Del 1 Fenotypisk mangfold og metabolsk spesialisering av renale endotelceller

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-post: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 forhindrer nyresykdom, klikk her for å få prøven

Abstrakt |

Kompleks flercellet liv hos pattedyr er avhengig av funksjonelt samarbeid mellom forskjellige organer for å overleve hele organismen. Denyrerspiller en kritisk rolle i denne prosessen gjennom opprettholdelse av væskevolum og sammensetningshomeostase, som gjør det mulig for andre organer å utføre sine oppgaver. Nyreendotelet viser fenotypiske og molekylære egenskaper som skiller det fra endotelet til andre organer. Dessuten omfatter den voksne nyrevaskulaturen forskjellige populasjoner av for det meste hvilende, men ikke metabolsk inaktive, endotelceller (ECs) som befinner seg inyreglomeruli, cortex og medulla. Hver av disse populasjonene støtter spesifikke funksjoner, for eksempel ved filtrering av blodplasma, reabsorpsjon og sekresjon av vann og oppløste stoffer, og konsentrasjonen av urin. Transkripsjonsprofilering av disse forskjellige EC-populasjonene antyder at de har tilpasset seg lokale mikromiljøforhold (hypoksi, skjærstress, hyperosmolaritet), noe som gjør dem i stand til å støtte nyrefunksjoner. Eksponering av EC-er for mikromiljøavledede angiogene faktorer påvirker deres metabolisme og opprettholdernyreutvikling og homeostase, mens EC-avledede endokrine faktorer bevarer distinkte mikromiljønisjer. I sammenheng med nyresykdom viser nyre-EC-er endringer i deres metabolisme og fenotype som respons på patologiske endringer i det lokale mikromiljøet, noe som ytterligere fremmer nyredysfunksjon. Å forstå mangfoldet og spesialiseringen av nyre-EC kan gi nye veier for behandling av nyresykdommer ognyreregenerering.

Pattedyrets vaskulære system består av to sammenkoblede og sterkt forgrenede nettverk som gjennomsyrer hele kroppen - hver med spesifikke roller. Blodkarsystemet leverer oksygen og næringsstoffer til parenkymalt vev og letter fjerning av avfall, immunovervåking og handel med immunceller, koagulasjon og produksjon av endokrine signaler for vedlikehold og regenerering av vev1. Derimot drenerer det lymfatiske vaskulære systemet den ekstravaserte interstitielle væsken fra permeable blodkapillærer tilbake til venene og letter handel med immunceller og lipidtransport². Alle blodkar er foret med blodendotelceller (BECs, referert til som ECs heretter), mens lymfatiske endotelceller (LECs) danner det innerste laget av lymfekar - med hver populasjon som støtter dens vaskulaturspesifikke oppgaver. Endotel heterogenitet strekker seg imidlertid langt utover de brede forskjellene mellom blod og lymfatisk endotel. Spesielt viser EC-er fra forskjellige organer unike molekylære profiler som støtter de spesifikke funksjonene til organet^3–6. Denyrefordelerfra en høyt spesialisert vaskulatur, som er tett knyttet til nyreepitelsystemet⁷. Spesifikt, fenotypisk distinkte populasjoner av nyreendotelceller (REC) sameksisterer innenfor de tre anatomiske og funksjonelle avdelingene inyre, glomeruli, cortex og medulla - der de støtter spesifikke nyreoppgaver8,9. Viktigere er at teknologiske fremskritt har muliggjort studiet av REC-heterogenitet på enkeltcellenivå, og gir ny innsikt i deres spesialiserte roller i nyrehelse og -sykdom^6,10,11.

Denyreer kritisk for vedlikehold av organismal homeostase, og regulerer volumet og sammensetningen av kroppsvæsker⁷. Nyrene mottar 20–25 prosent av hjertevolum og viser en stereotyp blodkararkitektur. Denne arkitekturen muliggjør ikke bare levering av oksygen og næringsstoffer tilnyrer, men muliggjør også deltakelse i filtrering av blodplasma, reabsorpsjon av ioner og metabolitter fra filtratet, sekresjon av ioner og metabolitter i primærurinen og urinkonsentrasjon^7,8. Disse svært orkestrerte prosessene muliggjør finjustering av ekstracellulært væskevolum, blodtrykk, osmolalitet og ionekonsentrasjon^7,8. Nyrene regulerer også sirkulerende metabolittnivåer, ikke bare ved å skille ut metabolsk avfall, men også ved å frigjøre glukose (via glukoneogenese) og aminosyrer, for eksempel¹². Pattedyrorganer utveksler kontinuerlig metabolitter via sirkulasjonen, med selektiv bruk for å støtte sine egne metabolske aktiviteter¹².

Følgelig viser de metabolske funksjonene til EC-er i forskjellige organer sannsynligvis organspesifikke forskjeller, som støttet av funn fra metabolske transkriptomanalyser av EC-er i forskjellige organer⁶. Videre lar den metabolske plastisiteten til ECs dem tilpasse seg og reagere på miljøendringer med hensyn til deres metabolske behov og funksjoner3,13. Nye bevis tyder på at de spesialiserte REC-ene tilnyreskreddersy deres metabolske transkriptom for å støtte nyrefunksjonen¹⁰.

REC dysfunksjon følger med akutt eller progressivt tap avnyrefunksjon^14,15. Denne dysfunksjonen er assosiert med en økning i arteriell vasokonstriksjon og en reduksjon i renal blodstrøm, ervervelse av pro-inflammatoriske og pro-trombotiske fenotyper som favoriserer immuncelleadhesjon og infiltrasjon og dannelsen av mikrotrombi, dissosiasjonen av mural pericytter fra endotelet. lag, nedbrytning av endotelbarrieren som resulterer i interstitielt ødem, sjeldenhet av peritubulære kapillærer (og dermed fremmer nyrehypoksi), og endotel-til-mesenkymal overgang, som bidrar til nyrefibrose16,17, noe som tyder på at endotelet kan være målrettet for å beskytte mot nyre skade og/eller for å regenerere nyrefunksjonen.

Denne anmeldelsen oppsummerer vår nåværende forståelse avnyrevaskulatur, med fokus på nylige fremskritt i vår forståelse av den fenotypiske, molekylære og metabolske heterogeniteten til REC-er i forhold til deres mikromiljø. Vi diskuterer også den potensielle anvendelsen av målretting av REC-metabolisme som en terapeutisk strategi inyresykdommereller for nyregenerering.

Viktige punkter

• Endotelet er forskjellig mellom ulike organer, sannsynligvis for å støtte distinkte organfunksjoner.

• Flere spesialiserte endotelcellefenotyper sameksisterer i nyrenes glomeruli, cortex og medulla; disse fungerer for å støtte glomerulær filtrasjon, reabsorpsjon og sekresjon av ioner og metabolitter, og urinkonsentrasjon.

• De forskjellige lokale mikromiljøene inyreforme den molekylære og metabolske heterogeniteten til det renale endotelet; omvendt opprettholder endotelcelle-avledede endokrine faktorer nisjene til forskjelligenyremikromiljøer.

• Metabolismen til nyreendotelceller kan endres i forbindelse mednyreskader og sykdommer, blant annet som følge av endringer i mikromiljøet.

• Større forståelse av det fenotypiske mangfoldet og den metabolske spesialiseringen av nyreendotelceller kan hjelpe til med å identifisere nye mål forbehandling avnyresykdommerognyreregenerering.

Renal endotel heterogenitet

Renal vaskulær anatomi

Denyretilføres blod via nyrearterien, som etter å ha kommet inn inyrevia nyrehilum, forgrener seg til segmentale, interlobare, buede og interlobulære arterier (fig. 1a), og til slutt, afferente arterioler, som er kar med høy motstand som er ansvarlige for kontrollen av den glomerulære blodstrømmen og glomerulær filtrasjonshastighet (GFR). 18. Fra de afferente arteriolene kommer blodet inn i den glomerulære tuften - et nettverk av høyt fenestrerte glomerulære kapillærer der ultrafiltrering av blodplasma skjer med en hastighet på ~120–140 ml/min hos voksne mennesker, noe som gjør at oppløste stoffer med lav molekylvekt kan passere fra glomerulære kapillærer til Bowmans rom¹⁹. Etter at en brøkdel av plasmaet har blitt filtrert, forlater blod den glomerulære tuften gjennom efferente arterioler for å vaskularisere de distale og proksimale kronglete tubuli, og danner det kortikale peritubulære kapillærnettverket. Blod i de peritubulære kapillærene er beriket med oppløste stoffer med høy molekylvekt og har et lavt væskeinnhold på grunn av tap av væske under glomerulær ultrafiltrering. Dermed er peritubulære kapillærer dedikert til reabsorpsjon av vann, ioner og essensielle næringsstoffer fra den proksimale^7,20og distale tubuli²¹. Flere ioner som H pluss (ref. 22) og K pluss (ref. 23) samt molekyler som kreatinin²⁴og legemiddelmetabolitter²⁵- som ikke ble fullstendig filtrert av de glomerulære kapillærene, men som fortsatt må elimineres fra kroppen - beveger seg fra de peritubulære kapillærene inn i epitelcellene i de proksimale20 eller distale tubuli for å bli utskilt og eliminert i urinen21. De efferente arteriolene fra de juxtamedullære nefronene gir opphav til den synkende vasa recta (DVR), som kobles sammen med den ascenderende vasa recta (AVR) gjennom kapillære plexuser. AVR og DVR går i motstrøm til løkken til Henle og deltar i medullær motstrømsutveksling, som som beskrevet senere er nødvendig for å opprettholde en osmolaritetsgradient for urinkonsentrasjon26. Til slutt smelter det kortikale og medullære kapillærsystemet sammen med AVR til et venesystem ved det kortikomedullære krysset. Mer spesifikt drenerer den renale venøse vaskulaturen blodet fra de peritubulære kapillærene og AVR inn i de interlobulære og buede venene og deretter interlobare vener, og danner til slutt nyrevenen som kommer ut franyrehilum og forgrener seg til slutt inn i vena cava inferior⁷.

Denyreer også forsynt av lymfekar, som følger den generelle topografien tilnyreblodkar²⁷(Fig. la). De er hovedsakelig tilstede i nyrebarken hvor deres primære rolle er å fjerne væske og makromolekyler (som albumin) fra det interstitielle rommet mellom tubuli og kapillærer²⁸. De har også en rolle i infiltrasjon av immunceller og påfølgende betennelse²⁹. I glomeruli omgir de Bowmans kapsel uten å trenge inn i den glomerulære tuften²⁸. Derimot er tradisjonelle lymfekar sjelden tilstede i nyremargen; i denne regionen fjernes interstitiell væske og makromolekyler av AVR, som representerer en type hybrid blodåre med lymfelignende egenskaper^28,30.

Renale endotelcellefenotyper

EC-er fra forskjellige organer er fenotypisk heterogene^3–6,31. De unike egenskapene til REC-er, og spesielt glomerulære EC-er, har lenge vært verdsatt. Global transkripsjonsprofilering av EC-er fra mus har bekreftet eksistensen av organspesifikke transkriptomsignaturer^3,4,6. Disse studiene har vist at REC-er er de mest ulik EC-er fra andre organer, inkludert hjernen, hjertet, lungene, muskler og testikler⁴(Fig. 1b) gjennom deres ekspresjon av gener assosiert med interferonsignalering, samt gener som koder for de endokrine faktorene FGF1 og IL-33 (ref.^4,6). Den organspesifikke heterogeniteten til EC-er ligger sannsynligvis til grunn for deres molekylære tilpasning for å oppfylle spesifikke funksjonelle roller^3–6,31.

Imidlertid strekker heterogeniteten til REC utover det organotypiske nivået, med et bemerkelsesverdig mangfold avnyrevaskulatur, som først demonstrert ved elektronmikroskopi og mikroarray-studier og deretter ved enkeltcelleanalyser^6,32,33. Denyrecortex, glomeruli og medulla inneholder unike EC-populasjoner (henholdsvis cRECs, gRECs og mRECs). Dette mangfoldet i EF-populasjoner kan oppstå fra eksponering for de forskjellige mikromiljøene i disse regionene. For eksempel er det glomerulære endotelet utsatt for høyt vaskulært trykk og interagerer tett med podocytter for å regulere ultrafiltrering, mens mRECs utsettes for høy osmolaritet og hypoksi, som er relatert til opprettholdelse av en osmolaritetsgradient og urinkonsentrasjon^6,9,10,32(Fig. 1c). Utover interkompartmental heterogenitet, demonstrerer REC-er også intra-kompartmental heterogenitet, som sannsynligvis bestemmes av en rekke genetiske og miljømessige faktorer, inkludert typen vaskulær seng (arteriell, kapillær, venøs), deres interaksjoner med andre celletyper (for eksempel , glatte muskelceller, pericytter, granulære celler, podocytter og tubuli-epitelceller) og deres eksponering for forskjellige mikromiljøer innenfor samme avdeling, for eksempel eksponering for forskjellige typer strømning eller forskjellige nivåer av osmolaritet34 (fig. 1c). Utviklingen innen enkeltcellet transkriptomikk-teknologi har gjort det mulig å kartlegge heterogeniteten til muse-REC-er med svært høy oppløsning^6,10,11, og avslører opptil 24 transkripsjonelt forskjellige REC-populasjoner^6,10,11. Merk at funnene fra encellede RNA-seq-studier oppsummert nedenfor gjenstår å bekrefte på proteinnivå, både for å verifisere den romlige lokaliseringen av de forutsagte proteinene og også for å integrere kunnskapen om post-translasjonelle endringer og/eller signalmekanismer som kan påvirke proteinaktivitet. Det er også verdt å merke seg at den relative berikelsen av et gen innenfor en bestemt REC-populasjon som bestemt ved enkeltcellesekvensering ikke nødvendigvis innebærer at uttrykket av det genet er begrenset til den spesifikke cellepopulasjonen.

Heterogenitet av glomerulære renale endotelceller.Denyreglomerulus er en svært spesialisert struktur som er ansvarlig for filtrering av blodplasma for å generere et primært urinfiltrat samtidig som det sikres at essensielle plasmaproteiner beholdes i blodet. Den er sammensatt av glomerulære kapillærer som ligger mellom afferente og efferente arterioler, som er motstandskar som kontrollerer både kapillær blodstrøm og trykk. Arteriolene til et nefron er i delvis kontakt med det juxtaglomerulære apparatet (JGA) - en spesialisert struktur som omfatter macula densa av den distale kronglete tubulen, granulære reninproduserende celler som er assosiert med den afferente arteriolen og ekstraglomerulære mesangiale celler (fig. 2a). JGA regulerer enkeltnefron GFR og blodtrykk gjennom den tubuloglomerulære tilbakemeldingen, den myogene responsen og frigjøringen av renin^19,35–37.

Det glomerulære kapillære endotelet er sammensatt av unike EC-er med ikke-diafragma-fenestrasjoner som tillater filtrering av store væskevolumer38 (fig. 2b).

Fenestrasjonene er 50–100 nm store og opptar rundt 20 prosent av celleoverflaten, og vises på elektronmikroskopisk avbildning som transcellulære hull³⁸. Diameteren til disse fenestrasjonene er teoretisk stor nok til å tillate passasje av væske og store proteiner inn i tubuli. Imidlertid produserer kapillære gREC-er også et tykt lag av glykokalyx som omfatter negativt ladede glykoproteiner og polysakkarider som fungerer som en barriere for proteinpassasje^39,40. Dessuten adsorberes plasmakomponenter i glykokalyxen og danner et bredere lag kalt endoteloverflatelaget41, som med sin filamentøse struktur ytterligere forsterker permselektiviteten til den glomerulære endotelbarrieren.⁴². Faktisk observeres albuminuri og proteinuri ved svekkelse av glykokalyx^39,43,44. Sammen med podocytter syntetiserer og deler kapillære gREC-er også en felles ekstracellulær matrise kjent som den glomerulære basalmembranen (GBM), som hovedsakelig består av kollagen type IV, laminin og sulfaterte proteoglykaner42. Mutasjoner som påvirker syntesen av noen av komponentene i GBM fører til proteinuri45,46. Dermed danner kapillære gREC-er, podocytter og GBM en effektiv glomerulær filtreringsbarriere. Det er verdt å merke seg at det glomerulære kapillære endotelet mangler et diafragma og uttrykker derfor ikke type II transmembrant glykoprotein plasmalemma vesikkelassosiert protein 1 (PV1), som er kodet av Plvap10 og er en typisk markør for fenestrerte EC-er assosiert med de brodannende diafragmene til endotel. fenestrae og caveolae⁴⁷

Utviklingen og vedlikeholdet av de kapillære gREC-fenestrasjonene krever podocytt-avledet vaskulær endotelial vekstfaktor (VEGF), som virker på en parakrin måte gjennom endotelial VEGF-reseptor 2 (VEGFR2, også kjent som KDR)⁴⁸. Overekspresjon av VEGF forårsaker glomerulær kollaps, raskt tap av kapillære gRECs og massiv proteinuri⁴⁹. Derfor er tett regulering av podocytt VEGF nødvendig for å etablere den glomerulære vaskulaturen under embryonal utvikling, og for vedlikehold av fenestrasjoner i modne glomerulære kapillærer^38,42. Tilsvarende tillater tubulær epitelcelle-avledet VEGF vedlikehold av det peritubulære kapillærnettverket⁵⁰

I motsetning til andre kapillære EC-er, utsettes gREC-er for høyt blodtrykk og høy blodstrøm, noe som driver den glomerulære filtrasjonsprosessen og utsetter gREC-er for betydelig skjærspenning⁵¹. Følgelig uttrykker gREC-er høye nivåer av det skjærspenningsregulerte transkriptet Pi16 (ref^6,10,11,52) (fig. 2c; tilleggstabell 1). Kapillære gRECs uttrykker også en rekke andre markører^10,11,32,53, inkludert Ehd3, som koder for et medlem av EHD-proteinfamilien^{10,11,38,54,55}som regulerer endocytisk resirkulering og antas å regulere resirkuleringen av VEGFR2 i kapillære gRECs (fig. 2c), sammen med EHD4 (ref. 54). Dermed kan EHD3 bidra til vedlikehold av glomerulære kapillære fenestrasjoner. Kapillære gREC-er viser også beriket uttrykk for gener assosiert med TGF-BMP-signalveien (Eng, Smad6, Smad7, Xiao og Hipk2 (refs10,56–58)), som er involvert i glomerulær kapillærdannelse. Overekspresjon av TGF induserer proteinuri og glomerulosklerose⁵⁹, og dermed kan tilstedeværelsen av hemmende SMADs, slik som de kodet av Smad6 og Smad7 i gRECs, forhindre overdreven TGF-signalering og glomerulær dysfunksjon. Derimot er podocytt-avledet BMP avgjørende for normal glomerulær kapillærdannelse60. Kapillære gREC-er uttrykker også spesifikt Nostrin³², proteinproduktet som binder endotelial nitrogenoksidsyntase (eNOS) for å utløse translokasjonen fra plasmamembranen til vesikkellignende subcellulære strukturer, og demper produksjonen av nitrogenoksid (NO) - en viktig regulator av GFR32. Dessuten antyder den begrensede ekspresjonen av lipoproteinlipase (Lpl) til kapillære gREC-er at det glomerulære endotelet kan være essensielt for frigjøring av fettsyrer i ultrafiltratet, som senere kan brukes som en energikilde av tubuli-epitelceller eller for regulering av blodlipidinnhold eller kan bidra til akkumulering av glomerulære lipider som observert i patologiske sammenhenger^6,10,61,62. Interessant nok korrelerer nyreekspresjon av gener involvert i lipidmetabolisme med GFR og betennelse hos pasienter meddiabetikernyresykdom, mens defekt fettsyreoksidasjon (FAO) i tubulære celler bidrar til utviklingen avnyrefibrose^61,62.

Transkripsjonsfaktorer, som SOX17 og COUP-TFII (kodet av Nr2f2) i henholdsvis arterielle og venøse REC, driver transkripsjonssignaturer og identiteten til spesifikke vaskulære senger63,64. Identiteten til gREC-er er avhengig av aktiviteten til minst to transkripsjonsfaktorer: GATA5 og TBX3 (refs10,11,32) (fig. 2c), som medierer anskaffelsen av en gREC-lignende genekspresjonsprofil når de overuttrykkes sammen i human navleåre. ECs (HUVECs), en vanlig brukt EC-modell11. GATA5-regulonet er oppregulert i gREC-er, men ikke i andre REC-populasjoner^10,11og selektiv sletting av Gata5 i ECs forårsaker glomerulære lesjoner65. Videre forårsaker EC-spesifikk sletting av Tbx3 morfogene defekter som mikroaneurismer i undergrupper av glomeruli, redusert antall kapillære gREC-fenestrasjoner og deformerte podocyttfotprosesser, noe som antyder en rolle for denne transkripsjonsfaktoren i å opprettholde den strukturelle organiseringen av glomerulære kapillærer.¹¹. I tillegg er både GATA5 og TBX3 involvert i reguleringen av blodtrykket. GATA5 påvirker typisk vaskulær funksjon, proteinkinase A og NO-signalveier⁶⁵, mens TBX3 antas å modulere blodtrykket via regulering av reninsekresjon inyre¹¹.

Regulering av den vaskulære tonen til afferente og efferente arterioler er nødvendig for å opprettholde det konstant høye glomerulære kapillærtrykket som er nødvendig for glomerulær filtrasjon¹⁸. Denne reguleringsprosessen gjør det mulig å opprettholde en konstant GFR til tross for endringer i systemisk trykk og hjertevolum66. Afferente arterioler har ett til tre lag med vaskulære glatte muskelceller (VSMCs), som, i nærheten av JGA, delvis erstattes av reninproduserende granulære celler67 (fig. 2d). EC-heterogenitet eksisterer også i den afferente arteriolen, med ikke-diafragma-fenestrasjoner av endotelet nærmest JGA68,69 - lik den til det glomerulære kapillære endotelet - sannsynligvis for å lette den raske transporten av renin inn i blodet18 (fig. 2d). Uttrykk av Gja5 (som koder for connexin 40), er beriket i denne undergruppen av gRECs^10,70og har en viktig rolle i kommunikasjonen mellom endotelet og granulære celler i JGA for å regulere reninfrigjøring^35,70,71. Disse EC-ene er også beriket i andre gener involvert i celle-til-celle-interaksjon, slik som de som er relatert til Wnt- og Notch-signalveiene, Ephrin og cytokiner, og kjemokiner (fig. 2c), som kan mediere krysstale mellom mesangiale celler og/ eller granulære celler og gREC-er i JGA, og kan potensielt bidra til autoregulering og blodtrykksmodulasjon¹⁰.

Derimot uttrykker gREC-er i den oppstrøms (mest distale) delen av de afferente arteriolene gener involvert i bensinregulering som Edn1 (som koder for endotelin 1), Alox12 (arachidonate 12-lipoksygenase) og S1pr1 (sfingosin{{6). }}fosfatreseptor 1)^10,72,73(Fig. 2c). S1P–S1PR1-signalveien regulerer kraftig afferent arteriolebensin ved å aktivere eNOS-systemet^74–76. I tråd med denne rollen er S1P-reseptoren beriket i gRECs i de afferente arteriolene og blir ikke oppdaget i efferente arterioler¹⁰.

I motsetning til gREC-er i de afferente arteriolene, viser gREC-er i de efferente arteriolene lavere konnexinuttrykk77, spesielt connexin 37 og connexin 40 (kodet av henholdsvis Gja4 og Gja5)10. I likhet med EC-er fra de afferente arteriolene, indikerer imidlertid transkriptomanalyser av EC-er fra de efferente arteriolene tilstedeværelsen av to gREC-populasjoner: en antagelig assosiert med JGA (uttrykker gener assosiert med immuncelleadhesjon og ekstravasasjon, og EC-permeabilitet) og en andre som tilsvarer den distale delen av den efferente arteriolen (anriket i gener involvert i hyperosmolaritetsresponser)10 (fig. 2c).

Denne innsikten antyder at det fenotypiske og funksjonelle mangfoldet til gRECs ligger til grunn for disse endotelenes evne til å opprettholde GFR gjennom aktiv modulering av glomerulær blodstrøm og ved å sikre glomerulær filtreringseffektivitet. Gjennom integrering av tubuloglomerulær tilbakemelding og myogene signaler, er spesielt gREC-er assosiert med JGA, sannsynligvis kritiske regulatorer av GFR.

Heterogenitet av kortikale nyreendotelceller.I tillegg til det glomerulære kapillære endotelet og de pre-glomerulære og post-glomerulære afferente og efferente arteriolene,nyrecortex inneholder lymfekar og store arterier og vener sammen med tilhørende vasa vasora, postkapillære venuler og peritubulære kapillærer. I tråd med deres rolle i reabsorpsjon og sekresjon av oppløste stoffer, ioner og vann, er kortikale peritubulære kapillærer tynnveggede kapillærer som omfatter EC-er som er funksjonelt koblet til det tubulære epitelet9 (fig. 3a). Sammenlignet med gRECs og mRECs, uttrykker cRECs - spesielt peritubulære kapillære ECs - høye nivåer av Igfbp3 (som koder for insulinlignende vekstfaktorbindende protein 3) og Npr3 (koder for natriuretisk peptidreseptor 3)10,11 (fig. 3b) .

De kortikale peritubulære kapillærene oppstår fra de efferente arteriolene og omgir de proksimale og distale kronglete tubuli (fig. 3a), og gir oksygen og næringsstoffer, og bidrar til opptak av oppløste stoffer og vannreabsorpsjon fra det tubulære lumen⁹. I motsetning til glomerulære kapillærer, uttrykker peritubulære kapillære EC-er Plvap, hvis proteinprodukt (PV1) spenner over de peritubulære kapillære EC-fenestrae. Disse diafragma-fenestrene er 62–68 nm i diameter og letter sannsynligvisutveksling av vann, ioner og små oppløste stoffer med proksimale og distale tubuli9,10

Glomeruli filtrerer omtrent 180 g glukose per dag78 og under fysiologiske forhold blir nesten alt reabsorbert i de proksimale tubuli. Filtrert glukose blir først reabsorbert fra lumen i de proksimale tubuli inne i epitelcellene gjennom natrium-glukose-kotransportører (SGLT). Når den intracellulære glukosekonsentrasjonen overstiger konsentrasjonen til interstitium, diffunderer den inn i det interstitielle rommet gjennom spesifikke tilrettelagte glukosetransportører (GLUT), hvorfra det blir reabsorbert inn i blodstrømmen79. I tråd med deres rolle i denne prosessen, uttrykker peritubulære kapillære EC-er høyere nivåer av Slc2a1 (koder for GLUT1) enn EC-er fra andre vaskulære nyrer11 (fig. 3b), noe som tyder på at glukosereabsorpsjon kan forenkles av GLUT1 i peritubulære kapillære EC-er.

Kortikale peritubulære kapillærer inkluderer to EC-populasjoner - en som uttrykker høye nivåer av Apoe (koder for apolipoprotein E) og en som uttrykker lite eller ingen Apoe10 (fig. 3b). Den Apoe-høye populasjonen viser et beriket uttrykk for andre gener relatert til lipidmetabolisme som Plpp3 og Thrsp10,80,81. Derimot uttrykker den Apoe-lave populasjonen gener som koder for VEGF-reseptorer (Kdr, Flt1 og Nrp1, som koder for henholdsvis VEGFR2, VEGFR1 og neuropilin 1), insulinlignende vekstfaktorbindende proteiner og reseptor (Igfbp5, Igfbp3 og Insr) , og Npr3, som koder for en reseptor for natriuretisk peptid, som regulerer blodvolum og natriumutskillelse10,82–85. Hvorvidt disse to EC-populasjonene eksisterer i separate kapillærer som interagerer med proksimale kronglete eller distale tubuli, eller om de eksisterer i de samme kapillærene er foreløpig ukjent.

Overraskende nok er det også blitt beskrevet ytterligere to kapillære EC-populasjoner i musens nyrebark - en angiogenisk-lignende EC-populasjon og en populasjon som er karakterisert ved ekspresjon av interferon-stimulerte gener og gener involvert i antigenprosessering og -presentasjon10 (fig. 3b). . De angiogenisk-lignende EC-ene kan ha en rolle i regenereringen av skadede REC-er, mens de interferonaktiverte EC-ene kan delta i immunovervåking, selv om ytterligere studier er nødvendig for å undersøke disse mulighetene10.

cREC-er i store arterier er preget av uttrykket av det arterielle transkripsjonsfaktorgenet Sox17 og tight junction-genet Cldn5 (claudin 5), mens cREC-er i store vener er preget av uttrykket av transkripsjonsfaktoren Nr2f2 (COUP-TFII), og fenestasjonsmarkør Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(Fig. 3b).

Arterielle cREC-er uttrykker det semaforin-kodende genet Sema3g, som har autokrine og parakrine effekter på henholdsvis EC-er og VSMC-er, de connexin-kodende genene Gja4 og Gja5, som er komponenter i myoendoteliale koblinger, og Notch-familiemedlemmet Jag1 (refs6,10) 11,87–90) (Fig. 3b). Store arterier utsettes for høyt blodtrykk og deres vaskulære tonus blir modulert som respons på endringer i blodtrykket. Deres evne til å reagere på mekaniske signaler aktiveres av tilstedeværelsen av et elastisk lag i tunikamediet som er rikt på elastiske fibre^9,91og gjennom ekspresjon av gener relatert til elastisk fibersammenstilling som Eln (elastin), Ltbp4 (latent-transformerende vekstfaktor- -bindende protein 4), Fbln5 (fibulin 5) og Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). De uttrykker også høye nivåer av Mgp (matrise Gla protein) 6,10, som undertrykker vaskulær forkalkning sannsynligvis gjennom hemming av BMP2- og BMP4-signalering96. I samsvar med deres rolle i å regulere renal blodstrøm, uttrykker cRECs i de store arteriene også gener som er ansvarlige for bensinregulering som Ace, Edn1 og S1pr1 (refs6,10,97–99) (fig. 3b).

Tilførsel av oksygen og næringsstoffer og fjerning av avfallsprodukter som frigjøres innenfor vaskulærveggen til store arterier og vener, forenkles av vasa vasora100. Vasa vasora REC ble ikke identifisert i de publiserte studiene av mus encellede REC, antagelig fordi kar med en lumendiameter på<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Å utføre slike studier på større dyr eller på mennesker, som har større nyrekar, kan øke sannsynligheten for å fange vasa vasora REC. Det er for tiden ingen markører beskrevet for REC-er avledet fra vasa vasora.

Utover blodkarsystemet inneholder nyrebarken også to sett med nyrelymfekar. Begge disse har sin opprinnelse som blindendede kapillærer i nyrelobuen hvorfra det ene settet følger arteriene mot hilum for å forbinde hilar- og kapselsystemet og det andre trenger inn i kapselen for å slutte seg til kapsellymfesystemet28,101 (fig. 1a). Nyrelymfekapillærene kan skilles fra blodkarkapillærer, da de hovedsakelig er tilstede i interstitium, er blindende og mangler pericytter^28,29. Nyrelymfekapillærer består av enkeltlags, 'eikblad'-formede, delvis overlappende LEC-er28,29, som kan skilles fra BEC-er ved uttrykket av flere markører⁶, hvorav de mest kjente er Pdpn (podoplanin)102, det hyaluronan-reseptorkodende genet Lyve1 (ref. 103), Flt4 (som koder for VEGFR3)104 og transkripsjonsfaktorgenet Prox1 (ref. 105) (fig. 3b) . Selv om disse markørene også kommer til uttrykk i andre celletyper, kan de brukes til å skille mellom de to viktigste EC-typene29. I mennesketnyre, har podoplanin blitt beskrevet som den mest pålitelige markøren for LEC^28,29. Ingen av de to kjente likevelnyreLEC-populasjoner er identifisert i publiserte encellede RNA-seq-studier^6,10,11, muligens på grunn av deres tap under tekniske prosesstrinn (for eksempel under enzymatisk fordøyelse eller EC-rensing), og/eller fordi de representerer en for liten EC-fraksjon sammenlignet med populasjonen av nyre-BEC. Ytterligere studier er derfor nødvendig for å karakterisere heterogeniteten til det renale lymfatiske endotelet.

Heterogenitet av medullære nyreendotelceller.Den primære rollen til nyremargen er urinkonsentrasjon⁹. Det anatomiske arrangementet av vasa recta og lav blodstrøm i nyremargen (10 prosent av total nyreblodstrøm9), forhindrer utvasking av oppløste stoffer, som urea og NaCl, og skaper en osmolaritetsgradient fra den ytre medulla til nyrepapillen , som er avgjørende for urinkonsentrasjon26,106. Denne gradienten varierer i henhold til hydreringsstatus106.

Det renale medullære endotelet er preget av uttrykket av Igfbp7 (refs10,11), en urinmarkør fornyreskade som predikerer nyregjenoppretting etter akutt nyreskade (AKI)107, og Cd36 (refs10,32), som koder for en scavenger-reseptor som er ansvarlig for opptak av langkjedede fettsyrer fra sirkulasjonen108 (fig. 3c). Derfor kan lipider bevege seg på en CD36-avhengig måte gjennom det medullære endotelet til medullære interstitielle celler, en fibroblastlignende cellepopulasjon som er preget av lipiddråper, hvis overflod korrelerer med diuresetilstanden109. Sletting av Cd36 hos mus var assosiert med økt nyreavhengig risiko for spontan hypertensjon^10,110, men dempet utviklingen avnyrefibrose som respons på en diett med høyt fett111 (fig. 3c), og antyder derfor både en beskyttende og en patologisk rolle for lipidtransport i disse prosessene.

I likhet med det kortikale og glomerulære endotelet, utviser det renale medullære endotelet omfattende intra-kompartmental heterogenitet^10,11. DVR er arterielle-lignende kar som består av et kontinuerlig endotel omgitt av glattmuskellignende pericytter eller VSMC-er som reagerer på vasoaktive stimuli for å kontrollere nyremargblodstrømmen. I samsvar med deres arteriolærlignende fenotype uttrykker DVR EC-er Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 og Cxcl12 (CXCL12, også kjent som SDF1 - et kjemokinprotein som fungerer som en ligand for CXCR4 og CXCR7 uttrykt av VSMCer og pericytter)^10,63,113. DVR EC-er uttrykker også Slc14a1 og Aqp1 som koder for ureatransportøren B (UTB)^10,11,112og vannkanalen aquaporin 1 (ref^10,11,55), som begge er nødvendige for urinkonsentrasjon114,115 (fig. 3c,d). Disse EC-ene uttrykker også Scin, som koder for slagg i - et protein som binder aquaporin 2 i et multiproteinkompleks ved å samle kanalepitelceller, antagelig for å lette handel med aquaporin 2116. Samekspresjonen av Aqp1 og Scin i DVR ECs antyder en lignende interaksjon i det medullære endotelet¹⁰.

Osmolaritetsgradienten etablerer et fiendtlig miljø for celler i nyremargen, spesielt for de i nyrepapillen, hvor osmolariteten er høyest (tilsvarer en tilstand med fysiologisk hyperosmolaritet der osmolariteten er høyere enn i systemisk plasma)117. Mus DVR ECs kan separeres i to hovedfenotyper i henhold til deres plassering i nyrepapillen eller i den ytre eller indre medulla10, og kjennetegnes ved uttrykket av hyperosmolaritetsinduserte og vasotonregulerende gener10 (fig. 3c). Renal papilla DVR ECs uttrykker hyperosmolaritetsresponsive gener, inkludert målgener av den hyperosmolaritetsinduserbare transkripsjonsfaktoren NFAT5, slik som S100a4 og S100a6 (refs10,118), mens DVR ECs fra indre og ytre medulla viser anriket uttrykk for Hpgd. et hovedenzym involvert i katabolismen av vasoaktive prostaglandiner, Edn1, som koder for vasokonstriktoren endotelin 1, og Adipor2, som koder for en reseptor for adiponektin som induserer vasodilatoreffekter119,120 (fig. 3c). Dette uttrykksmønsteret er i samsvar med den mer fremtredende tilstedeværelsen av glattmuskellignende pericytter i den ytre medullære delen av DVR og dermed den større responsen til denne regionen for vasoaktive faktorer, sammenlignet med lavere DVR-deler9,121.

I motsetning til DVR, er AVR fenestrerte venøs-lignende kar (fig. 3d). Disse karene reabsorberer vann fra nyremarven som akkumuleres under urinkonsentrasjon av samlekanalene, løkken til Henle og DVR, og samler det tilbake i den generelle sirkulasjonen på en måte som ligner på funksjonen til lymfekar30. I tråd med denne rollen uttrykker AVR EC-er den venøse transkripsjonsfaktoren Nr2f2 (refs10,11,64) og Plvap - sannsynligvis for å opprettholde deres rolle i vannreabsorpsjon^10,11,47,122(Fig. 3c). AVR EC-er uttrykker også Tek, som koder for angiopoietin Tie2-reseptoren, som er nødvendig for AVR-dannelse under utvikling. Sletting av Tek hos mus utløser rask akkumulering av væske og cyster i medullært interstitium og tap av medullære vaskulære bunter og resulterer i nedsatt urinkonsentrasjonsevne³⁰.

I likhet med DVR kan AVR separeres i to transkriptomisk forskjellige EC-populasjoner lokalisert i papillen og i den ytre og indre medulla. De i papillen er preget av ekspresjonen av hyperosmolaritetsresponsive gener (Cryab, Fxyd2 og Cd9 (refs10,123,124)), glykolytiske gener (Ldha, Aldoa og Gapdh10,125,126) og Car2, som koder for karbonsyreanhydrase 2-enzymet , hvis fravær svekker urinkonsentrasjonen og utløser polyuri hos mus127 (fig. 3c). Papillære AVR EC-er uttrykker spesifikt det Na pluss /K pluss ATPase underenhetskodende genet Fxyd2, mens et alternativt underenhetskodende gen Fxyd6 er oppregulert i AVR ECs i den ytre og indre medulla¹⁰ (Fig. 3c).

De papillære delene av AVR og DVR viser distinkte genekspresjonsprofiler, men deler uttrykket av flere hyperosmolaritetsresponsive gener, inkludert Akr1b3, som koder for aldosereduktase - det hastighetsbegrensende enzymet til polyolbanen som er ansvarlig for omdannelsen av glukose til sorbitol, en inert organisk osmolytt som er viktig for vedlikehold av cellevolum under forhold med hyperosmolaritet117. De uttrykker også S100a6, så vel som andre gener - som Fxyd5 (som koder for en annen Na pluss /K pluss ATPase-underenhet), Nrgn (som koder for det kalmodulinbindende proteinet neurogranin) og Crip1 (som koder for cysteinrikt protein 1) 10 118 - som potensielt kan være knyttet til det hyperosmotiske miljøet (fig. 3c).

Den renale medullære kapillærplexus, som forbinder DVR og AVR (fig. 3a), er karakterisert ved et Plvap-positivt fenestrert endotel og det berikede endotelekspresjonen av gener som koder for VEGF-reseptorer, som Kdr, Flt1 og Nrp1, også som gener involvert i fettsyretransport og metabolisme (Cd36 og Plpp3)10 (fig. 3c). mREC inkluderer også EC-er fra postkapillære venoler, så vel som angiogene og interferonaktiverte EC-populasjoner, lik kapillærene i nyrebarken10.

REC heterogenitet og nyresykdom

Under fysiologiske forhold er endotelet i ro - en tilstand som i stor grad opprettholdes gjennom S-nitrosylering av proteiner og transkripsjonsfaktorer av eNOS-avledet NO128,129. Aktiviteten til eNOS i seg selv er regulert av skjærspenning¹³⁰og intracellulære metabolitter, slik som eNOS-substratet, l-arginin, og dets kofaktor, tetrahydrobiopterin¹³¹. Under spesielle forhold - for eksempel som svar på infeksjon - kan denne hviletilstanden slås av, noe som induserer aktivering av EC og rekruttering av immuncellene. Redokssignalering og spesielt frakobling av eNOS-enzymet som resulterer i produksjon av superoksid i stedet for NO er ​​avgjørende for denne aktiveringsprosessen. Frakoblingen av eNOS setter i gang en kaskade som fører til remodellering av endoteloverflatelaget og induserer ekspresjonen av reseptorer som kan samhandle med blodplater og immunceller¹³². Selv om endotelaktivering utgjør en del av vertsforsvarssystemet, kan dette molekylære maskineriet aktiveres uhensiktsmessig ved sykdomstilstander som autoimmun sykdom eller i sammenheng med kardiovaskulære risikofaktorer eller infeksjon. Merk at det eksisterer heterogenitet i responsen til REC på skadelige signaler¹³³. For eksempel, ved atypisk hemolytisk uremisk syndrom, er mutasjoner i den komplementhemmende faktor H assosiert med redusert faktor H-binding til glomerulært endotelheparansulfat134, og induserer dermed glomerulær trombotisk mikroangiopati. Et annet eksempel er kronisk humoral allograftavstøtning der de peritubulære kapillærene ser ut til å være det primære målet for skade¹³⁵; det tilhørende tapet av det peritubulære kapillærnettverket forutsier forekomsten avnyrefeil136. I sammenheng med COVID-19-pandemien er det verdt å merke seg at AKI ofte observeres hos pasienter med alvorlig sykdom (som rammer opptil 50 prosent av pasientene på intensivavdelinger)¹³⁷, hos hvem utbredt EC-dysfunksjon kan fremme sykdomseskalering som følge av vaskulær lekkasje, koagulopati og forverret betennelse^138,139.

I tillegg til heterogenitet i endotelaktiveringsresponsen, kan responsen til REC-er på miljøsignaler fra sirkulasjonen være stedsspesifikk. For eksempel viser gREC-er fra pasienter med type 1 diabetes mellitus en dysregulert angiogen respons som resulterer i glomerulær vekst og sekundær podocytopati^140,141. Ved iskemisk skade - spesielt i peritubulære kapillærer - resulterer endotelaktivering og utsletting av EC i det såkalte "no-reflow"-fenomenet, der perfusjon ikke gjenopprettes selv ved gjenoppretting av åpenhet, noe som resulterer i tubulær epitelcelleskade og AKI¹⁴². Den kliniske patologien indusert av REC-aktivering er diskutert i detalj andre steder.

Fremveksten av høyoppløselige teknikker som enkeltcellet RNA-seq har gitt ny innsikt i den molekylære reguleringen av endotelial fenotypisk heterogenitet og prosessene involvert inyreskade. En rekke studier de siste årene, fra vår gruppe og andre, har fremmet konseptet om at endotelial heterogenitet er sammenkoblet med den intracellulære metabolismen^{3,6,10,143–145}. Som beskrevet nedenfor hjelper de forskjellige mikromiljøene som REC-er utsettes for å etablere både deres fenotypiske mangfold og metabolske spesialisering.

Metabolsk spesialisering av REC

EC-er viser en aktiv metabolisme selv når de er i ro for å opprettholde prosesser som energiproduksjon, biomassesyntese og redokshomeostase, som er nødvendige for å opprettholde vaskulær barriereintegritet, vasoregulerende funksjon, transport av oppløste stoffer og hemming av trombose og vaskulær betennelse. For eksempel opprettholder hvilende EC-er høye nivåer av FAO, som bidrar til å opprettholde vaskulær barriereintegritet delvis gjennom regenerering av NADPH, som gir beskyttelse mot reaktive oksygenarter (ROS)146. I tråd med denne rollen øker hemming av FAO i ECs oksidativt stress, endotelbarrierepermeabilitet, leukocyttinfiltrasjon146 og endotel-til-mesenkymal overgang¹⁴⁷, noe som antyder at FAO er nødvendig for opprettholdelse av endotelfunksjon og fenotype. REC-er viser forskjellige metabolske profiler og transkriptomer til EC-er isolert fra andre organer i mus^3,6. Spesielt er de preget av oppregulering av gener involvert i aminosyre- og pyrimidinbiosyntese samt glukosemetabolisme⁶. Dessuten er noen metabolske gener selektivt beriket i arterielle, kapillære eller venøse EC-er, noe som indikerer intra-organ metabolsk heterogenitet⁶. Som diskutert nedenfor, kan forskjellige mikromiljøforhold som forskjellige REC-populasjoner utsettes for, også påvirke deres metabolske profiler, og støtte REC-fenotypisk heterogenitet så vel som deres respons på sykdomsstimuli.

REC-responser på endringer i oksygenspenning

Selv omnyrerer de mest perfuserte organene i kroppen, forbrukes mindre enn 10 prosent av sirkulerende oksygen under passasje av blod gjennomnyrer¹⁴⁸. Denyremedulla utsettes for lav oksygenspenning, med en pO2 på 10–20 mmHg (hypoksi) sammenlignet med 50 mmHg i nyrebarken117 (fig. 4a). Oksygengradienten som følger den kortikopapillære aksen er konsekvensen av flere faktorer, inkludert en arteriovenøs oksygenshunt som er et resultat av det parallelle arrangementet av AVR og DVR i medulla, den begrensede blodstrømmen til og innenfor medulla for å minimere utvaskingen av oppløste stoffer , og bruken av oksidativ fosforylering for å produsere de høye nivåene av energi som kreves for at Na pluss /K pluss ATPase skal reabsorbere Na pluss og for å muliggjøre riktig funksjon av andre cellemembrantransportører av løst stoff117. Således er hypoksi iboende til urinkonsentrasjonsmekanismen til medulla^10,117.

Det kreves også for passendenyreutvikling149. Imidlertid kan hypoksi være skadelig og anses som en hovedårsak til AKI150, og en risikofaktor for kronisk nyresykdom (CKD)151 (fig. 4a). Nyrehypoksi kan skyldes iskemiske hendelser, som kan oppstå under nyretransplantasjon eller som et resultat av unormal nyreperfusjon på grunn av peritubulær kapillær sjeldnehet, glomerulær skade, aterosklerose, dysregulering av arteriell vaskulær tonus, anemi og nedsatt oksygendiffusjon på grunn av fibrose152 ( Fig. 4a). Innenfor det vaskulære systemet forårsaker kortvarig eksponering for hypoksi reversibel modulering av vaskulær tonus og blodstrøm, mens langvarig eksponering resulterer i irreversibel remodellering av vaskulaturen og det omkringliggende vevet med VSMC-proliferasjon og fibrose¹⁵³. Den cellulære responsen på hypoksi avhenger av inaktiveringen av Fe2 pluss-avhengige oksygenaser og 2-oksoglutarat (2-OG)-avhengige oksygenaser152, og den påfølgende aktiveringen av hypoksi-induserbar transkripsjonsfaktor (HIF)-avhengig og HIF-uavhengige veier. Eksponering for hypoksi utløser aktivering av både HIF1 og HIF2 i ECs154 (fig. 4b). Inyre, RECs uttrykker HIF2 i stor grad ved hypoksi, mens proteinekspresjon av HIF1 er begrenset til mRECs i papilla155–157, hvor det sannsynligvis stimulerer glykolyse (fig. 4b). Aktivering av HIF2 i REC, generelt, medierer beskyttelse og utvinning fra iskemisk nyreskade ved å fremme erytropoese, og ved å undertrykke nyrebetennelse, kapillær sjeldnehet og fibrose156 (fig. 4b). Eksponering av REC for hypoksi i sammenheng mednyresykdom kan derfor indusere forskjellige responser i gRECs og cRECs enn i mRECs. For eksempel fremmer hypoksi HIF1 -avhengig spredning og migrasjon av dyrkede EC-er158,159; under ikke-sammenflytende forhold gjennomgår imidlertid dyrkede gREC-er mitokondrieavhengig apoptose ved eksponering for hypoksi155,160,161, noe som tyder på en feiltilpasning av gREC-er til hypoksi. Selv om gREC-er ser ut til å være ganske motstandsdyktige mot hypoksi in vivo, sannsynligvis på grunn av den parakrine effekten av podocytt-avledet VEGF161, kan hypoksi indusere et progressivt tap av tight junction-proteinene occludin og ZO-1 i gRECs i en HIF{{ 11}}avhengig måte, som til slutt øker endotelbarrierepermeabiliteten162. Lite er kjent om responsen til mREC på hypoksi. Spesielt mREC-er i AVR og DVR blir utsatt for lav oksygenspenning i papillen under fysiologiske forhold, og Epas1-regulonet (som koder for HIF2 ) oppreguleres i mREC ved vannmangel, sannsynligvis som svar på en økning i hypoksi drevet av urinkonsentrasjonsprosess¹⁰.

Metabolsk tilpasning av ECs til endringer i oksygenspenning.Under normoksiske forhold er EC-er hovedsakelig avhengige av glykolyse for ATP-produksjon i stedet for mitokondriell oksidativ fosforylering163. Som respons på hypoksi forverres disse metabolske responsene, med ytterligere forbedring av glykolyse og undertrykkelse av mitokondriell respirasjon (fig. 4b), som forklarer hvorfor EC-er er motstandsdyktige mot hypoksi så lenge glukose forblir tilgjengelig164. Ved eksponering for akutt hypoksi som en iskemisk hendelse, viser EC-er en rask økning i mitokondriell og/eller NAD(P)H-oksidase-avledet ROS, som stabiliserer HIF1 og muliggjør høyere glykolytisk fluks164 - responser som er i samsvar med en HIF{{6 }}indusert oppregulering av glukosemetabolismen og nedregulering av mitokondriell aktivitet^164,165 (Fig. 4b). Videre avslørte metabolske pathway-analyser av ECs utsatt for kronisk hypoksi, slik som kan forekomme i medulla eller i sammenheng med CKD, en HIF2 -avhengig oppregulering av glykolytiske gener¹⁶⁶. Interessant nok ble noen glykolytiske gener som Eno1 og Aldoa, som koder for enzymene enolase 1 og aldolase A som er nødvendig for å produsere ATP og pyruvat fra glukose, oppregulert i større grad i mRECs enn i cRECs og gRECs10. Mer spesifikt viste mRECs fra den papillære delen av AVR - det er den delen av renal vaskulær seng som er mest utsatt for hypoksi - det høyeste uttrykket av de glykolytiske genene Aldoa, Ldha og Gapdh blant alle mRECs i mus10. Dermed kan papillære mREC-er vise høyere anaerob glykolytisk fluks enn andre REC-er som et resultat av deres hypoksiske mikromiljø. På samme måte har medullære epitelceller en høyere kapasitet for anaerob glykolytisk ATP-produksjon enn proksimale tubulære celler¹¹⁷. mREC-er oppregulerer også flere glykolytiske gener ved vannmangel, samtidig med den økte HIF2-aktiviteten nevnt ovenfor¹⁰.

I ECs oppreguleres HIF2 delvis etter aktivering av mitokondriell NAD pluss-avhengig deacetylase sirtuin 3 (SIRT3) (ref. 167) (fig. 4b). Tap av SIRT3 svekker hypoksisk signalering i EC og resulterer i defekt angiogenese og mikrovaskulær dysfunksjon, sekundært til en metabolsk overgang fra oksygenuavhengig glykolyse til mitokondriell respirasjon. Denne metabolske bryteren er assosiert med en reduksjon i ekspresjonen av 6-fosfofrukto-2-kinase (PFKFB3), et enzym som fungerer som en positiv regulator av glykolyse og ROS-dannelse¹⁶⁷(Fig. 4b). Ved hypoksi oppregulerer SIRT3 mitokondrielle antioksidantenzymer på en måte avhengig av FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — en transkripsjonsfaktor som også er oppregulert av HIF1¹⁶⁹ (Fig. 4b). Interessant nok er SIRT3–FOXO3 antioksidantveien operativ i gRECs, og forhindrer endotel-til-mesenkymal overgang ognyrefibrose i en dyremodell av angiotensin-II-indusert hypertensjon¹⁷⁰(Fig. 4b). Farmakologiske tilnærminger som øker SIRT3 begrenser også cisplatin-indusert AKI ved å beskytte mot tubulær skade og ved å forbedrenyrefunksjon¹⁷¹. Derimot utviser Sirt3-knockout-mus mer alvorlig AKI, selv om bidraget fra REC til disse effektene ikke er fastslått¹⁷¹. Hvorvidt denne SIRT3–FOXO3 antioksidantveien også er involvert i den fysiologiske responsen til mRECs på hypoksi i medulla gjenstår å bestemme.

Metabolismen av fettsyrer påvirkes også av oksygentilgjengeligheten, siden hypoksi utløser en økning i uttrykket og aktiviteten til fettsyresyntase (FAS), et nøkkelhastighetskontrollerende enzym i fettsyrebiosynteseveien, noe som resulterer i en reduksjon av malonyl -CoA pool og en økning av palmitatnivåer i ECs172 (fig. 4b). I humane lungearterie-ECer fører hemming av FAS til svekkelse av HIF1-stabilisering, og påfølgende HIF1 -mediert endringer i glukosetransport og metabolisme og til gjenoppretting av eNOS-funksjon, noe som tyder på at hemming av fettsyresyntese kan være fordelaktig for EC-funksjon ved hypoksi¹⁷²(Fig. 4b). Inyre, Fans - som koder for FAS - ble oppregulert i en eksperimentell modell for kronisk nyresvikt og bidro til hypertriglyseridemi¹⁷³. Oppregulering av vifter og andre hypoksi-responsive gener ble også observert inyrecortex av en musemodell av sigdcelleanemi som viste progressiv glomerulær og tubulær skade¹⁷⁴. Endret lipidmetabolisme er et kjennetegn ved proteinurisk CKD, og ​​både kliniske og eksperimentelle bevis støtter oppfatningen om at endret lipidmetabolisme kan bidra til patogenesen og progresjonen av nyresykdom¹⁷⁵. Ikke desto mindre, rollen til REC i dysregulert fettsyremetabolisme i sammenheng mednyresykdomgjenstår å avklare ytterligere.

Hypoksi induserer også oppregulering av arginase II på en måte avhengig av aktiveringen av HIF2¹⁷⁶eller HIF1¹⁷⁷, og reduserer syntesen og transporten av dets substrat, arginin, i ECs^178,179(Fig. 4b). Arginase II er et metalloenzym som er spesielt uttrykt inyrerog katalyserer hydrolysen av l-arginin til urea og l-ornitin. Økningen i arginase II-aktivitet reduserer biotilgjengeligheten av arginin, som demper eNOS-aktiviteten, reduserer endotelial NO-produksjon og utløser eNOS-frakobling, noe som til slutt fører til produksjon av ROS og nitrosativt stress¹⁷⁶. Disse trinnene er kritiske for å fremme endoteldysfunksjon, diabetisk nyresykdom ognyrebetennelse i sammenheng med diett-indusert fedme^180,181. Under fysiologiske forhold kommer arginase II hovedsakelig til uttrykk i den ytre medulla, noe som antyder at denne metabolske tilpasningen sannsynligvis ikke forekommer i de mREC-ene som er mest utsatt for hypoksi¹⁸¹.

Til slutt utløser eksponering av papillære mREC-er for akutt hypoksi frigjøring av puriner og ATP, sammen med UTP og UDP, i det ekstracellulære rommet^182–184. ATP aktiverer endotel-P2Y-reseptorer, noe som resulterer i NO-produksjon, vasodilatasjon og økt vevsperfusjon¹⁸⁵. ATP danner også adenosin etter metabolisme av ATP av ektoenzymer^185,186. Viktigere, hypoksi utløser en HIF2 -avhengig oppregulering av adenosin A2a-reseptor (kodet av ADORA2A) i ECs^187,188, hvis aktivering øker HIF1-proteinsyntesen, og fremmer ytterligere glykolytisk genuttrykk og glykolytisk fluks¹⁸⁷(Fig. 4b). I de fleste tilfeller medierer aktivering av A2a- og A2b-reseptorer uttrykt av EC-er og VSMC-er de vasodilatoriske effektene av adenosin frigjort under hypoksi185. Inyre, er forskjellige adenosinreseptorer tilstede i de forskjellige delene av vaskulaturen¹⁸⁹, og ekstracellulær ATP og adenosin spiller nøkkelroller i reguleringen av nyrehemodynamikk og mikrosirkulasjonen^185,190. I medulla produseres adenosin i medullært tykt stigende lem av løkken til Henle (TALH) etter oksidativt stress¹⁹¹og fungerer som en vasodilator, og induserer en økning i medullær blodstrøm via en mekanisme som kan involvere DVR mRECs¹⁹². I motsetning til effektene i de fleste andre kar, utløser adenosin-mediert aktivering av A2a-reseptorer, som er spesielt uttrykt i de afferente arteriolene, vasokonstriksjon av nyrevaskulaturen, og kan dermed påvirke nyreblodstrømmen og glomerulær filtrasjon.^185,193. Merk at en rolle for purinerge reseptorer i CKD-progresjon er identifisert¹⁹⁴.