økt proliferativ kapasitet og danner avvikende mitose i 2D-kulturer og kunne generere en tumorlignende masse i 3D-kulturer [8]. Tilsvarende Pax2 plussnyrestamfadere som overuttrykker NICD1 etter transgeninduksjon i voksne mus eller etter IRI var i opprinnelsen til papillære adenomer og RCC [8]. Som bekreftelse på dette funnet førte en behandling som blokkerte endogen AKI-indusert NOTCH1-aktivering til utvikling av færre svulster [8]. Nylig antydet to studier at angiomyolipomer stammer fra multipotentenyreepitelceller lokalisert i tubulus og gjennomgår klonal ekspansjon som respons på tuberøs sklerosekompleks (TSC) gensletting [109,110]. Begge studiene foreslo at disse cellene kunne værenyreforfedre med multilineage differensieringskapasitet [109,110]. Interessant nok, Cho et al. avslørte at aktiveringen av en tidligere urapportert Rheb-Notch-Rheb reguleringssløyfe, der den sykliske bindingen av Notch1 til de Notch-responsive elementene (NRE) på Rheb-promotoren er en nøkkelhendelse, var hovedmekanismen bak genereringen av flere avstamninger tilstede i angiomyolipom [109]. Til sammen indikerer disse resultatene at en deregulering av Notch-banen inyreforfedre kan føre tilnyrepatologier.
Wan et al. observerte at SOX9-ekspresjon ble oppregulert hos RCC-pasienter og korrelert med avansert patologisk karakter [111]. RCC-pasienter med høye SOX9-nivåer hadde også kortere overlevelse [111]. Disse dataene bekreftet en presedensstudie som assosierte SOX9-ekspresjon med RCC Fuhrman-gradering og viste at pasienter med SOX9 ( ) hadde en mye bedre terapeutisk respons på tyrosinkinasehemmere enn de med SOX9 (pluss ) [112]. Derfor kan vi anta at en økning av SOX9-uttrykk i SOX9 plussnyreforfedre kan bidra til utvikling av RCC. En lignende mekanisme ble beskrevet i basallignende brystkreft, der SOX9-ekspresjon i luminale stam-/progenitorceller kunne kontrollere avstamningsplastisiteten for kreft gjennom aktivering av NF-KB-signalering [113].
Utsikter om fremtiden til nyreforfedre
Encellet RNA-sekvensering: La oss komme på linje med tidenDen raske utviklingen av scRNAseq åpner nye perspektiver for å dissekere de molekylære prosessene som er involvert inyrestamfaderregulering ved fysiologiske og patologiske tilstander. ScRNAseq består i å oppnå genuttrykk profifiserende ved en enkeltcelleoppløsning, og bevise de forskjellige cellulære tilstandene og molekylær dynamikk til selv de sjeldnere underpopulasjonene. Denne nye teknologien har blitt brukt med suksess i flere organer – for eksempel for å studere Prominin 1 pluss leverprogenitorer [114], Dach1-nedregulerte lymfoide progenitorer [115] og KTR5 pluss lungeprogenitorer hos COVID-19 pasienter [116]. I løpet av de siste årene har et økende antall forskergrupper brukt denne strategien for å definere cellepopulasjonene tilnyrerhos mus og mennesker [117–120]. I en helt fersk studie har Rudman-Melnick et al. identifiserte den transkripsjonelle signaturen til alle cellepopulasjoner i en eksperimentell modell av AKI, og fremhevet tilstedeværelsen av tidligere ubeskrevne skaderelaterte molekyler [119]. En slik tilnærming kan potensielt avsløre nye mekanismer aktivert inyreforfedre etter AKI, noe som fører til identifisering av potensielle molekylære mål. I deres banebrytende papir, Young et al. var i stand til å matche klare celle- og papillære RCC-celler til en subtype av proksimale, kronglete tubulære celler definert av SLC17A3 og VCAM1-ekspresjon [117]. Som nevnt tidligere karakteriserer VCAM1- eller CD106-ekspresjon, sammen med CD133, en sjelden populasjon avnyrestamceller spredt hovedsakelig i den proksimale tubuli [6]. En analyse av scRNAseq-dataene viste at det humane nyre-progenitor-transkriptomet viser likheter med PT1, den antatte opprinnelsescellen til human papillær RCC [8]. Disse observasjonene underbygger vår hypotese om at papillær RCC stammer fra Notch-mediert transformasjon og spredning av en proksimal tubulipopulasjon av nyreforløpere [8].
Kliniske applikasjoner: Klinikken kaller melodien
Renal stamfader-baserte terapier representerer en lovende ny frontlinje i behandlingen avnyresykdommer, ettersom flere studier tyder på at de forbedrer segnyrefunksjonetter skade [121]. Imidlertid injiserernyreforfedre direkte inn i dyremodeller avnyreskadeå indusere vevsregenerering presenterer viktige begrensninger som har blitt eksponert andre steder [121]. Disse forbeholdene kan omgås takket være de nylig utnyttede egenskapene tilnyreforfedre, som er deres evne til å utskille trofiske faktorer, cytokin eller kjemokiner som effektivt medierernyrereparasjon på en parakrin eller autokrin måte (Figur 2). Kenji et al. rapporterte at den intraperitoneale injeksjonen av kultursupernatant oppnådd fra voksen rottenyreforfedre undertrykte den tubulære celleapoptose av gjenværende signifikantnyreceller, reduserte betennelsen og fremmet spredningen av umodne celler i en eksperimentell IRI-modell gjennom frigjøring av HGF (hepatocytt-vekstfaktor), EGF (epidermal vekstfaktor), TGF- og Epo (erytropoietin) [122]. Faktisk har den terapeutiske bruken av en rekke vekstfaktorer blitt rapportert å forbedrenyreskader, slik som HGF, BMP7, EGF, TGF- og VEGF (vaskulær endotelial vekstfaktor) [123–127]. Sallustio et al. rapporterte det mennesketnyrestamfader reparerer ikke bare skadede tubulære celler betydelig, men viser også antififibrotiske effekter via sekresjon av CXCL6 (CXC-motiv kjemokinligand 6), SAA2 (serumamyloid A2), SAA4 (serumamyloid A4) og BPIFA2 (BPI (bakteriedrepende perme) -økende) foldholdig familie A-medlem 2) gjennom en parakrin mekanisme [128]. Aggarwal et al. rapporterte atnyreprogenitor sekresjon av Epo-grensernyrefifibrose etter tubulær skade [129]. I tillegg til løselige faktorer, utskiller nyreforløpere ekstracellulære vesikler (EV), nanometerstore lipid-dobbeltlagsavgrensede partikler som bærer bioaktive lipider, proteiner og RNA-er som tillater celle-tocelle-kommunikasjon gjennom parakrine handlinger. Den minste og best beskrevne typen elbiler er eksosomer, som nylig har blitt undersøkt for deres beskyttende effekt mot IRI-indusert AKI [130,131]. Li et al. demonstrerte at nyreprogenitor-avledede eksosomer kunne gjenopprette nyrestrukturer og -funksjoner via deres immunmodulerende, antiapoptotiske og spredningsstimulerende evner i AKI-modeller. MikroRNA (miRNA) var de mest tallrike komponentene i eksosomene, og blant disse ble miR-146a identifisert som nøkkelspilleren i å mediere cytobeskyttende effekter ved å nedregulere IRAK1 (interleukin 1-reseptorassosiert kinase 1)/NF-kB-signalering [130]. I en modell for diabetisk nefropati ble det funnet at urinprogenitor-utskilte eksosomer reduserer podocytt-apoptose ved å undertrykke caspase-3 og fremme vaskulær regenerering, som kan være relatert til cytokinene VEGF, TGF- 1, angiogenin og BMP -7 inneholdt i urinprogenitor-avledede eksosomer [132]. Hemmingen av podocytt-apoptose var også relatert til overekspresjonen av miR-16-5p i urinprogenitor-utskilte eksosomer ved å undertrykke VEGF-A [133].
Molekyler og eksosomer utskilt avnyreforfedre fremmer utvinning franyresykdomgjennom deres evne til å utøve en rekke renobeskyttende og regenerative effekter takket være deres reduserte immunitet og lavere risiko for feildifferensiering og tumorgenese sammenlignet med celleterapier. Disse bemerkelsesverdige egenskapene gjør dem attraktive for klinisk bruk. En annen utfordring i den kliniske tilnærmingen tilnyresykdomer oppdagelsen av nye verktøy for diagnostisering og overvåkingnyresykdomsom ville være lett tilgjengelig med ikke-invasive prosedyrer. I denne sammenhengen representerer urin en verdifull biovæske på grunn av sin tilgjengelighet, raske og enkle prøvetaking og brede variasjon i proteiner, metabolitter, celler og celleinnhold frigjort fra urogenitalkanalen [134]. Tilstedeværelsen av celler i urin som viser stamcelleegenskaper ble først beskrevet av Zhang et al. i 2008 [135]. I de påfølgende årene utviklet flere grupper teknikker for å isolere og karakterisere urinavledede stamceller fra friske givere og pasienter mednyrelidelser [136]. Det er ennå ikke oppnådd noen formell konsensus om hvilke markører som kan brukes for å definere urinavledede stamceller. De fleste studier indikerte at de uttrykker mesenkymale stamcellemarkører (CD44, CD73 og VIM) og stamcellemarkører (som POU5F1, SSEA4 og TRA-1-81, så vel som CD117), men ingen markører for hematopoetisk- eller urothelium-avledet cellelinjer og lave nivåer av tubulære eller podocyttspesifikke markører [136]. Angående deres opprinnelse, Bharadwaj et al. viste at urin-avledetnyreforfedre bar Y-kromosomet hos en mann til hunnnyretransplantasjonmottaker, som indikerer at de kommer franyrer[137]. Disse cellene har evnen til å differensiere til podocytter [138] og uttrykke podocytt- og PEC-spesifikke proteinmarkører [137,139], noe som tyder på at de stammer fra PEC. En sammenlignende transkriptomanalyse av urinavledetnyreforfedre ognyrebiopsi-avledetnyreepiteliale proksimale celler bekreftet den renale stamfaderidentiteten til urinavledede stamceller [87], noe som indikerer at de også kunne stamme fra spredte tubulære stamceller. Disse cellene kan omprogrammeres til induserte pluripotente stamceller (iPSC) og brukes til regenerativ medisin, sykdomsmodellering eller farmakologisk testing [140,141].
Nylig har det blitt foreslått at uttrykket fornyrestamfadermarkør CD133 i urinære elbiler representerer en god markør for evaluering av funksjonsstatusen til det renale tubulære avdelingen og av tilstedeværelsen av celler med proliferativ og reparerende aktivitet i tubuli etter skade. Faktisk rapporterte to studier at CD133 pluss urinære EV-nivåer, forhøyet hos friske personer, ikke bare reduseres hos pasienter med akutt tubulær skade [142], men også ved akutte og kroniske glomerulære tilstander [143]. Videre kan tilstedeværelsen av renale stamceller i urin gjenspeile den patofysiologiske statusen tilnyrevev. Spesielt har Manonelles et al. ga bevis for at isolering av CD133 pluss CD24 pluss nyreprogenitorer fra urinen til stabile allograftmottakere etter seks måneder kunne forutsi det dårlige langtidsresultatet av transplantasjonen etter to år [144]. Nyreproliferasjon og migrasjon fra Bowman-kapselen til den glomerulære tuften over urinrommet for å erstatte løsrevne podocytter kan forklare utskillelsen av nyreprogenitorer og, hvis den opprettholdes over tid, kan den mislykkes i å bevare allograftfunksjonen, noe som resulterer i GFR-nedgang, albuminuri og kronisk glomerulær histologisk lesjonsutvikling [144].
Urinavledetnyreceller kan også være et kraftig personalisert verktøy for funksjonelle studier på kandidatvarianter i arvnyresykdom. Som beskrevet av Lazzeri et al., urinavledetnyrestamfader hentet fra pasienter som bærer patogene mutasjoner i gener som koder for podocyttproteiner, utvider seg i kultur, men utvikler anomalier i uttrykket eller lokaliseringen av podocyttproteiner etter podocyttdifferensiering [138]. I samsvar med dette beviset ble den samme teknikken brukt for å demonstrere patogenisiteten til en NPHS1-genvariant av ukjent betydning hos en pasient med refraktær lupusnefritt [145]. En annen studie understreket muligheten for å bruke urinavledede nyreepitelceller til å utføre RNA og funksjonelle studier pånyre-spesifikke gener, som validerer patogenisiteten til en synonym variant i PKHD1 (polycystisknyreog leversykdom 1) og bekrefter den genetiske diagnosen ARPKD (Autosomal Recessive PolycysticNyresykdom) hos en pasient med CKD assosiert med atypisk polycystisknyrer [146].
Konklusjoner
Et stort utvalg litteratur beskriver de mange mekanismene for regulering avnyrestamfader i glomerulære og i tubulære avdelinger, noe som gjør at vi kan ha en global visjon om kompleksiteten til de molekylære prosessene som finner sted under fysiologiske og patologiske tilstander. Å kjenne den molekylære signaturen tilnyreforfedre åpner døren for å identifisere nye mål for medisiner å opprettholdenyreregenerering eller biomarkører å overvåkenyreHelse.
