Deel 1 Fenotypische diversiteit en metabolische specialisatie van renale endotheelcellen

Contactpersoon: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail: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. Rabelink⁵en Peter Carmeliet^1,4

Cistanche tubulosa voorkomt nierziekte, klik hier voor het monster

Samenvatting |

Het complexe meercellige leven bij zoogdieren is afhankelijk van de functionele samenwerking van verschillende organen voor het voortbestaan ​​van het hele organisme. Denierenspelen een cruciale rol in dit proces door het handhaven van de homeostase van het vochtvolume en de samenstelling, waardoor andere organen hun taken kunnen vervullen. Het renale endotheel vertoont fenotypische en moleculaire eigenschappen die het onderscheiden van het endotheel van andere organen. Bovendien omvat het volwassen niervaatstelsel diverse populaties van voornamelijk rustende, maar niet metabolisch inactieve, endotheelcellen (EC's) die zich in denierglomeruli, cortex en medulla. Elk van deze populaties ondersteunt specifieke functies, bijvoorbeeld bij de filtratie van bloedplasma, de reabsorptie en afscheiding van water en opgeloste stoffen, en de concentratie van urine. Transcriptionele profilering van deze diverse EC-populaties suggereert dat ze zich hebben aangepast aan lokale micro-omgevingsomstandigheden (hypoxie, schuifspanning, hyperosmolariteit), waardoor ze de nierfuncties kunnen ondersteunen. Blootstelling van EC's aan van de micro-omgeving afgeleide angiogene factoren beïnvloedt hun metabolisme en houdt dit in standnierontwikkeling en homeostase, terwijl van EC afgeleide endocriene factoren verschillende micro-omgevingsniches behouden. In de context van nierziekte vertonen renale EC's een verandering in hun metabolisme en fenotype als reactie op pathologische veranderingen in de lokale micro-omgeving, waardoor nierdisfunctie verder wordt bevorderd. Inzicht in de diversiteit en specialisatie van nier-EC's zou nieuwe wegen kunnen bieden voor de behandeling van nierziekten ennierregeneratie.

Het vasculaire systeem van zoogdieren bestaat uit twee onderling verbonden en sterk vertakte netwerken die het hele lichaam doordringen - elk met specifieke rollen. Het bloedvaatstelsel levert zuurstof en voedingsstoffen aan parenchymale weefsels en vergemakkelijkt de verwijdering van afvalstoffen, immuunbewaking en handel in immuuncellen, coagulatie en de productie van endocriene signalen voor weefselonderhoud en regeneratie1. Daarentegen voert het lymfatische vasculaire systeem de geëxtravaseerde interstitiële vloeistof af van de permeabele bloedcapillairen terug naar de aderen en vergemakkelijkt het de handel in immuuncellen en het transport van lipiden.². Alle bloedvaten zijn bekleed met bloedendotheelcellen (BEC's, hierna EC's genoemd), terwijl lymfatische endotheelcellen (LEC's) de binnenste laag van lymfevaten vormen - waarbij elke populatie zijn vasculatuurspecifieke taken ondersteunt. Endotheliale heterogeniteit reikt echter veel verder dan de brede verschillen tussen bloed en lymfatisch endotheel. In het bijzonder vertonen EC's van verschillende organen unieke moleculaire profielen die de specifieke functies van het orgel ondersteunen^3–6. Deniereen uitkeringvan een zeer gespecialiseerd vaatstelsel, dat nauw verbonden is met het nierepitheelsysteem⁷. In het bijzonder bestaan ​​fenotypisch verschillende populaties van renale endotheelcellen (REC's) naast elkaar in de drie anatomische en functionele compartimenten van denier, de glomeruli, cortex en medulla - waar ze specifieke niertaken ondersteunen8,9. Belangrijk is dat technologische vooruitgang de studie van REC-heterogeniteit op eencellig niveau mogelijk heeft gemaakt, wat nieuwe inzichten heeft opgeleverd in hun gespecialiseerde rollen in de gezondheid en ziekte van de nieren^6,10,11.

Denieris van cruciaal belang voor het behoud van de homeostase van het organisme en reguleert het volume en de samenstelling van lichaamsvloeistoffen⁷. Nieren ontvangen 20-25 procent van het hartminuutvolume en vertonen een stereotiepe bloedvatarchitectuur. Deze architectuur maakt niet alleen de levering van zuurstof en voedingsstoffen aan denieren, maar maakt ook deelname aan de filtratie van bloedplasma, de reabsorptie van ionen en metabolieten uit het filtraat, de secretie van ionen en metabolieten in de primaire urine en urineconcentratie mogelijk^7,8. Deze sterk georkestreerde processen maken het mogelijk om het extracellulaire vloeistofvolume, de bloeddruk, de osmolaliteit en de ionenconcentratie te verfijnen^7,8. De nieren reguleren ook de circulerende metabolietniveaus, niet alleen door metabolische afvalstoffen uit te scheiden, maar ook door bijvoorbeeld glucose (via gluconeogenese) en aminozuren vrij te geven¹². Zoogdierorganen wisselen voortdurend metabolieten uit via de bloedsomloop, met selectief gebruik om hun eigen metabolische activiteiten te ondersteunen¹².

Dienovereenkomstig vertonen de metabole functies van EC's in verschillende organen waarschijnlijk orgaanspecifieke verschillen, zoals ondersteund door bevindingen van metabole transcriptoomanalyses van EC's in verschillende organen⁶. Bovendien stelt de metabole plasticiteit van EC's hen in staat zich aan te passen aan en te reageren op veranderingen in de omgeving met betrekking tot hun metabole behoeften en functies3,13. Opkomend bewijs suggereert dat de gespecialiseerde REC's van denierhun metabolische transcriptoom aanpassen om de nierfunctie te ondersteunen¹⁰.

REC-disfunctie gaat gepaard met acuut of progressief verlies vannierfunctie^14,15. Deze disfunctie gaat gepaard met een toename van arteriële vasoconstrictie en een vermindering van de renale bloedstroom, de verwerving van pro-inflammatoire en pro-trombotische fenotypes die de adhesie en infiltratie van immuuncellen bevorderen en de vorming van microtrombi, de dissociatie van murale pericyten van het endotheel. laag, afbraak van de endotheliale barrière resulterend in interstitieel oedeem, verdunning van peritubulaire capillairen (waardoor nierhypoxie wordt bevorderd), en endotheel-naar-mesenchymale overgang, wat bijdraagt ​​​​aan nierfibrose16,17, wat suggereert dat het endotheel zou kunnen worden gericht om te beschermen tegen nier letsel en/of om de nierfunctie te regenereren.

Deze beoordeling vat ons huidige begrip van deniervasculatuur, gericht op recente vorderingen in ons begrip van de fenotypische, moleculaire en metabole heterogeniteit van REC's in relatie tot hun micro-omgeving. We bespreken ook de mogelijke toepassing van het richten op REC-metabolisme als een therapeutische strategie innierziektenof voor nierregeneratie.

Belangrijkste punten:

• Het endotheel verschilt tussen verschillende organen, waarschijnlijk om verschillende orgaanfuncties te ondersteunen.

• Meerdere gespecialiseerde fenotypes van endotheelcellen bestaan ​​naast elkaar in de nierglomeruli, cortex en medulla; deze werken ter ondersteuning van de glomerulaire filtratie, de reabsorptie en uitscheiding van ionen en metabolieten en de urineconcentratie.

• De verschillende lokale micro-omgevingen in deniervorm geven aan de moleculaire en metabole heterogeniteit van het renale endotheel; omgekeerd ondersteunen endotheelcel-afgeleide endocriene factoren de niches van verschillendeniermicro-omgevingen.

• Het metabolisme van renale endotheelcellen kan worden veranderd in de context van:nierletsel en ziekten, mede als gevolg van veranderingen in de micro-omgeving.

• Een beter begrip van de fenotypische diversiteit en metabolische specialisatie van renale endotheelcellen kan helpen bij de identificatie van nieuwe doelwitten voor debehandeling vannierziektenennierregeneratie.

Heterogeniteit van het nierendotheel

Nier vasculaire anatomie

Denierwordt van bloed voorzien via de nierslagader, die na binnenkomst in deniervia de nierhilus, vertakt zich in segmentale, interlobaire, boogvormige en interlobulaire slagaders (Fig. 1a), en uiteindelijk afferente arteriolen, dit zijn vaten met hoge weerstand die verantwoordelijk zijn voor de controle van de glomerulaire bloedstroom en glomerulaire filtratiesnelheid (GFR) 18. Vanuit de afferente arteriolen komt het bloed het glomerulaire bosje binnen - een netwerk van sterk gefenestreerde glomerulaire capillairen waar ultrafiltratie van bloedplasma plaatsvindt met een snelheid van ~120-140 ml/min bij volwassen mensen, waardoor opgeloste stoffen met een laag molecuulgewicht uit de glomerulaire haarvaten naar de ruimte van Bowman¹⁹. Nadat een fractie van het plasma is gefilterd, verlaat het bloed het glomerulaire bosje via efferente arteriolen om de distale en proximale gekronkelde tubuli te vasculariseren, waardoor het corticale peritubulaire capillaire netwerk wordt gevormd. Bloed in de peritubulaire capillairen is verrijkt met opgeloste stoffen met een hoog molecuulgewicht en heeft een laag vloeistofgehalte vanwege het verlies van vloeistof tijdens glomerulaire ultrafiltratie. Zo zijn peritubulaire capillairen gewijd aan de reabsorptie van water, ionen en essentiële voedingsstoffen uit de proximale^7,20en distale tubuli²¹. Verschillende ionen zoals H plus (ref. 22) en K plus (ref. 23) evenals moleculen zoals creatinine²⁴en geneesmiddelmetabolieten²⁵- die niet volledig werden gefilterd door de glomerulaire haarvaten maar nog steeds uit het lichaam moeten worden geëlimineerd - verplaatsen van de peritubulaire haarvaten naar de epitheelcellen van de proximale of distale tubuli om te worden uitgescheiden en geëlimineerd in de urine21. De efferente arteriolen van de juxtamedullaire nefronen geven aanleiding tot de dalende vasa recta (DVR), die via capillaire plexus in verbinding staat met de stijgende vasa recta (AVR). De AVR en DVR werken in tegenstroom met de lus van Henle en nemen deel aan medullaire tegenstroomuitwisseling, die, zoals later beschreven, nodig is om een ​​osmolariteitsgradiënt voor de urineconcentratie te handhaven26. Uiteindelijk fuseren de corticale en medullaire capillaire systemen samen met de AVR tot een veneus systeem op de corticomedullaire overgang. Meer specifiek, de renale veneuze vasculatuur voert het bloed af van de peritubulaire capillairen en AVR naar de interlobulaire en boogvormige aderen en vervolgens de interlobaire aderen, en vormt uiteindelijk de nierader die uit denierhilum en uiteindelijk vertakt in de vena cava inferior⁷.

Denierwordt ook geleverd door lymfevaten, die de algemene topografie van denierbloedvatstelsel²⁷(Fig. 1a). Ze zijn voornamelijk aanwezig in de niercortex, waar het hun primaire rol is om vocht en macromoleculen (zoals albumine) uit de interstitiële ruimte tussen de tubuli en haarvaten te verwijderen.²⁸. Ze spelen ook een rol bij de infiltratie van immuuncellen en daaropvolgende ontstekingen²⁹. In de glomeruli omringen ze het kapsel van Bowman zonder in het glomerulaire plukje te dringen²⁸. Daarentegen zijn traditionele lymfevaten zelden aanwezig in het niermerg; in dit gebied worden interstitiële vloeistof en macromoleculen verwijderd door de AVR, die een type hybride bloedvat met lymfatische kenmerken vertegenwoordigt^28,30.

Fenotypes van nierendotheelcellen

EC's van verschillende organen zijn fenotypisch heterogeen^3–6,31. De unieke eigenschappen van REC's, en in het bijzonder glomerulaire EC's, worden al lang gewaardeerd. Globale transcriptionele profilering van EC's van muizen heeft het bestaan ​​​​van orgaanspecifieke transcriptoomsignaturen bevestigd^3,4,6. Merk op dat deze onderzoeken hebben aangetoond dat REC's het meest verschillen van EC's van andere organen, waaronder de hersenen, het hart, de longen, de spieren en de testis⁴(Fig. 1b) door hun expressie van genen geassocieerd met interferon-signalering, evenals genen die coderen voor de endocriene factoren FGF1 en IL-33 (ref.^4,6). De orgaanspecifieke heterogeniteit van EC's ligt waarschijnlijk ten grondslag aan hun moleculaire aanpassing om specifieke functionele rollen te vervullen^3–6,31.

De heterogeniteit van REC's reikt echter verder dan het organotypische niveau, met een opmerkelijke diversiteit van deniervasculatuur, zoals aanvankelijk aangetoond door elektronenmicroscopie en microarray-onderzoeken en vervolgens door eencellige analyses^6,32,33. Deniercortex, glomeruli en medulla bevatten unieke EC-populaties (respectievelijk cREC's, gREC's en mREC's). Deze diversiteit in EG-populaties kan ontstaan ​​door blootstelling aan de verschillende micro-omgevingen van deze regio's. Het glomerulaire endotheel wordt bijvoorbeeld blootgesteld aan hoge vasculaire druk en interageert nauw met podocyten om ultrafiltratie te reguleren, terwijl mREC's worden blootgesteld aan hoge osmolariteit en hypoxie, die verband houden met het handhaven van een osmolariteitsgradiënt en urineconcentratie^6,9,10,32(Fig. 1c). Naast heterogeniteit tussen compartimenten, vertonen REC's ook heterogeniteit binnen compartimenten, die waarschijnlijk wordt bepaald door een aantal genetische en omgevingsfactoren, waaronder het type vaatbed (arterieel, capillair, veneus), hun interacties met andere celtypen (bijvoorbeeld , gladde spiercellen, pericyten, granulaire cellen, podocyten en tubulusepitheelcellen) en hun blootstelling aan verschillende micro-omgevingen binnen hetzelfde compartiment, zoals blootstelling aan verschillende soorten stroming of verschillende niveaus van osmolariteit (figuur 1c). Ontwikkelingen in single-cell transcriptomics-technologieën hebben het mogelijk gemaakt om de heterogeniteit van muis-REC's in kaart te brengen met een zeer hoge resolutie^6,10,11, onthullend tot 24 transcriptioneel verschillende REC-populaties^6,10,11. Merk op dat de bevindingen van eencellige RNA-seq-onderzoeken die hieronder worden samengevat nog moeten worden bevestigd op eiwitniveau, zowel om de ruimtelijke lokalisatie van de voorspelde eiwitten volledig te verifiëren en ook om de kennis van de post-translationele veranderingen en/of signaalmechanismen die de eiwitactiviteit kunnen beïnvloeden. Ook van belang is het feit dat de relatieve verrijking van een gen binnen een bepaalde REC-populatie zoals bepaald door single-cell sequencing niet noodzakelijkerwijs impliceert dat de expressie van dat gen beperkt is tot die specifieke celpopulatie.

Heterogeniteit van glomerulaire renale endotheelcellen.Denierglomerulus is een zeer gespecialiseerde structuur die verantwoordelijk is voor de filtratie van bloedplasma om een ​​primair urinefiltraat te genereren, terwijl ervoor wordt gezorgd dat essentiële plasma-eiwitten in het bloed worden vastgehouden. Het is samengesteld uit glomerulaire haarvaten die tussen afferente en efferente arteriolen liggen, dit zijn weerstandsvaten die zowel de capillaire bloedstroom als de druk regelen. De arteriolen van een nefron staan ​​gedeeltelijk in contact met het juxtaglomerulaire apparaat (JGA) - een gespecialiseerde structuur die bestaat uit de macula densa van de distale ingewikkelde tubulus, granulaire renine-producerende cellen die zijn geassocieerd met de afferente arteriole en extraglomerulaire mesangiale cellen (Fig. 2a). De JGA reguleert single-nefron GFR en bloeddruk via de tubuloglomerulaire feedback, de myogene respons en de afgifte van renine^19,35–37.

Het glomerulaire capillaire endotheel is samengesteld uit unieke EC's met niet-gediafragmeerde fenestraties die de filtratie van grote hoeveelheden vloeistof mogelijk maken (figuur 2b).

De fenestraties zijn 50-100 nm groot en nemen ongeveer 20 procent van het celoppervlak in beslag en verschijnen op elektronenmicroscopische beeldvorming als transcellulaire gaten³⁸. De diameter van deze fenestraties is theoretisch groot genoeg om de doorgang van vloeistof en grote eiwitten in de tubuli mogelijk te maken. Capillaire gREC's produceren echter ook een dikke laag glycocalyx die negatief geladen glycoproteïnen en polysacchariden omvat die fungeren als een barrière voor eiwitpassage^39,40. Bovendien worden plasmacomponenten geadsorbeerd in de glycocalyx en vormen ze een bredere laag, de endotheliale oppervlaktelaag41 genaamd, die met zijn filamenteuze structuur de permselectiviteit van de glomerulaire endotheliale barrière verder verbetert⁴². Albuminurie en proteïnurie worden inderdaad waargenomen bij verslechtering van de glycocalyx^39,43,44. Samen met podocyten synthetiseren en delen capillaire gREC's ook een gemeenschappelijke extracellulaire matrix die bekend staat als het glomerulaire basaalmembraan (GBM), dat voornamelijk collageen type IV, laminine en gesulfateerde proteoglycanen omvat. Mutaties die de synthese van een van de componenten van de GBM beïnvloeden, leiden tot proteïnurie45,46. Zo vormen capillaire gREC's, podocyten en de GBM een efficiënte glomerulaire filtratiebarrière. Merk op dat het glomerulaire capillaire endotheel geen diafragma heeft en daarom niet het type II transmembraan glycoproteïne plasmalemma vesicle-associated protein 1 (PV1) tot expressie brengt, dat wordt gecodeerd door Plvap10 en een typische marker is van gefenestreerde EC's die geassocieerd zijn met de overbruggende diafragma's van endotheel. fenestrae en caveolae⁴⁷

De ontwikkeling en het onderhoud van de capillaire gREC-fenestraties vereist van podocyten afgeleide vasculaire endotheliale groeifactor (VEGF), die op een paracriene manier werkt via endotheliale VEGF-receptor 2 (VEGFR2, ook bekend als KDR)⁴⁸. Overexpressie van VEGF veroorzaakt glomerulaire collaps, snel verlies van capillaire gREC's en massale proteïnurie⁴⁹. Er is dus een strakke regulatie van podocyt VEGF nodig om de glomerulaire vasculatuur tijdens de embryonale ontwikkeling tot stand te brengen en voor het behoud van fenestraties in rijpe glomerulaire haarvaten^38,42. Evenzo maakt tubulaire epitheelcel-afgeleide VEGF het onderhoud van het peritubulaire capillaire netwerk mogelijk⁵⁰

In tegenstelling tot andere capillaire EC's, worden gREC's blootgesteld aan hoge bloeddruk en hoge bloedstroom, wat het glomerulaire filtratieproces aandrijft en gREC's blootstelt aan aanzienlijke schuifspanning⁵¹. Dienovereenkomstig brengen gREC's hoge niveaus van het door schuifspanning gereguleerde transcript Pi16 tot expressie (refs^6,10,11,52) (Fig. 2c; aanvullende tabel 1). Capillaire gREC's drukken ook een aantal andere markers uit^10,11,32,53, waaronder Ehd3, dat codeert voor een lid van de EHD-eiwitfamilie^{10,11,38,54,55}dat endocytische recycling reguleert en waarvan wordt gedacht dat het de recycling van VEGFR2 in capillaire gREC's reguleert (Fig. 2c), samen met EHD4 (ref. 54). EHD3 kan dus bijdragen aan het behoud van glomerulaire capillaire fenestraties. Capillaire gREC's vertonen ook verrijkte expressie van genen die zijn geassocieerd met de TGF-BMP-signaleringsroute (Eng, Smad6, Smad7, Xiao en Hipk2 (refs10,56-58)), die betrokken is bij glomerulaire capillaire vorming. Overexpressie van TGF induceert proteïnurie en glomerulosclerose⁵⁹, en dus kan de aanwezigheid van remmende SMAD's, zoals die gecodeerd door Smad6 en Smad7 in gREC's, overmatige TGF-signalering en glomerulaire disfunctie voorkomen. Daarentegen is van podocyten afgeleide BMP cruciaal voor normale glomerulaire capillaire vorming . Capillaire gREC's drukken ook specifiek Nostrin . uit³², waarvan het eiwitproduct endotheliaal stikstofoxidesynthase (eNOS) bindt om de translocatie van het plasmamembraan naar blaasachtige subcellulaire structuren te activeren, en de productie van stikstofmonoxide (NO) - een belangrijke regulator van GFR32, afzwakt. Bovendien suggereert de beperkte expressie van lipoproteïnelipase (Lpl) tot capillaire gREC's dat het glomerulaire endotheel essentieel kan zijn voor de afgifte van vetzuren in het ultrafiltraat, dat vervolgens zou kunnen worden gebruikt als energiebron door tubulusepitheelcellen of voor de regulatie van bloedlipidengehalte of zou kunnen bijdragen aan de accumulatie van glomerulaire lipiden zoals waargenomen in pathologische contexten^6,10,61,62. Interessant is dat renale expressie van genen die betrokken zijn bij het lipidenmetabolisme correleert met GFR en ontsteking bij patiënten metdiabeetnierziekte, terwijl defecte vetzuuroxidatie (FAO) in tubulaire cellen bijdraagt ​​​​aan de ontwikkeling vannierfibrose^61,62.

Transcriptiefactoren, zoals SOX17 en COUP-TFII (gecodeerd door Nr2f2) in respectievelijk arteriële en veneuze REC's, sturen transcriptomische handtekeningen en de identiteit van specifieke vaatbedden aan . De identiteit van gREC's is afhankelijk van de activiteit van ten minste twee transcriptiefactoren: GATA5 en TBX3 (refs10,11,32) (Fig. 2c), die de verwerving van een gREC-achtig genexpressieprofiel bemiddelen wanneer ze samen tot overexpressie worden gebracht in de menselijke navelstrengader EC's (HUVEC's), een veelgebruikt EC-model11. De GATA5-regulon is opgereguleerd in gREC's, maar niet in andere REC-populaties^10,11en selectieve deletie van Gata5 in EC's veroorzaakt glomerulaire laesies65. Bovendien veroorzaakt EC-specifieke deletie van Tbx3 morfogene defecten zoals microaneurysma's in subsets van glomeruli, verminderde aantallen capillaire gREC-fenestraties en vervormde voetprocessen van podocyten, wat een rol suggereert voor deze transcriptiefactor bij het handhaven van de structurele organisatie van glomerulaire haarvaten¹¹. Bovendien zijn zowel GATA5 als TBX3 betrokken bij de regulering van de bloeddruk. GATA5 beïnvloedt de typische vasculaire functie, proteïnekinase A en NO-signaalroutes⁶⁵, terwijl men denkt dat TBX3 de bloeddruk moduleert via de regulatie van renine-secretie in denier¹¹.

Regulering van de vasculaire tonus van afferente en efferente arteriolen is vereist om de constant hoge glomerulaire capillaire druk te handhaven die nodig is voor glomerulaire filtratie¹⁸. Door dit regulerende proces kan een constante GFR worden gehandhaafd ondanks veranderingen in de systemische druk en het hartminuutvolume66. Afferente arteriolen hebben één tot drie lagen vasculaire gladde spiercellen (VSMC's), die, in de buurt van de JGA, gedeeltelijk worden vervangen door renine-producerende granulaire cellen (figuur 2d). EC-heterogeniteit bestaat ook binnen de afferente arteriolen, met niet-gediafragmeerde fenestraties van het endotheel het dichtst bij het JGA68,69 - vergelijkbaar met dat van het glomerulaire capillaire endotheel - waarschijnlijk om het snelle transport van renine in het bloed te vergemakkelijken (Fig. 2d). Expressie van Gja5 (codering van connexin 40), is verrijkt in deze subset van gREC's^10,70en speelt een belangrijke rol in de communicatie tussen het endotheel en granulaire cellen in de JGA om de afgifte van renine te reguleren^35,70,71. Deze EC's zijn ook verrijkt met andere genen die betrokken zijn bij cel-tot-cel-interactie, zoals die gerelateerd aan de Wnt- en Notch-signaleringsroutes, Ephrin en cytokinen en chemokinen (Fig. 2c), die overspraak tussen mesangiale cellen en/of of granulaire cellen en gREC's in de JGA, en mogelijk bijdragen aan autoregulatie en bloeddrukmodulatie¹⁰.

Daarentegen brengen gREC's in het stroomopwaartse (meest distale) deel van de afferente arteriolen genen tot expressie die betrokken zijn bij de regulering van benzine, zoals Edn1 (dat codeert voor endotheline 1), Alox12 (arachidonaat 12-lipoxygenase) en S1pr1 (sfingosine{{6). }} fosfaatreceptor 1)^10,72,73(Fig. 2c). De S1P-S1PR1-signaleringsroute reguleert krachtig afferente arteriole benzine door het eNOS-systeem te activeren^74–76. In overeenstemming met deze rol is de S1P-receptor verrijkt in gREC's in de afferente arteriolen en wordt deze niet gedetecteerd in efferente arteriolen¹⁰.

In tegenstelling tot gREC's in de afferente arteriolen, vertonen gREC's in de efferente arteriolen lagere connexine-expressie77, met name connexine 37 en connexine 40 (respectievelijk gecodeerd door Gja4 en Gja5)10. Net als EC's van de afferente arteriolen, wijzen transcriptoomanalyses van EC's van de efferente arteriolen echter op de aanwezigheid van twee gREC-populaties: één vermoedelijk geassocieerd met de JGA (genen tot expressie brengen die geassocieerd zijn met adhesie en extravasatie van immuuncellen, en EC-permeabiliteit) en een tweede dat komt overeen met het distale deel van de efferente arteriole (verrijkt met genen die betrokken zijn bij hyperosmolariteitsreacties)10 (Fig. 2c).

Deze inzichten suggereren dat de fenotypische en functionele diversiteit van gREC's ten grondslag ligt aan het vermogen van deze endotheel om GFR te behouden door de actieve modulatie van de glomerulaire bloedstroom en door de efficiëntie van de glomerulaire filtratie te garanderen. Door de integratie van tubuloglomerulaire feedback en myogene signalen zijn met name gREC's geassocieerd met de JGA waarschijnlijk kritische regulatoren van GFR.

Heterogeniteit van corticale renale endotheelcellen.Naast het glomerulaire capillaire endotheel en de pre-glomerulaire en post-glomerulaire afferente en efferente arteriolen,niercortex bevat lymfevaten en grote slagaders en aders samen met de bijbehorende vasa vasora, postcapillaire venulen en peritubulaire haarvaten. In overeenstemming met hun rol in de reabsorptie en afscheiding van opgeloste stoffen, ionen en water, zijn corticale peritubulaire capillairen dunwandige capillairen die EC's omvatten die functioneel zijn gekoppeld aan het tubulaire epitheel (figuur 3a). Vergeleken met gREC's en mREC's, brengen cREC's - in het bijzonder peritubulaire capillaire EC's - hoge niveaus van Igfbp3 tot expressie (coderend voor insuline-achtig groeifactor-bindend eiwit 3) en Npr3 (coderend voor natriuretisch peptidereceptor 3)10,11 (Fig. 3b) .

De corticale peritubulaire capillairen komen voort uit de efferente arteriolen en omringen de proximale en distale ingewikkelde tubuli (Fig. 3a), die zuurstof en voedingsstoffen leveren en bijdragen aan de opname van opgeloste stoffen en waterreabsorptie uit het tubulaire lumen⁹. In tegenstelling tot glomerulaire capillairen, brengen peritubulaire capillaire EC's Plvap tot expressie, waarvan het eiwitproduct (PV1) de peritubulaire capillaire EC-fenestrae overspant. Deze fenestrae met diafragma hebben een diameter van 62-68 nm en vergemakkelijken waarschijnlijk deuitwisseling van water, ionen en kleine opgeloste stoffen met proximale en distale tubuli9,10

Glomeruli filteren ongeveer 180 g glucose per dag78 en onder fysiologische omstandigheden wordt bijna alles opnieuw geabsorbeerd in de proximale tubuli. Gefilterde glucose wordt eerst opnieuw geabsorbeerd uit het lumen van de proximale tubuli in de epitheelcellen via natrium-glucose-cotransporters (SGLT's). Zodra de intracellulaire glucoseconcentratie die van het interstitium overschrijdt, diffundeert het in de interstitiële ruimte via specifieke gefaciliteerde glucosetransporters (GLUT's), van waaruit het opnieuw wordt opgenomen in de bloedbaan79. In overeenstemming met hun rol in dit proces, brengen peritubulaire capillaire EC's hogere niveaus van Slc2a1 (coderend voor GLUT1) tot expressie dan EC's van andere renale vasculaire bedden (Fig. 3b), wat suggereert dat glucosereabsorptie kan worden vergemakkelijkt door GLUT1 in peritubulaire capillaire EC's.

Corticale peritubulaire capillairen omvatten twee EC-populaties - een die hoge niveaus van Apoe tot expressie brengt (coderend voor apolipoproteïne E) en een die weinig of geen Apoe10 tot expressie brengt (figuur 3b). De Apoe-high-populatie vertoont een verrijkte expressie van andere genen die verband houden met lipidemetabolisme, zoals Plpp3 en Thrsp10,80,81. Daarentegen brengt de Apoe-low-populatie genen tot expressie die coderen voor VEGF-receptoren (Kdr, Flt1 en Nrp1, die respectievelijk coderen voor VEGFR2, VEGFR1 en neuropiline 1,), insuline-achtige groeifactor-bindende eiwitten en receptor (Igfbp5, Igfbp3 en Insr) en Npr3, dat codeert voor een receptor voor natriuretisch peptide, dat het bloedvolume en de natriumuitscheiding reguleert10,82-85. Of deze twee EC-populaties bestaan ​​in afzonderlijke capillairen die interageren met proximale ingewikkelde tubuli of distale tubuli, of dat ze in dezelfde capillairen voorkomen, is momenteel onbekend.

Verrassend genoeg zijn er ook twee extra capillaire EC-populaties beschreven in de nierschors van de muis - een angiogene-achtige EC-populatie en een populatie die wordt gekenmerkt door de expressie van door interferon gestimuleerde genen en genen die betrokken zijn bij de verwerking en presentatie van antigeen (Fig. 3b) . De angiogeen-achtige EC's kunnen een rol spelen bij de regeneratie van beschadigde REC's, terwijl de interferon-geactiveerde EC's kunnen deelnemen aan immuunsurveillance, hoewel verdere studies nodig zijn om deze mogelijkheden te onderzoeken .

cREC's in grote slagaders worden gekenmerkt door de expressie van het arteriële transcriptiefactorgen Sox17 en het tight junction-gen Cldn5 (claudin 5), terwijl cREC's in grote aderen worden gekenmerkt door de expressie van de transcriptiefactor Nr2f2 (COUP-TFII), en de venstermarkering Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(Fig. 3b).

Arteriële cREC's brengen het semaphorine-coderende gen Sema3g tot expressie, dat autocriene en paracriene effecten heeft op respectievelijk EC's en VSMC's, de connexine-coderende genen Gja4 en Gja5, die componenten zijn van myoendotheliale verbindingen, en het Notch-familielid Jag1 (refs6,10, 11,87-90) (Fig. 3b). Grote slagaders worden blootgesteld aan hoge bloeddruk en hun vasculaire tonus wordt gemoduleerd als reactie op veranderingen in bloeddruk. Hun vermogen om te reageren op mechanische signalen wordt mogelijk gemaakt door de aanwezigheid van een elastische laag in de tunica-media die rijk is aan elastische vezels^9,91en door de expressie van genen gerelateerd aan elastische vezelassemblage zoals Eln (elastine), Ltbp4 (latent-transformerende groeifactor- -bindend eiwit 4), Fbln5 (fibuline 5) en Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). Ze brengen ook hoge niveaus van Mgp (matrix Gla-eiwit) tot expressie, wat vasculaire calcificatie onderdrukt, waarschijnlijk door remming van BMP2- en BMP4-signalering96. In overeenstemming met hun rol bij het reguleren van de nierbloedstroom, brengen cREC's van de grote slagaders ook genen tot expressie die verantwoordelijk zijn voor benzineregulatie zoals Ace, Edn1 en S1pr1 (refs6,10,97-99) (Fig. 3b).

De toevoer van zuurstof en voedingsstoffen en de verwijdering van afvalproducten die vrijkomen in de vaatwand van grote slagaders en aders worden vergemakkelijkt door de vasa vasora100. Vasa vasora REC's werden niet geïdentificeerd in de gepubliceerde studies van muis eencellige REC's, vermoedelijk omdat vaten met een lumendiameter van<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Het uitvoeren van dergelijke onderzoeken bij grotere dieren of bij mensen, die grotere niervaten hebben, kan de kans vergroten dat vasa vasora REC's worden gevangen. Er zijn momenteel geen markers beschreven voor REC's die zijn afgeleid van vasa vasora.

Naast het bloedvaatstelsel bevat de niercortex ook twee sets renale lymfevaten. Beide zijn afkomstig van blinde capillairen in de nierkwab, van waaruit de ene set de slagaders naar de hilus volgt om het hilar- en kapselsysteem te verbinden en de andere de capsule binnendringt om zich bij de kapsellymfevaten te voegen28,101 (Fig. 1a). De renale lymfatische capillairen kunnen worden onderscheiden van de haarvaten van bloedvaten, omdat ze voornamelijk aanwezig zijn in het interstitium, blind zijn en geen pericyten hebben.^28,29. Nierlymfecapillairen bestaan ​​uit enkellaagse, 'eikenblad'-vormige, gedeeltelijk overlappende LEC's28,29, die kunnen worden onderscheiden van BEC's door de expressie van verschillende markers⁶, waarvan de bekendste Pdpn (podoplanine)102, het hyaluronanreceptor-coderende gen Lyve1 (ref. 103), Flt4 (dat codeert voor VEGFR3)104 en het transcriptiefactorgen Prox1 (ref. 105) (Fig. 3b) . Hoewel deze markers ook in andere celtypen tot expressie worden gebracht, kunnen ze worden gebruikt om onderscheid te maken tussen de twee belangrijkste EC-typen29. in de mensnier, is podoplanine beschreven als de meest betrouwbare marker van LEC's^28,29. Desalniettemin is geen van de twee bekendnierLEC-populaties zijn geïdentificeerd in gepubliceerde eencellige RNA-seq-onderzoeken^6,10,11, mogelijk vanwege hun verlies tijdens technische verwerkingsstappen (bijvoorbeeld tijdens enzymatische vertering of EC-zuivering), en/of omdat ze een te kleine EC-fractie vertegenwoordigen in vergelijking met de populatie van renale BEC's. Verdere studies zijn daarom nodig om de heterogeniteit van het renale lymfatische endotheel te karakteriseren.

Heterogeniteit van de medullaire renale endotheelcellen.De primaire rol van het niermerg is de urineconcentratie⁹. De anatomische rangschikking van de vasa recta en de lage bloedstroom van de niermedulla (10 procent van de totale nierbloedstroom9), voorkomen uitwassen van opgeloste stoffen, zoals ureum en NaCl, waardoor een osmolariteitsgradiënt ontstaat van de buitenste medulla naar de nierpapil , wat essentieel is voor de urineconcentratie26,106. Deze gradiënt varieert afhankelijk van de hydratatiestatus106.

Het renale medullair endotheel wordt gekenmerkt door de expressie van Igfbp7 (refs10,11), een urinaire marker vannierletsel dat nierherstel voorspelt na acuut nierletsel (AKI)107, en Cd36 (refs10,32), dat codeert voor een scavenger-receptor die verantwoordelijk is voor de opname van vetzuren met een lange keten uit de bloedsomloop108 (Fig. 3c). Daarom kunnen lipiden op een CD36-afhankelijke manier door het medullaire endotheel naar medullaire interstitiële cellen pendelen, een fibroblastachtige celpopulatie die wordt gekenmerkt door lipidedruppeltjes, waarvan de overvloed correleert met de toestand van diurese109. Deletie van Cd36 bij muizen was geassocieerd met een verhoogd nierafhankelijk risico op spontane hypertensie^10,110, maar verzwakte de ontwikkeling vannierfibrose als reactie op een vetrijk dieet (Fig. 3c), wat daarom zowel een beschermende als een pathologische rol voor lipidentransport in deze processen suggereert.

Net als het corticale en glomerulaire endotheel vertoont het renale medullaire endotheel uitgebreide intra-compartimentele heterogeniteit^10,11. De DVR bestaat uit arteriële vaten die een continu endotheel omvatten, omgeven door gladde spierachtige pericyten of VSMC's die reageren op vasoactieve stimuli om de renale medullaire bloedstroom te regelen. In overeenstemming met hun arteriolachtige fenotype, brengen DVR EC's Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55, 86,112), Fbln5, Gja4 en Cxcl12 (CXCL12, ook bekend als SDF1 - een chemokine-eiwit) tot expressie dat fungeert als een ligand voor CXCR4 en CXCR7 tot expressie gebracht door VSMC's en pericyten)^10,63,113. DVR EC's brengen ook Slc14a1 en Aqp1 tot expressie die coderen voor de ureumtransporter B (UTB)^10,11,112en het waterkanaal aquaporine 1 (refs^10,11,55), die beide nodig zijn voor urineconcentratie114.115 (Fig. 3c,d). Deze EC's brengen ook Scin tot expressie, dat codeert voor sintel in - een eiwit dat aquaporine 2 bindt in een multi-eiwitcomplex in het verzamelen van kanaalepitheelcellen, vermoedelijk om de handel in aquaporine 2 te vergemakkelijken116. De co-expressie van Aqp1 en Scin in DVR EC's suggereert een vergelijkbare interactie in het medullaire endotheel¹⁰.

De osmolariteitsgradiënt creëert een vijandige omgeving voor cellen van het niermerg, vooral voor die in de nierpapillen, waar de osmolariteit het hoogst is (overeenkomend met een toestand van fysiologische hyperosmolariteit waarbij de osmolariteit hoger is dan in het systemische plasma)117. DVR EC's van muizen kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdfenotypen op basis van hun locatie in de nierpapil of in de buitenste of binnenste medulla , en worden onderscheiden door de expressie van door hyperosmolariteit geïnduceerde en van vasotonregulerende genen (Fig. 3c). Renale papilla DVR EC's brengen hyperosmolariteit-responsieve genen tot expressie, inclusief doelgenen van de hyperosmolariteit-induceerbare transcriptiefactor NFAT5, zoals S100a4 en S100a6 (refs10,118), terwijl DVR EC's van de binnenste en buitenste medulla verrijkte expressie van HPgd laten zien, die codeert voor een belangrijk enzym dat betrokken is bij het katabolisme van vasoactieve prostaglandinen, Ednl1, dat codeert voor het vasoconstrictor endotheline 1 en Adipor2, dat codeert voor een receptor voor adiponectine die vaatverwijdende effecten induceert119,120 (Fig. 3c). Dit expressiepatroon is consistent met de meer prominente aanwezigheid van gladde spierachtige pericyten in het buitenste medullaire gedeelte van de DVR en daarmee de grotere respons van dit gebied op vasoactieve factoren, in vergelijking met lagere DVR-gedeelten9,121.

In tegenstelling tot de DVR zijn AVR gefenestreerde veneuze vaten (Fig. 3d). Deze vaten reabsorberen water uit het renale medullaire interstitium dat zich tijdens de urineconcentratie ophoopt door de verzamelbuizen, de lus van Henle en de DVR, en verzamelen het terug in de algemene bloedsomloop op een manier die vergelijkbaar is met de functie van lymfevaten30. In overeenstemming met deze rol brengen AVR EC's de veneuze transcriptiefactor Nr2f2 (refs10,11,64) en Plvap tot expressie - waarschijnlijk om hun rol bij de reabsorptie van water te behouden^10,11,47,122(Fig. 3c). AVR EC's brengen ook Tek tot expressie, dat codeert voor de angiopoietine Tie2-receptor, die nodig is voor AVR-vorming tijdens de ontwikkeling. Deletie van Tek bij muizen veroorzaakt de snelle ophoping van vocht en cysten in het medullaire interstitium en verlies van medullaire vaatbundels en resulteert in een verminderd concentratievermogen van de urine³⁰.

Net als bij DVR kan de AVR worden gescheiden in twee transcriptomisch verschillende EC-populaties die zich in de papilla en in de buitenste en binnenste medulla bevinden. Die in de papil worden gekenmerkt door de expressie van op hyperosmolariteit reagerende genen (Cryab, Fxyd2 en Cd9 (refs10,123,124)), glycolytische genen (Ldha, Aldoa en Gapdh10,125,126), en Car2, die codeert voor het koolzuuranhydrase 2-enzym , waarvan de afwezigheid de urineconcentratie schaadt en polyurie veroorzaakt bij muizen127 (figuur 3c). Papillaire AVR EC's brengen specifiek het Na plus /K plus ATPase-subeenheidcoderende gen Fxyd2 tot expressie, terwijl een alternatief subeenheidcoderend gen Fxyd6 wordt opgereguleerd in AVR EC's in de buitenste en binnenste medulla¹⁰ (Fig. 3c).

De papillaire delen van de AVR en DVR vertonen verschillende genexpressieprofielen, maar delen de expressie van verschillende genen die reageren op hyperosmolariteit, waaronder Akr1b3, dat codeert voor aldosereductase - het snelheidsbeperkende enzym van de polyolroute dat verantwoordelijk is voor de omzetting van glucose in sorbitol, een inerte organische osmolyt die belangrijk is voor het behoud van het celvolume onder omstandigheden van hyperosmolariteit117. Ze brengen ook S100a6 tot expressie, evenals andere genen - zoals Fxyd5 (die codeert voor een andere Na plus /K plus ATPase-subeenheid), Nrgn (die codeert voor het calmoduline-bindende eiwit neurogranine) en Crip1 (die codeert voor cysteïne-rijk eiwit 1) 10.118 - dat mogelijk verband houdt met de hyperosmotische omgeving (figuur 3c).

De renale medullaire capillaire plexus, die de DVR en AVR verbindt (Fig. 3a), wordt gekenmerkt door een Plvap-positief gefenestreerd endotheel en de verrijkte endotheliale expressie van genen die coderen voor VEGF-receptoren, zoals Kdr, Flt1 en Nrp1, ook als genen die betrokken zijn bij vetzuurtransport en metabolisme (Cd36 en Plpp3)10 (Fig. 3c). mREC's omvatten ook EC's van postcapillaire venulen, evenals angiogene en interferon-geactiveerde EC-populaties, vergelijkbaar met de haarvaten van de niercortex10.

REC-heterogeniteit en nierziekte

Onder fysiologische omstandigheden is het endotheel in rust - een toestand die grotendeels wordt gehandhaafd door de S-nitrosylering van eiwitten en transcriptiefactoren door van eNOS afgeleid NO128,129. De activiteit van eNOS zelf wordt gereguleerd door schuifspanning¹³⁰en intracellulaire metabolieten, zoals het eNOS-substraat, l-arginine, en zijn cofactor, tetrahydrobiopterine¹³¹. Onder bepaalde omstandigheden - bijvoorbeeld als reactie op een infectie - kan deze rusttoestand worden uitgeschakeld, waardoor de EC's worden geactiveerd en de immuuncellen worden gerekruteerd. Redox-signalering en in het bijzonder ontkoppeling van het eNOS-enzym resulterend in de productie van superoxide in plaats van NO is cruciaal voor dit activeringsproces. De ontkoppeling van eNOS zet een cascade in gang die leidt tot hermodellering van de endotheliale oppervlaktelaag en de expressie van receptoren induceert die kunnen interageren met bloedplaatjes en immuuncellen¹³². Hoewel endotheliale activering deel uitmaakt van het afweersysteem van de gastheer, kan deze moleculaire machinerie op ongepaste wijze worden geactiveerd bij ziektetoestanden zoals auto-immuunziekte of in het kader van cardiovasculaire risicofactoren of infectie. Merk op dat er heterogeniteit bestaat in de reactie van REC's op schadelijke signalen¹³³. Bij het atypische hemolytisch-uremisch syndroom zijn mutaties in de complementremmende factor H bijvoorbeeld geassocieerd met verminderde factor H-binding aan glomerulaire endotheliale heparansulfaat134, waardoor glomerulaire trombotische microangiopathie wordt geïnduceerd. Een ander voorbeeld is chronische humorale afstoting van allograft, waarbij de peritubulaire haarvaten het primaire doelwit van letsel lijken te zijn.¹³⁵; het bijbehorende verlies van het peritubulaire capillaire netwerk voorspelt het optreden vanniermislukking136. In de context van de COVID-19-pandemie is het opmerkelijk dat AKI vaak wordt waargenomen bij patiënten met een ernstige ziekte (tot 50 procent van de patiënten op intensive care-afdelingen)¹³⁷, bij wie wijdverbreide EC-disfunctie de escalatie van de ziekte zou kunnen bevorderen als gevolg van vasculaire lekkage, coagulopathie en verergerde ontsteking^138,139.

Naast heterogeniteit in de endotheliale activeringsrespons, kan de respons van REC's op omgevingssignalen uit de circulatie plaatsspecifiek zijn. Bijvoorbeeld, gREC's van patiënten met type 1 diabetes mellitus vertonen een ontregelde angiogene respons die resulteert in glomerulaire groei en secundaire podocytopathie^140,141. Bij ischemisch letsel - in het bijzonder in peritubulaire capillairen - resulteert endotheliale activering en afsterven van EC's in het zogenaamde 'no-reflow'-fenomeen, waarbij perfusie niet wordt hersteld, zelfs niet bij herstel van de doorgankelijkheid, wat resulteert in tubulaire epitheelcelbeschadiging en AKI¹⁴². De klinische pathologie die wordt veroorzaakt door REC-activering wordt elders in detail besproken.

De opkomst van technieken met hoge resolutie zoals single-cell RNA-seq heeft nieuwe inzichten opgeleverd in de moleculaire regulatie van endotheliale fenotypische heterogeniteit en de processen die betrokken zijn bijnierblessure. Een aantal studies van de afgelopen jaren, van onze groep en anderen, hebben het concept naar voren gebracht dat endotheliale heterogeniteit verweven is met het intracellulaire metabolisme^{3,6,10,143–145}. Zoals hieronder beschreven, helpen de verschillende micro-omgevingen waaraan REC's worden blootgesteld, zowel hun fenotypische diversiteit als metabolische specialisatie vast te stellen.

Metabole specialisatie van REC's

EC's vertonen een actief metabolisme, zelfs wanneer ze in rust zijn, om processen zoals energieproductie, biomassasynthese en redoxhomeostase in stand te houden, die nodig zijn voor het behoud van de vasculaire barrière-integriteit, vaso-regulerende functie, transport van opgeloste stoffen en remming van trombose en vasculaire ontsteking. Rustgevende EC's behouden bijvoorbeeld hoge niveaus van FAO, wat helpt de integriteit van de vasculaire barrière te behouden, gedeeltelijk door de regeneratie van NADPH, dat bescherming biedt tegen reactieve zuurstofsoorten (ROS)146. In overeenstemming met deze rol verhoogt remming van FAO in EC's de oxidatieve stress, de permeabiliteit van de endotheliale barrière, de infiltratie van leukocyten146 en de overgang van endotheel naar mesenchymale¹⁴⁷, wat suggereert dat FAO vereist is voor het behoud van de endotheelfunctie en het fenotype. REC's vertonen verschillende metabole profielen en transcriptomen voor EC's geïsoleerd uit andere organen bij muizen^3,6. Ze worden in het bijzonder gekenmerkt door de opregulatie van genen die betrokken zijn bij de biosynthese van aminozuren en pyrimidine, evenals bij het glucosemetabolisme⁶. Bovendien zijn sommige metabole genen selectief verrijkt in arteriële, capillaire of veneuze EC's, wat wijst op metabolische heterogeniteit binnen organen⁶. Zoals hieronder wordt besproken, kunnen verschillende micro-omgevingsomstandigheden waaraan verschillende REC-populaties worden blootgesteld ook hun metabole profielen beïnvloeden en de fenotypische heterogeniteit van REC ondersteunen, evenals hun reactie op ziektestimuli.

REC-reacties op veranderingen in zuurstofspanning

Hoewelnierenzijn de meest doorbloede organen in het lichaam, minder dan 10 procent van de circulerende zuurstof wordt verbruikt tijdens de passage van bloed door denieren¹⁴⁸. Deniermedulla wordt blootgesteld aan lage zuurstofspanning, met een pO2 van 10-20 mmHg (hypoxie) vergeleken met 50 mmHg in de niercortex117 (Fig. 4a). De zuurstofgradiënt die de corticopapillaire as volgt, is het gevolg van verschillende factoren, waaronder een arterioveneuze zuurstofshunt die het gevolg is van de parallelle opstelling van de AVR en DVR in de medulla, de beperkte bloedstroom naar en binnen de medulla om het wegspoelen van opgeloste stoffen te minimaliseren , en het gebruik van oxidatieve fosforylering om de hoge energieniveaus te produceren die nodig zijn voor de Na plus / K plus ATPase om Na plus te reabsorberen en om de goede werking van andere celmembraantransporters van opgeloste stoffen mogelijk te maken117. Hypoxie is dus inherent aan het urineconcentratiemechanisme van de medulla^10,117.

Het is ook vereist voor geschiktenierontwikkeling149. Hypoxie kan echter schadelijk zijn en wordt beschouwd als een belangrijke oorzaak van AKI150 en een risicofactor voor chronische nierziekte (CKD)151 (Fig. 4a). Nierhypoxie kan het gevolg zijn van ischemische gebeurtenissen, zoals kan optreden tijdens niertransplantatie of als gevolg van abnormale nierperfusie als gevolg van peritubulaire capillaire verdunning, glomerulaire schade, atherosclerose, ontregeling van de arteriële vasculaire tonus, bloedarmoede en verminderde zuurstofdiffusie als gevolg van fibrose152 ( Afb. 4a). Binnen het vasculaire systeem veroorzaakt kortdurende blootstelling aan hypoxie omkeerbare modulatie van vasculaire tonus en bloedstroom, terwijl langdurige blootstelling resulteert in onomkeerbare hermodellering van het vaatstelsel en de omliggende weefsels met VSMC-proliferatie en fibrose¹⁵³. De cellulaire respons op hypoxie hangt af van de inactivering van Fe2 plus-afhankelijke oxygenasen en 2-oxoglutaraat (2-OG)-afhankelijke oxygenasen152, en de daaropvolgende activering van hypoxie-induceerbare transcriptiefactor (HIF)-afhankelijke en HIF-onafhankelijke paden. Blootstelling aan hypoxie veroorzaakt de activering van zowel HIF1 als HIF2 in ECs154 (figuur 4b). In denier, REC's brengen HIF2 op grote schaal tot expressie na hypoxie, terwijl eiwitexpressie van HIF1 beperkt is tot mREC's in de papilla 155-157, waar het waarschijnlijk glycolyse stimuleert (figuur 4b). Activering van HIF2 in REC's medieert in het algemeen bescherming en herstel van ischemische nierbeschadiging door erytropoëse te bevorderen en door nierontsteking, capillaire verdunning en fibrose te onderdrukken (Fig. 4b). Blootstelling van REC's aan hypoxie in de context van:nierziekte kan daarom in gREC's en cREC's andere reacties veroorzaken dan in mREC's. Hypoxie bevordert bijvoorbeeld HIF1 -afhankelijke proliferatie en migratie van gekweekte EC's158,159; in niet-confluente omstandigheden ondergaan gekweekte gREC's echter mitochondria-afhankelijke apoptose bij blootstelling aan hypoxie155,160,161, wat wijst op een slechte aanpassing van gREC's aan hypoxie. Hoewel gREC's in vivo behoorlijk resistent lijken te zijn tegen hypoxie, kan hypoxie waarschijnlijk vanwege het paracriene effect van van podocyten afgeleide VEGF161 leiden tot een progressief verlies van de tight junction-eiwitten occludine en ZO-1 in gREC's in een HIF{{ 11}}afhankelijke manier, waardoor uiteindelijk de permeabiliteit van de endotheliale barrière wordt vergroot162. Er is weinig bekend over de respons van mREC's op hypoxie. Met name mREC's in de AVR en DVR worden onder fysiologische omstandigheden blootgesteld aan lage zuurstofspanning in de papilla, en de Epas1-regulon (codering van HIF2 ) wordt opgereguleerd in mREC's bij watertekort, waarschijnlijk als reactie op een toename van hypoxie veroorzaakt door de urineconcentratieproces¹⁰.

Metabolische aanpassing van EC's aan veranderingen in zuurstofspanning.Onder normoxische omstandigheden vertrouwen EC's voornamelijk op glycolyse voor ATP-productie in plaats van mitochondriale oxidatieve fosforylering163. Als reactie op hypoxie worden deze metabole reacties verergerd, met verdere verbetering van glycolyse en onderdrukking van mitochondriale ademhaling (figuur 4b), wat verklaart waarom EC's weerstand bieden tegen hypoxie zolang glucose beschikbaar blijft 164. Bij blootstelling aan acute hypoxie zoals een ischemische gebeurtenis, vertonen EC's een snelle toename van mitochondriaal en/of NAD(P)H-oxidase-afgeleide ROS, wat HIF1 stabiliseert en een hogere glycolytische flux mogelijk maakt164 - reacties die consistent zijn met een HIF{{6 }}geïnduceerde upregulatie van glucosemetabolisme en downregulatie van mitochondriale activiteit^164,165 (Fig. 4b). Bovendien onthulden analyses van metabole routes van EC's die zijn blootgesteld aan chronische hypoxie, zoals kan voorkomen in de medulla of in de context van CKD, een HIF2 -afhankelijke opregulatie van glycolytische genen¹⁶⁶. Interessant is dat sommige glycolytische genen zoals Eno1 en Aldoa, die coderen voor de enzymen enolase 1 en aldolase A die nodig zijn om ATP en pyruvaat uit glucose te produceren, in grotere mate werden opgereguleerd in mREC's dan in cREC's en gRECs10. Meer specifiek vertoonden mREC's van het papillaire deel van de AVR - dat is het deel van het renale vasculaire bed dat het meest wordt blootgesteld aan hypoxie - de hoogste expressie van de glycolytische genen Aldoa, Ldha en Gapdh van alle mREC's bij muizen . Zo kunnen papillaire mREC's een hogere anaërobe glycolytische flux vertonen dan andere REC's als gevolg van hun hypoxische micro-omgeving. Evenzo hebben medullaire epitheelcellen een hogere capaciteit voor anaërobe glycolytische ATP-productie dan proximale tubulaire cellen¹¹⁷. mREC's reguleren ook verschillende glycolytische genen bij watergebrek, gelijktijdig met de hierboven genoemde verhoogde HIF2-activiteit¹⁰.

In EC's wordt HIF2 gedeeltelijk opgereguleerd na activering van het mitochondriale NAD plus-afhankelijke deacetylase sirtuin 3 (SIRT3) (ref. 167) (Fig. 4b). Verlies van SIRT3 schaadt de hypoxische signalering in EC's en resulteert in defecte angiogenese en microvasculaire disfunctie, secundair aan een metabole omschakeling van zuurstofonafhankelijke glycolyse naar mitochondriale ademhaling. Deze metabolische omschakeling gaat gepaard met een afname van de expressie van 6-fosfofructo-2-kinase (PFKFB3), een enzym dat werkt als een positieve regulator van glycolyse en ROS-vorming¹⁶⁷(Fig. 4b). Bij hypoxie reguleert SIRT3 mitochondriale antioxidantenzymen op een manier die afhankelijk is van FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — een transcriptiefactor die ook wordt opgereguleerd door HIF1¹⁶⁹ (Fig. 4b). Interessant is dat de SIRT3-FOXO3-antioxidantroute operationeel is in gREC's, waardoor de overgang van endotheel naar mesenchymale wordt voorkomen ennierfibrose in een diermodel van door angiotensine-II geïnduceerde hypertensie¹⁷⁰(Fig. 4b). Farmacologische benaderingen die SIRT3 verhogen, beperken ook door cisplatine geïnduceerde AKI door te beschermen tegen tubulaire schade en door verbeteringnierfunctie¹⁷¹. Daarentegen vertonen Sirt3-knockout-muizen ernstigere AKI, hoewel de bijdrage van REC's aan deze effecten niet is vastgesteld¹⁷¹. Of deze SIRT3-FOXO3-antioxidantroute ook betrokken is bij de fysiologische respons van mREC's op hypoxie in de medulla moet nog worden bepaald.

Het metabolisme van vetzuren wordt ook beïnvloed door de beschikbaarheid van zuurstof, aangezien hypoxie leidt tot een toename van de expressie en activiteit van vetzuursynthase (FAS), een belangrijk snelheidsregulerend enzym van de vetzuurbiosyntheseroute, wat resulteert in een verlaging van de malonyl -CoA-pool en een verhoging van palmitaatniveaus in ECs172 (Fig. 4b). In menselijke longslagader-EC's leidt remming van FAS tot verslechtering van HIF1-stabilisatie en daaropvolgende HIF1 -gemedieerde veranderingen in glucosetransport en -metabolisme en tot herstel van de eNOS-functie, wat suggereert dat remming van vetzuursynthese gunstig kan zijn voor EC-functie bij hypoxie¹⁷²(Fig. 4b). In denier, Fans - die codeert voor FAS - werden opgereguleerd in een experimenteel model van chronisch nierfalen en droegen bij aan hypertriglyceridemie¹⁷³. Opregulatie van ventilatoren en andere op hypoxie reagerende genen werd ook waargenomen in deniercortex van een muismodel van sikkelcelanemie met progressieve glomerulaire en tubulaire schade¹⁷⁴. Veranderd lipidenmetabolisme is een kenmerk van proteïnurische CKD en zowel klinisch als experimenteel bewijs ondersteunt het idee dat veranderd lipidenmetabolisme kan bijdragen aan de pathogenese en progressie van nierziekte¹⁷⁵. Desalniettemin is de rol van REC's in ontregeld vetzuurmetabolisme in de context vannierziektemoet nog verder worden uitgeklaard.

Hypoxie induceert ook de opregulatie van arginase II op een manier die afhankelijk is van de activering van HIF2¹⁷⁶of HIF1¹⁷⁷en vermindert de synthese en het transport van zijn substraat, arginine, in ECs^178,179(Fig. 4b). Arginase II is een metallo-enzym dat vooral tot expressie komt in denierenen katalyseert de hydrolyse van l-arginine tot ureum en l-ornithine. De toename van arginase II-activiteit verlaagt de biologische beschikbaarheid van arginine, wat de eNOS-activiteit dempt, de endotheliale NO-productie verlaagt en eNOS-ontkoppeling veroorzaakt, wat uiteindelijk leidt tot de productie van ROS en nitrosatieve stress¹⁷⁶. Deze stappen zijn van cruciaal belang bij het bevorderen van endotheeldisfunctie, diabetische nierziekte ennierontsteking in de context van door voeding veroorzaakte obesitas^180,181. Onder fysiologische omstandigheden wordt arginase II voornamelijk tot expressie gebracht in de buitenste medulla, wat suggereert dat deze metabole aanpassing waarschijnlijk niet optreedt in de mREC's die het meest worden blootgesteld aan hypoxie¹⁸¹.

Ten slotte veroorzaakt blootstelling van papillaire mREC's aan acute hypoxie de afgifte van purines en ATP, samen met UTP en UDP, in de extracellulaire ruimte^182–184. ATP activeert endotheliale P2Y-receptoren, wat resulteert in NO-productie, vasodilatatie en verhoogde weefselperfusie¹⁸⁵. ATP vormt ook adenosine na metabolisme van ATP door ecto-enzymen^185,186. Belangrijk is dat hypoxie een HIF2 -afhankelijke opregulatie van adenosine A2a-receptor (gecodeerd door ADORA2A) in EC's veroorzaakt^187,188, waarvan de activering de HIF1-eiwitsynthese verhoogt, waardoor glycolytische genexpressie en glycolytische flux verder worden bevorderd¹⁸⁷(Fig. 4b). In de meeste gevallen medieert activering van A2a- en A2b-receptoren die tot expressie worden gebracht door EC's en VSMC's de vaatverwijdende effecten van adenosine dat vrijkomt tijdens hypoxie185. In denier, zijn er verschillende adenosinereceptoren aanwezig in de verschillende delen van het vaatstelsel¹⁸⁹, en extracellulair ATP en adenosine spelen een sleutelrol bij de regulatie van de renale hemodynamiek en de microcirculatie^185,190. In de medulla wordt adenosine geproduceerd in het medullaire dikke opstijgende deel van de lus van Henle (TALH) na oxidatieve stress¹⁹¹en werkt als een vasodilatator, waardoor een toename van de medullaire bloedstroom wordt opgewekt via een mechanisme waarbij DVR-mREC's betrokken kunnen zijn¹⁹². Echter, in tegenstelling tot de effecten in de meeste andere bloedvaten, veroorzaakt adenosine-gemedieerde activering van A2a-receptoren, die vooral tot expressie komen in de afferente arteriolen, vasoconstrictie van het niervaatstelsel, waardoor de nierbloedstroom en glomerulaire filtratie mogelijk worden beïnvloed.^185,193. Merk op dat er een rol is vastgesteld voor purinerge receptoren bij de progressie van CKD¹⁹⁴.