Hoe acuut nierletsel te herstellen en te behandelen?

Contactpersoon: Audrey Huéaudrey.hu@wecistanche.com

Multi-omic benaderingen van acuut nierletsel en herstel

Louisa MS Gerhardt en Andrew P. McMahon

Abstract

De nier heeft een opmerkelijk regeneratief vermogen. Als reactie op ischemische of toxische schade kunnen proximale tubuluscellen zich vermenigvuldigen om beschadigde tubuli opnieuw op te bouwen en de nierfunctie te herstellen. Echter, ernstigeacuut nierletsel(AKI) of terugkerende AKI (acuut nierletsel) gebeurtenissen kunnen leiden tot onaangepast herstel en ziekteprogressie van AKI (acuut nierletsel) totchronische nierziekte(CKD). De toepassing van eencellige technologieën heeft weken na AKl . beschadigde proximale tubuluscellen geïdentificeerd (acuut nierletsel), onderscheiden door een pro-inflammatoire senescente moleculaire signatuur. Epigenetische studies hebben dynamische veranderingen in het chromatinelandschap van de nier na AKI . aan het licht gebracht (acuut nierletsel)en hebben belangrijke transcriptiefactoren beschreven die verband houden met de AKI (acuut nierletsel) antwoord. De integratie van multi-omic-technologieën opent nieuwe mogelijkheden om ons begrip van AKI te verbeteren (acuut nierletsel) en de drijvende krachten achter de AKl (acuut nierletsel)-naar-CKD-transitie, met als uiteindelijk doel het ontwerpen van op maat gemaakte diagnostische en therapeutische strategieën om AKI te verbeteren (acuut nierletsel) resultaten en voorkomennierziekteprogressie.

trefwoorden: Acuut nierletsel, Multi-omics, Epigenomics, single-cell RNA-sequencing, ATAC-sequencing.

Invoering

Acuut nierletsel(AKI), gediagnosticeerd door een plotselinge toename van serumcreatinine en/of afname van het urinevolume, is een veelvoorkomende aandoening die gepaard gaat met verhoogde morbiditeit en mortaliteit, evenals aanzienlijke kosten voor de gezondheidszorg [1e4]. Het huidige bewijs suggereert bijvoorbeeld dat ten minste 25 procent van alle in het ziekenhuis opgenomen COVID-19-patiënten AKI ontwikkelt (acuut nierletsel) en dat deze patiënten een significant hoger sterfterisico hebben dan COVID-19-patiënten zonder AKI (acuut nierletsel) [5]. Patiënten die AKI overleven (acuut nierletsel) lopen een verhoogd risico op overgang naar chronische nierziekte en nierziekte in het eindstadium [3,4,6]. Volgens het US Renal Data System-jaarrapport van 2018 heeft slechts 52,6 procent van de gehospitaliseerde Veteran Affairs-patiënten, die de AKI ontmoetten (acuut nierletsel)diagnosecriteria, kregen de diagnose AKI (acuut nierletsel), waarin wordt opgeroepen tot meer bekendheid voor AKI (acuut nierletsel) in ziekenhuisroutines [7]. Bovendien kan een vroege diagnose van AKI (acuut nierletsel)wordt beperkt door een gebrek aan gevoelige biomarkers en beschikbare behandelingsopties voor AKI (acuut nierletsel) blijven vertrouwen op hemodynamische optimalisatie, vermijding van nefrotoxiciteit en nierfunctievervangende therapie.

Proximale tubuluscellen, het meest voorkomende celtype in de nier, zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de reabsorptie van niervocht en opgeloste stoffen en zijn naar voren gekomen als belangrijke spelers in adaptieve en onaangepaste reacties op AKI (acuut nierletsel) [8]. Vanwege hun hoge metabole activiteit en afhankelijkheid van oxidatief metabolisme, leidt ischemie snel tot ATP-depletie, accumulatie van reactieve zuurstofsoorten en uiteindelijk apoptose of necrose van proximale tubuluscellen (Figuur 1). Proximale tubuluscellen die een ischemische gebeurtenis overleven, hebben het vermogen om beschadigde tubuli te dedifferentiëren, te prolifereren en opnieuw op te bouwen, waardoor ze een essentiële rol spelen in het adaptieve herstelproces om de nierfunctie te herstellen [9-11]. Onaangepaste proximale tubuluscellen, gekenmerkt door een pro-inflammatoir en profibrotisch fenotype, zijn echter ook betrokken bij ziekteprogressie van AKI (acuut nierletsel) tot chronische nierziekte (CKD), een complex proces waarbij ontsteking, vasculaire verdunning en extracellulaire matrixproductie door geactiveerde pericyten en myofibroblasten betrokken zijn (Figuur 1) [8,12]. Omics-technologieën die genomische organisatie, genexpressie en eiwitproducten onderzoeken, zoals assay voor transposase-toegankelijke chromatine met behulp van respectievelijk sequencing (ATAC-seq), mRNA-sequencing en massaspectrometrie, hebben het moleculair inzicht in cellulaire responsen die zijn geïnitieerd door AKI drastisch verbeterd (acuut nierletsel). Meest recent hebben eencellige toepassingen van deze benaderingen de studie van cellulaire gebeurtenissen mogelijk gemaakt met een ongekend hoge resolutie. Deze en andere multi-omics-benaderingen houden de belofte in van een uitgebreid begrip van de regulerende mechanismen die nieraandoeningen beheersen, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de ontdekking van biomarkers en geneesmiddelen. Dit manuscript geeft een overzicht van recente bevindingen waarbij omics-technologie is toegepast op:nierbeschadigingen reparatie en overweegt toekomstige toepassingen van multi-omic benaderingen om het begrip en de behandeling vannierbeschadigingennierziekte.

Figuur 1:Overzicht van AKI en processen.

Proximale tubuluscellen zijn zeer vatbaar voor ischemie, wat kan leiden tot celdood door apoptose en gereguleerde (pyroptose, ferroptosis, necroptosis) evenals niet-gereguleerde necrose en vervelling van zowel dode als levensvatbare cellen in het tubulaire lumen. Overlevende proximale tubuluscellen (PTC's) kunnen dedifferentiëren en prolifereren om de nierarchitectuur en -functie te herstellen; een onaangepast herstel kan echter ook leiden tot ziekteprogressie tot chronische nierziekte (CKD). Dit proces wordt gekenmerkt door vasculaire verdunning, differentiatie van pericyt tot myofibroblasten, versterkte afzetting van fibreuze extracellulaire matrix (ECM), tubulair verlies en chronische ontsteking. Nfkb1 plus mislukte reparatie-PTC's, gekenmerkt door een senescentie-geassocieerd secretoir fenotype (SASP), spelen waarschijnlijk een belangrijke rol in de AKI (acuut nierletsel)-naar-CKD overgang.

genomica

Genomische studies hebben tot doel de genetische basis van ziekte te identificeren door hypothesegestuurde gerichte sequencing van kandidaatgenen of hypothesevrije sequencing van het hele genoom. Hier zullen we ons concentreren op genoombrede associatiestudies (GWAS) die een onbevooroordeelde benadering gebruiken om sequentievarianten over het hele genoom in kaart te brengen voor fenotypische kenmerken zoals ziektekenmerken en kandidaat-genidentificatie voor mechanistische studies mogelijk te maken (Figuur 2). Vergeleken met andere ziektekenmerken is het beschikbare aantal GWAS dat de genetische achtergrond van AKI onderzoekt (acuut nierletsel) is schaars. Dit is gedeeltelijk te wijten aan de complexe en heterogene aard van AKI (acuut nierletsel) als een ziektekenmerk. AKI (acuut nierletsel) kan worden veroorzaakt door een groot aantal verschillende factoren, zoals ischemie, sepsis, nefrotoxische geneesmiddelen en obstructieve nefropathie. Huidig ​​bewijs suggereert dat de onderliggende moleculaire en cellulaire mechanismen van AKI (acuut nierletsel) hebben oorzaakspecifieke componenten [13,14], maar de consensusdefinitie van AKI (acuut nierletsel) — een verandering in serumcreatinine en urineproductie — houdt geen rekening met verschillende AKI (acuut nierletsel) oorzaken.

Een vereenvoudigde workflow voor een genoombrede associatiestudie (GWAS) wordt geïllustreerd (linksboven). Om een ​​associatie tussen genetische varianten en een specifieke eigenschap te bestuderen, wordt sequencing van het hele genoom of genotypering met behulp van single-nucleotide polymorphism (SNP) arrays uitgevoerd op een populatie en worden statistische associatietests gebruikt om SNP's te identificeren die verband houden met de eigenschap van belang. Voor eencellige RNA-sequencing (rechtsboven) wordt een eencellige suspensie bereid, enkele cellen worden geïsoleerd en de mRNA-moleculen uit de cel (of kern) worden op bolletjes gevangen voor daaropvolgende omzettingen in cDNA. cDNA wordt geamplificeerd en sequenties worden bepaald door next-generation sequencing (NGS) en sequentietoewijzing aan het genoom. Voor epigenomische analyse (rechtsonder), wordt een test voor transposase-toegankelijk chromatine (ATAC) gevolgd door NGS en sequentietoewijzing om de toegankelijkheid van chromatine in het hele genoom te visualiseren. Hyperactief Tn5-transposase (Tn5) wordt gebruikt om plaatsen van open chromatine specifiek te splitsen en tegelijkertijd sequencing-adapters voor NGS in te voegen. Regio's met een verhoogde toegankelijkheid van chromatine worden weergegeven als ATAC-pieken. Voor proteomics-analyse door massaspectrometrie (linksonder), worden eiwitten geëxtraheerd, verteerd tot peptiden en geïoniseerd. In de massaspectrometer worden ionen versneld, onderworpen aan een magnetisch veld en wordt hun massa-tot-ladingverhouding gemeten, wat identificatie en kwantificering van eiwitten mogelijk maakt.

Tot op heden ondervroegen twee grotere GWAS de genetische achtergrond van AKI (acuut nierletsel). De eerste studie toonde een verband aan van enkelvoudige nucleaire polymorfismen (SNP's) in de GRM7 LMCD1-AS1 en de BBS9-locus met coronaire bypass-graftchirurgie-gerelateerde AKI (acuut nierletsel) in een ontdekkingscohort van 873 patiënten en een replicatiecohort [15]. De tweede combineerde patiënten uit twee verschillende cohorten om een ​​ontdekkingspopulatie van 1429 ernstig zieke patiënten te vormen en identificeerde vier AKI (acuut nierletsel)-geassocieerde SNP's in de nabijheid van ofwel de interferonregulerende factor 2 (IRF2) of de transcriptiefactor T-box 1 (TBX1) [16]. Interessant is dat IRF2 is gekoppeld aan pyroptose en een regulerende rol speelt in het immuunsysteem [17,18] en TBX1 maakt deel uit van de T-box-genfamilie, een groep transcriptiefactoren met een belangrijke rol bij het lot van de cel en de regulatie van de celtoestand [19] ]. Echter, de associatie tussen AKI (acuut nierletsel) en deze loci konden niet worden gereproduceerd in een prospectief cohort van ernstig zieke patiënten, die specifiek waren gegenotypeerd voor de geïdentificeerde SNP's [20]. Dit onderstreept de noodzaak van nog grotere steekproeven voor toekomstige AKI (acuut nierletsel) GWAS en illustreert de moeilijkheid bij het identificeren van robuuste genetische risicofactoren voor heterogene ziekten zoals AKI (acuut nierletsel).

Bovendien zullen expressie kwantitatieve trait loci (eQTL)-analyses waarschijnlijk helpen bij de vertaling van inzichten verkregen door GWAS naar ziektemechanismen. OTL-analyses zijn bedoeld om loci te identificeren die een fractie van de genexpressievariantie in weefsel verklaren en kunnen worden gebruikt om SNP's in het niet-coderende genoom te koppelen aan genexpressie als doelwit. Een integratieve benadering waarbij GWAS, eOTL en functionele experimenten werden gecombineerd, leidde bijvoorbeeld tot de identificatie van genen die betrokken zijn bij de pathogenese van CKD [21-23].

Figuur 2:Schema van geselecteerde omics-technologieën.

transcriptomics

De komst van nieuwe schaalbare technologieën om het transcriptoom van cellen in de beschadigde nier te bestuderen, heeft een revolutie teweeggebracht in ons begrip van de cellulaire reacties op AKI (acuut nierletsel), het blootleggen van nieuwe celtoestanden en het benadrukken van het dynamisch veranderende transcriptionele landschap van de herstellende nier. Nierbulk mRNA-sequencing in de loop van een jaar na AKI (acuut nierletsel) toonden temporeel-specifieke veranderingen in genexpressie gerelateerd aan tubulaire schade, proliferatie, reparatie, fibrose en immuniteit [24]. Deze muis AKI (acuut nierletsel) biobankgegevens toonden aan dat ontstekingsgerelateerde genen een jaar na AKI nog steeds werden opgereguleerd (acuut nierletsel), wat wijst op aanhoudende ontsteking als een drijvende factor van ziekteprogressie naar CKD. Bulk-mRNA-sequencing van routinematige niertransplantatiebiopten maakte het mogelijk om de korte- en langetermijntranscriptieveranderingen in menselijke niertransplantaties te profileren die worden veroorzaakt door de ischemie/reperfusiebeschadiging (IRI) tijdens transplantatie [25]. Alle nierbiopten werden genomen in de eerste uren na reperfusie en vertoonden een vergelijkbaar transcriptioneel profiel dat wordt gekenmerkt door de activering van genen met onmiddellijke tot vroege respons, waarvan vele coderen voor transcriptionele regulerende factoren.

Op 3 en 12 maanden na transplantatie konden echter twee uiteenlopende trajecten worden onderscheiden die verband houden met ofwel herstel ofwel progressie naar CKD. Het CKD-achtige traject toonde neerwaartse regulatie in de expressie van genen gerelateerd aan mitochondriale biogenese en opregulatie van ontsteking- en fibrose-geassocieerde genen, zoals waargenomen in het muismodel van AKI (acuut nierletsel) [24,25]. Zowel studies bij muizen als bij mensen suggereren een prominente rol voor T- en B-celactiviteit en het verschijnen van centra van tertiair lymfoïde weefsel in langetermijnresultaten van AKI (acuut nierletsel) [25,26]. Analyse van de muis AKI (acuut nierletsel) datasets van biobanken en menselijke niertransplantatie pleiten voor een auto-antigeen-gedreven B-celactiviteit, die ziekteprogressie bevordert door een aanhoudende immuunrespons, een jaar na AKI (acuut nierletsel) [27].

Hoewel bulk-mRNA-sequencing zeer informatief is gebleken in AKI (acuut nierletsel) studies, celtype-specifieke reacties worden niet gedifferentieerd door deze techniek. Genetische benaderingen voor het labelen van verschillende celtypen zorgen voor meer precisie en extra inzicht. Het vertalen van ribosoomaffiniteitszuivering (TRAP) maakt bijvoorbeeld gebruik van een eGFP-tagging van de L10a-ribosomale subeenheid om de specifieke mRNA-subset te identificeren in individuele celtypen die actieve translatie ondergaan [28]. De eerste TRAP-studie in AKI (acuut nierletsel) onderzoek maakte gebruik van een genetisch model van door CRE-recombinase gemedieerde activering van de eGFP-L10a-cassette, specifiek in nefron-, stromale, vasculaire of immuunceltypes en toonde duidelijke transcriptionele veranderingen gekoppeld aan elk cellulair compartiment na AKI (acuut nierletsel) [29]. Veel genen gerelateerd aan de niertubulaire functie werden 24 uur na AKI gedownreguleerd (acuut nierletsel). Daarentegen werden genen die betrokken zijn bij anti-apoptotische route-activiteit, celproliferatie en celbeweging duidelijk opgereguleerd. TRAP-analyse van proximale tubuluscellen gemarkeerd door de verwondingsmarker Kim-1(gecodeerd door Hazel) toonde aan dat de meerderheid van de Kim-1-positieve cellen twee weken na AKI succesvol was hersteld (acuut nierletsel), hoewel 15 procent expressie van Kim-1 en de verwondingsmarker Sox9 [10] behield, wat wijst op een aanhoudend beschadigde celtoestand [30]. Klonale analyse onthulde dat de expansie van Kim-1-positieve klonen beschadigde proximale tubuli opnieuw bevolkte, wat een herstelmodel ondersteunt door dedifferentiatie van proximale tubuluscellen, in plaats van door een specifieke stam-/voorlopercelpopulatie [30]. De transcriptie FoxMI was sterk opgereguleerd in Kim-1-positieve proximale tubuluscellen en er werd aangetoond dat het proximale tubulusproliferatie in zitro stimuleert op een epidermale groeifactorreceptor-afhankelijke manier [30]. High-throughput single-cell mRNA-sequencingbenaderingen, het onderzoeken van mRNA-sequencingprofielen van hele cellen (scRNA-seq) of nucleair gelokaliseerde mRNA-transcripten (snRNA-seq), hebben AKI drastisch verbeterd (acuut nierletsel) studie. Deze benaderingen bieden een diep moleculair inzicht in genexpressie op celniveau in combinatie met krachtige computationele benaderingen, waarbij variabele celtypen en celtoestanden door het hele orgaan worden geïdentificeerd [31,32]. scRNA-seq gaat uit van een suspensie van enkele cellen of enkele kernen, die zijn gelabeld met unieke moleculaire tags en gelyseerd (Figuur 2). Het mRNA wordt vervolgens omgekeerd getranscribeerd, geamplificeerd en gesequenced. Een snRNA-seq-studie op nieren die werden onderworpen aan eenzijdige ureterale obstructie (UUO) identificeerde twee nieuwe proximale tubuluscelclusters 14 dagen na UUO, waarvan er één een sterke proliferatieve signatuur had, terwijl de andere genen tot expressie bracht die betrokken zijn bij ontsteking en celbewegingen, zoals zoals Ccl2, II34, Cxcll en Dock10 [33].

Een vergelijkbare celpopulatie is duidelijk in een snRNA-seq-onderzoek waarin de gewonde nier na IRI wordt geprofileerd [34]. In de eerste uren na IRI is er een neerwaartse regulatie van de normale genexpressie van de proximale tubulus en een duidelijke transcriptionele respons, waaronder directe vroege genen en de bekende letselmarkers HuverI en Krt20 [24,25,34]. Op dag twee na IRI vertoonde een groot deel van de proximale tubuluscellen ofwel een proliferatief profiel of herwon de t-transcriptiesignatuur die kenmerkend is voor gedifferentieerde proximale tubuluscellen. Een kleine populatie van pro-inflammatoire, profibrotische cellen, gekenmerkt door expressie van Vcaml in de meeste cellen en co-expressie van Cal2 in een subset, voorspelde echter de activiteit van de NF-KB-familie van transcriptiefactoren. Terwijl prolifererende proximale tubuluscellen twee weken na AKI afnamen (acuut nierletsel), namen pro-inflammatoire, profibrotische proximale tubuluscellen toe, wat een verband suggereert tussen mislukte tubulaire reparatie en de waargenomen pro-inflammatoire, profibrotische celpopulatie (Figuur 1). Interessant is dat deconvolutie-analyse van bulk-RNA-sequencing-onderzoeken suggereerde dat een vergelijkbare populatie toenam naarmate de nier normaal ouder werd en na transplantatie.

In lijn met de bovengenoemde studie [34], een genetisch selectieve focus op beschadigde proximale tubuluscellen vier weken na een mildere AKI (acuut nierletsel), die Krt20-T2A-CRE-ERT2-muizen gebruikten om beschadigde proximale tubuluscellen te labelen en te zuiveren, vertoonden een vergelijkbaar beschadigd cellulair fenotype: een populatie van VcamI/Cal2 plus beschadigde proximale tubuluscellen die zich verder onderscheidde door een sterke pro-inflammatoire ( bijv. Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) en profibrotische (egPdgfb, ColAal) transcriptionele handtekening, met duidelijke activering van NF-KB-, TNF- en AP-1-signalering [35]. Deze beschadigde proximale tubuluscellen deelden kenmerken van een senescentie-geassocieerd secretoir fenotype (SASP) geïdentificeerd in andere beschadigde organen (Figuur 1) [35,36]. In tegenstelling tot eerdere AKI (acuut nierletsel) studies [12], werd bij deze populatie geen significante stopzetting van de G2/M-celcyclus waargenomen. Aanvullende lot-mapping-experimenten van cyclische cellen toonden aan dat de meerderheid van VcamI plus /Cal2 plus proximale tubuluscellen, gelokaliseerd op de corticomedullaire grens, terug te voeren is op proximale tubuluscellen die prolifereren in de eerste dagen na AKI (acuut nierletsel). Corticale Vuamt plus /Cu2 proximale tubuluscellen vertegenwoordigden echter waarschijnlijk secundaire plaatsen van letsel, niet gerelateerd aan vroege replicatie-geassocieerde proximale tubulusreparatie.

uitgebreide atlas van de verwondingsreactie op A unilateral-ischemia reperfusion (UIR) die scRNA-seq uitvoert op meerdere tijdstippen van dag één tot dag 14 nadat UIR een verhoogde expressie onthulde in beschadigde cellen van Sox4 en Cd24a, genen geïdentificeerd voor rollen in nierontwikkeling [37]. Een nieuwe celpopulatie, 'gemengde identiteitscellen', werd ook gerapporteerd met co-expressie van de proximale tubulus (Sl34a7), dikke oplopende ledemaat (Umod) of verzamelbuis (Agp2) markers. scRNA-seq-gegevens van foliumzuurnefropathie bij muizen en UUO-modellen toonden aan dat verminderde expressie van differentiatiemarkers zoals opgeloste stofdragers in beschadigde proximale tubuluscellen geassocieerd is met downregulatie van genen die betrokken zijn bij metabole processen, zoals vetzuuroxidatie [38]. De nucleaire receptor Esrra werd geïdentificeerd als een belangrijke schakel tussen proximale tubulusdifferentiatie en metabolisme omdat het de expressie van metabole en proximale tubulusspecifieke genen direct reguleerde. Deze en andere scRNA-seq-onderzoeken hebben ook een voorheen niet gewaardeerde diversiteit aan immuuncellen in de zieke nier aan het licht gebracht [38,39].

Een belangrijke beperking van alle besproken transcriptomics technieken is de afwezigheid van ruimtelijke informatie. Nieuwe transcriptomics-platforms maken het nu mogelijk om mRNA-expressie ruimtelijk te visualiseren door weefselsecties rechtstreeks op unieke barcodes te gloeien en te fixeren, de weefselsectie af te beelden en in situ reverse transcriptie uit te voeren gevolgd door probe-afgifte en sequencing [40]. De transcriptomen waarvan de sequentie is bepaald, kunnen vervolgens worden teruggezet op de afgebeelde weefselsectie. Deze ruimtelijke transcriptomics-technologie maakte de specifieke lokalisatie mogelijk van de twee transcriptioneel verschillende celtypen van het proximale tubulussegment S3 [41] naar de cortex en de buitenste streep van de buitenste medulla [42]. In verschillende muizen-AKI (acuut nierletsel) modellen, deconvolutie van individuele ruimtelijke transcriptomische vlekken met behulp van scRNA-seq-gegevens onthulden AKI (acuut nierletsel) modelspecifieke patronen van immuuncelinfiltratie en maakten de identificatie mogelijk van een afzonderlijke Af3-tot expressie brengende proximale tubuluscelpopulatie, colokaliserend met neutrofielen na IRI [43]. Deze studies illustreren het potentieel voor ruimtelijk-temporele omics om micro-omgevingscontroles op cellulaire reacties na AKI te voorspellen (acuut nierletsel).

Epigenomica

Celtype-specifieke programma's van differentiële genexpressie zijn afhankelijk van epigenetische modificatie van chromatine (bijvoorbeeld histonmethylering en acetylering) en DNA (bijvoorbeeld door cytosinemethylering op CpG-residuen) als reactie op DNA-bindende transcriptionele regulatoren en geassocieerde factoren. Een toenemend aantal bewijzen suggereert een belangrijke regulerende rol voor epigenetische mechanismen in AKI (acuut nierletsel) en nierherstel [44-46]. Gezien uitstekende diepgaande beoordelingen[44-47], lichten we slechts kort geselecteerde recente epigenomica-onderzoeken in AKI toe (acuut nierletsel) Onderzoek.

Positively charged histone proteins provide the core for packing negatively charged DNA, through electrostatic interactions, into nucleosomes — the structural unit of chromosomes[44]. Modifications to the amino-terminal tails of histones alter the chromatin structure or recruit chromatin modifiers, thus altering gene expression. An unbiased mass spectrometry screen of 63 different histone marks in the healthy kidney revealed widespread histone modifications with a compartment-specific pattern [48]. In this bulk tissue analysis, few histone marks showed a quantitatively significant change >5 procent na UUO. Interessant is dat complementaire veranderingen in verschillende markeringen op hetzelfde aminozuur werden gerapporteerd, wat een gecoördineerde reactie op AKI suggereert (acuut nierletsel) [48].

H3K4me3-gemarkeerde promotors werden vergeleken met H3K27ac-gemarkeerde versterkers na AKI (acuut nierletsel) met behulp van chromatine-immunoprecipitatie en sequencing van de volgende generatie (ChIP-seq) [49]. Actieve enhancer-sites vertoonden een meer dynamische verandering in reactie op AKI (acuut nierletsel). Chromatine-modificaties op actieve versterkerplaatsen waren geassocieerd met veranderde binding van transcriptiefactoren zoals Hnf4a, Gr en Stat3.Hnf4a is een sleuteltranscriptiefactor in de specificatie en differentiatie van proximale tubuluscellen [50]. Hnf4a-binding aan versterkerelementen die actief zijn in normaal proximale tubuluscellen namen af ​​als reactie op AKI (acuut nierletsel) [49]. Dit draagt ​​waarschijnlijk bij aan de AKI (acuut nierletsel)-geïnduceerde dedifferentiatie van beschadigde proximale tubuluscellen. Stat3 is een belangrijke transcriptionele regulator in een inflammatoir netwerk met NF-KB en activator-eiwit-1(AP-1) regulerende factoren [51].AP-1-pathway-activering is sterk geconserveerd als een initiële reactie op muis AKI (acuut nierletsel) en humane niertransplantatie-geassocieerde IRI [24,25].Stat3-betrokkenheid op de Junb-locus als reactie op AKI (acuut nierletsel) suggereert een rol voor Stat3-inactivering van AP-1-transcriptiecomponenten[49]. Bovendien verminderde remming van bromodomein en extra-terminale (BET)-afhankelijke versterkeractivering het herstel na AKI (acuut nierletsel), waarbij de belangrijke rol van enhancer-dynamiek in AKI . wordt benadrukt (acuut nierletsel)reparatie[49].

ATAC-seq is de meest gebruikte methode geworden voor het beoordelen van de openheid van chromatine en het afleiden van activiteit van regulerende en getranscribeerde genomische regio's. De ATAC-seq-technologie is snel geëvolueerd van gevoelige bulkweefselanalyses met slechts 500 cellen naar enkelvoudige nucleaire analyse en meest recentelijk parallelle analyse van de chromatinetoestand en genexpressie in dezelfde cel [41,52-54]. ATAC-seq gebruikt hyperactieve Tn5-transposase om op open chromatine te knippen en DNA te taggen met DNA-adapters om bibliotheekconstructie en DNA-sequencing te vergemakkelijken (Figuur 2). Gezien slechts twee doellocaties in elk genoom, zijn ATAC-gegevens schaars, en snATAC-onderzoeken maken gebruik van computationele benaderingen om cellen met vergelijkbare snATAC-profielen te groeperen en om te integreren met onafhankelijk gegenereerde sc- of snRNA-seq-gegevenssets. Een recente studie profileerde de cellulaire heterogeniteit in gezonde volwassen menselijke niermonsters met computationeel geïntegreerde snATAC-seq en snRNA-seq datasets [55]. Interessant genoeg identificeerde de studie een subpopulatie van VCAM1-tot expressie brengende proximale tubuluscellen, die verminderde activiteit van HNF4A en verhoogde activiteit van NF-KB-familieleden vertoonden, gedeeltelijk lijkend op pro-inflammatoire, profibrotisch beschadigde proximale tubuluscellen geïdentificeerd in de muizennier verschillende weken na AKI (acuut nierletsel) [34,35,55]. De overvloed van deze celpopulatie nam in de loop van de tijd toe bij ouder wordende muizen en was hoger in menselijke diabetische nieren dan in gezonde controles. Sommige cellulaire reacties lijken dus te behouden tussen verschillende nierziekten en tussen soorten. In hoeverre draagt ​​deze celpopulatie echter bij aan leeftijdsgerelateerd verlies van nierfunctie en?nierziekteprogressie vereist nader onderzoek.

Celtypedetectie en regelgevende voorspellingen worden verbeterd door snRNA-seq en snATAC-seq in dezelfde kern te analyseren [41]. Deze techniek is onlangs gebruikt om gezond menselijk nierweefsel en AKI te karakteriseren (acuut nierletsel) en CKD-biopten die nieuwe celdiversiteit in de normale nier onthullen en vergelijkbare letseltoestanden bij muis en menselijke AKI benadrukken (acuut nierletsel), evenals veranderde dikke celtoestanden van oplopende ledematen die worden gekenmerkt door expressie van Proml en Dcd2 [56]. Bovendien lokaliseerden ruimtelijke transcriptomics myofibroblasten en immuuncellen in CKD-monsters naar plaatsen van proximale tubulusbeschadiging [56].

Cistanche herstelt verminderde nierfunctie

Proteomics en metabolomics

De studie van eiwitten en metabolieten in plasma, urine en nierweefsel met behulp van gelelektroforese en massaspectrometrie vormt een aanvulling op transcriptomische en epigenomische hulpmiddelen. Massaspectrometrie kan macromoleculen (bijv. eiwitten) en cellulaire metabolieten in een complex weefsel identificeren en kwantificeren, waarbij moleculair verschillende massaladingseigenschappen van moleculen worden gemeten wanneer ze worden geïoniseerd en onderworpen aan een magnetisch of elektrisch veld (Figuur 2) [57]. Veel proteomics-onderzoeken zijn gericht op de identificatie van biomarkers voor AKI (acuut nierletsel)(uitgebreid elders beoordeeld[57-59]). Zo is aangetoond dat de niveaus van de urineweefselremmer metalloproteïnase-2(TIMP2) en IGF-bindend eiwit-7(IGFBP7) voorspellend zijn voor overlijden en nierfalen bij ernstig zieke patiënten met AKI (acuut nierletsel) [60]. Behandeling van co-positieve patiënten met TIMP2 en IGFBP7 met ondersteunende zorgmaatregelen volgens de richtlijnen van Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) voor patiënten met een hoog risico op AKI(acuut nierletsel)) verminderde AKI (acuut nierletsel) ontwikkeling in de eerste 72 uur na hartchirurgie, maar had geen invloed op de mortaliteit en de noodzaak van nierfunctievervangende therapie [61]. Deze resultaten en bevindingen van andere biomarkerstudies zijn bemoedigend; echter de ideale biomarker of waarschijnlijker biomarkerpaneel voor AKI (acuut nierletsel)risicobeoordeling, gerichte AKI (acuut nierletsel)preventie, voorspellende diagnose en mogelijk zelfs therapeutische begeleiding in de dagelijkse klinische praktijk moet nog worden geïdentificeerd.

Naast de drang naar effectieve AKI (acuut nierletsel) biomarkers, kunnen proteomics ook worden gebruikt om AKI te ondervragen (acuut nierletsel) pathofysiologie [62]. Een preklinische studie van door cisplatine geïnduceerde AKI (acuut nierletsel)onthulde een zwakke correlatie tussen transcriptoom en proteoom in de beschadigde nier [63]. De studie suggereerde dat de discrepantie tussen de twee benaderingen werd veroorzaakt door eiwitveranderingen in het extracellulaire compartiment, bijvoorbeeld in het complementsysteem [63]. Interessant is dat de mate van dissociatie tussen RNA- en eiwitexpressie sterk gecorreleerd was met de ernst van de verwonding, zoals aangegeven door serumcreatinine- en bloedureumstikstofniveaus [63]. Dit benadrukt de relevantie van post-transcriptionele veranderingen in de AKI (acuut nierletsel)antwoord.

Onlangs is bijna-eencellige proteomics-profilering gebruikt, die kwantitatieve proteomische metingen van slechts 10 tot 100 lasergevangen microdissected niercellen mogelijk maakt, om eiwitten te identificeren die specifiek zijn voor het glomerulaire en het proximale tubulaire compartiment in de gezonde nier [64] . Enkele van de meest verrijkte compartimentspecifieke eiwitten correleerden goed met de expressie van het overeenkomstige gen in respectievelijk de podocyte en de proximale tubuluscluster van een scRNA-seq-gegevensset. Bovendien kunnen meer dan 40 eiwitmarkers gelijktijdig worden gedetecteerd op een enkele weefselsectie door massacytometrie (IMC) af te beelden, waardoor de studie van het proteoom in ruimtelijke context mogelijk wordt [65]. IMC van de gezonde menselijke nier onthulde onverwachte cellulaire heterogeniteit en identificeerde een zeldzaam megaline/aquaporine-1/vimentine (Lrp2/Aqp1/Vim)-positief celtype dat mogelijk een afspiegeling is van een gewonde (Vim plus) proximale tubulus (Lrp2 plus /Aqp1 plus ) celstatus [65]. De toepassing van deze technologieën op AKI (acuut nierletsel) onderzoek zal kritische inzichten verschaffen in het proteomische landschap van letsel en herstel.

De studie van het niermetaboloom (moleculen kleiner dan 1500 Da [62]) heeft het begrip van AKI verder verbeterd (acuut nierletsel) pathofysiologie.

metabolomisch

profilering van beschadigd nierweefsel met behulp van vloeistofchromatografie-massaspectrometrie leidde tot de bevinding dat de neo-nicotinamide-adenine-dinucleotide(NAD plus)-synthese is aangetast bij AKI (acuut nierletsel) [66]. Downregulatie van de mitochondriale biogenese-regulator PGCla in AKI (acuut nierletsel) resulteerde in lokale NAD-plus-depletie, terwijl PGC1-overexpressie de renale NAD-plus-spiegels verhoogde en AKI verminderde (acuut nierletsel) [66]. Onpartijdige urinescreens hebben ook verhoogde niveaus van de NAD plus precursor-chinoline in de urine van muizen aangetoond na IRI [67] als gevolg van een vermindering van renale chinoline-fosforibosyltransferase (QPRT), een sleutelenzym in de novo NAD plus-synthese [67]. Verlaagde renale QPRT-spiegels waren geassocieerd met hogere AKI(acuut nierletsel)) gevoeligheid [67]. Orale behandeling met nicotinamide redde AKI (acuut nierletsel)-geïnduceerde renale NAD plus biosynthetische deficiëntie bij muizen, en een kleine klinische fase 1-studie heeft een mogelijk renaal voordeel van nicotinamide-behandeling gesuggereerd bij patiënten die een hartoperatie ondergaan [67]. Een metabolomics-studie van menselijke niertransplantatiebiopten, voor en na reperfusie, toonde een duidelijk ander metabool profiel van transplantaties met toekomstige vertraagde transplantaatfunctie in vergelijking met transplantaten zonder vertraagde transplantaatfunctie [68]. Transplantaten met een toekomstige vertraagde transplantaatfunctie werden gekenmerkt door aanhoudend ATP/GTP-katabolisme, wat suggereert dat het vroege herstel van energiehomeostase een therapeutisch doel is bij AKI (acuut nierletsel) preventie [68]. Massaspectrometriebeeldvorming (MSI) is een krachtige techniek die wordt gebruikt om de ruimtelijke verdeling van metabolieten, eiwitten of lipiden te visualiseren, met cellulaire en subcellulaire resolutie [69]. MSI-analyse van beschadigde nieren toonde aan dat lipidomic e ch coll .x7rr gebruikte om onderscheid te maken tussen milde en ernstige ischemie al 2 uur na verwonding [70,71].

Conclusies en perspectief

Beschikbare omics-technologieën hebben ons begrip van AKI (acuut nierletsel) en repareren. De integratie of gelijktijdige acquisitie van verschillende omics-datasets zal de inzichten in AKI verder verbeteren (acuut nierletsel), en bevestigende bevindingen van orthogonale benaderingen zullen extra vertrouwen geven aan geïdentificeerde mechanismen. Met de investering van het NIDDK in verschillende grote consortia, waaronder het Kidney Precision Medicine Project en het Rebuilding a Kidney Program, ontstaan ​​nieuwe inzichten, hulpmiddelen en informatiebronnen. De grote uitdaging van dit tijdperk van 'big data' is om biologisch relevante mechanismen af ​​te leiden uit zeer complexe datasets om de toegang tot deze data te democratiseren via gebruiksvriendelijke kijk- en data-analyseplatforms, en uiteindelijk om onze toenemende pathofysiologische inzichten te vertalen naar diagnostische en therapeutische strategieën die de patiëntenzorg en AKI verbeteren (acuut nierletsel) uitkomsten.

Verklaring van concurrerend belang

De auteurs verklaren de volgende financiële belangen/persoonlijke relaties die kunnen worden beschouwd als potentiële concurrerende belangen: AP is een wetenschappelijk adviseur over niergerelateerde benaderingen van ziekten bij de mens voor Novartis, eGenesis, Aviva en Trestle Biotherapeutics.

Dankbetuigingen

Onze excuses aan alle onderzoekers wiens werk niet kon worden besproken vanwege ruimtebeperkingen. Wij danken Dr. Pietro E.Cippà voor de kritische lezing van het manuscript. LMS Gerhardt werd ondersteund door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG), Duitsland met een postdoctorale beurs (GE 3179/1-1). Het werk in het laboratorium van AP McMahon wordt ondersteund door subsidies van de NIDDK, Verenigde Staten (DK126024,54364,126925) en ChanZuckerberg Initiative, Verenigde Staten (CZIF2019-002430).

Referenties

Papers van bijzonder belang, gepubliceerd tijdens de beoordelingsperiode, zijn gemarkeerd als:

1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Acuut nierletsel, mortaliteit, verblijfsduur en kosten bij gehospitaliseerde patiënten. JASN (J Am Soc Nephrol) 2005, 16:3365-3370.

2. Mehta RL, Cerda J, Burdmann EA, Tonelli M, Garcia-Garcia G, Jha V, Susantitaphong P, Rocco M, Vanholder R, Sever MS, et al: het 0by25-initiatief van de International Society of Nephrology vooracuut nierletsel(nul vermijdbare sterfgevallen in 2025): een mensenrechtenzaak voor nefrologie.Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Hsu RK, Hsu CY: de rol vanacuut nierletselbij chronische 3. H nierziekte. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.

4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Acuut nierletselen chronische nierziekte als onderling verbonden syndromen. N Engl J Med 2014,371:58-66.

5. Legrand M, Bell S, Fomi L, Joannidis M, Koyner JL, Liu K, 5, 1; Cantaluppi V: Pathofysiologie van COVID-19-geassocieerdacuut nierletsel. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Deze review biedt een gedetailleerd overzicht van de huidige literatuur met betrekking tot COVID-19-geassocieerdacuut nierletsel.

6. Zuk A, Bonventre JV: recente ontwikkelingen opacuut nierletsel6. 2 en de gevolgen en impact ervan op chronische nierziekte. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Deze uitstekende recensie vat de pathofysiologische mechanismen samen die ten grondslag liggen aan de overgang van acuut naar chronisch nierletsel en benadrukt de rol van mitochondriale disfunctie, ontsteking, veroudering en celdood in dit proces.

7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW, et al: US renal data system 2018 jaarverslag data: epidemiologie van nierziekte in de Verenigde Staten. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 Annual Data Report beschikbaar op: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_in_de_us.pdf. (Toegang tot 11 april 2021).

8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mechanismen van onaangepast 8. reparatie na AKI (acuut nierletsel) wat leidt tot versnelde nierveroudering en CKD. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD: 9. Gedifferentieerde nierepitheelcellen repareren beschadigde proximale tubuli. Proc Natl Acad Sci VS A 2014,111:1527-1532. 10. Kumar S, Liu J, Pang P, Krautzberger AM, Reginensi A,

10. Akiyama H, Schedl A, Humphreys BD, McMahon AP: Sox9-activering benadrukt een cellulaire route van nierherstel in de acuut gewonde zoogdiernier. Cell Rep 2015,12:1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9-positieve voorlopercellen spelen een sleutelrol bij de regeneratie van het niertubuli-epitheel bij muizen. Celrep 2016,14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Stopzetting van de epitheelcelcyclus in G2 / M medieert nierfibrose na verwonding. Nat Med 2010, 16:535-543.

13. Xu K, Rosenstiel P, Paragas N, Hinze C, Gao X, Shen TH, Werth M, Forster C, Deng R, Bruck, et al: Unieke transcriptionele programma's identificeren subtypes van AKI (acuut nierletsel).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.

14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogeniteit van epigenetische veranderingen bij ischemie / reperfusie- en endotoxine-geïnduceerdeacuut nierletselgenen. Nier Int 2015, 88:734-744.

15. Stafford-Smith M, Li YJ, Mathew JP, Li YW, Ji Y, Phillips-Bute B, Milano CA, Newman MF, Kraus WE, Kertai MD, et al.: Genoombrede associatiestudie vanacuut nierletselna coronaire bypass-transplantaatchirurgie identificeert gevoeligheidsloci. Nier Int 2015,88:823-832.

16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, BelcherJM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD, et al.: Een genoombrede associatiestudie om single-nucleotide polymorfismen te identificeren vooracuut nierletsel.Am J Respir Crit Care Med 2017, 195:482-490.

17. Kayagaki N, Lee BL, Stowe IB, Kornfeld OS, O'Rourke K, Mirrashidi KM, Haley B, Watanabe C, Roose-Girma M, Modrusan Z, et al: IRF2 induceert transcriptioneel GSDMD-expressie voor pyroptosis. Sci-signaal 2019, 12.

18. Matsuyama T, Kimura T, Kitagawa M, Pfeffer K, Kawakami T, Watanabe N, Kündig TM, Amakawa R, Nishihara K, Wakeham A: Gerichte verstoring van IRF-1 of IRF-2 resulteert in abnormale type IIFN-geninductie en afwijkende ontwikkeling van lymfocyten. Cel 1993, 75:83-97.

19. Papaioannou VE: De T-box-genfamilie: opkomende rollen in ontwikkeling, stamcellen en kanker. Ontwikkeling 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V. Geen verband tussen genetische loci nabij IRF2 en TBX1 enacuut nierletselin de ernstig zieke.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.