Deel 1 Fibroblast heterogeniteit en tertiaire lymfoïde weefsels in de nier

Contactpersoon: ali.ma@wecistanche.com

Abstract

Fibroblasten bevinden zich in verschillende organen en ondersteunen de weefselstructuur en homeostase onder fysiologische omstandigheden. Fenotypische veranderingen van fibroblasten liggen ten grondslag aan de ontwikkeling van diverse pathologische aandoeningen, waaronder orgaanfibrose. Recente ontwikkelingen in de eencellige biologie hebben onthuld dat fibroblasten heterogene subpopulaties met verschillende fenotypes omvatten, die zowel gunstige als nadelige effecten uitoefenen op de gastheerorganen op een contextafhankelijke manier. In denier, veroorzaken fenotypische veranderingen van residente fibroblasten veelvoorkomende pathologische aandoeningen vanchronische nierziekte(CKD), zoals nieranemie en peritubular capillair verlies. Bovendien, bij bejaarde gewondennierenfibroblasten bieden functionele en structurele ondersteuning voor tertiaire lymfoïde weefsels (TLT's), die in verschillende klinische contexten dienen als de ectopische plaats van verworven immuunreacties. TLT's zijn nauw verbonden met veroudering en CKD-progressie, en de ontwikkelingsstadia van TLT's weerspiegelen de ernst van de nierbeschadiging. In deze review beschrijven we het huidige begrip van de heterogeniteit van fibroblasten, zowel onder fysiologische als pathologische omstandigheden, met speciale nadruk op de bijdrage van fibroblasten aan TLT-vorming in denier. Het ontleden van de heterogene kenmerken van fibroblasten zal een veelbelovende therapeutische optie bieden voor fibroblast-gerelateerde pathologische aandoeningen, waaronder TLT-vorming.

SLEUTELWOORDENchronischnierziekte, fibroblast, fibrose, myofibroblast, tertiair lymfoïde weefsel

Klik naarcistanche tubulosa dosering voor nierziekte

1|INVOERING

In het verleden was cellulaire identificatie in het weefsel afhankelijk van het morfologische uiterlijk onder zorgvuldige microscopische observatie. Vooruitgang in de moleculaire biologie heeft geleid tot de ontdekking van moleculaire markers die specifiek zijn voor elk celtype en die kunnen worden gebruikt voor cellulaire classificatie, en dit heeft aanzienlijk bijgedragen aan de verkenning van diverse biologische mechanismen. Recente ontwikkelingen in eencellige multi-omics-analyse hebben de heterogene kenmerken van celpopulaties onthuld met een ongekende resolutie en hebben ons begrip van biologische verschijnselen dramatisch gereconstrueerd. Elke celcategorie omvat verschillende subpopulaties met verschillende functies, die de weefselspecifieke micro-omgeving karakteriseren in zowel fysiologische als pathologische contexten. Het onderzoeksveld van fibroblasten is geen uitzondering en er is enorm veel bewijs verzameld dat hun heterogene kenmerken suggereert.

Fibroblasten zijn spoelvormige cellen die zich in de interstitiële ruimten van verschillende organen bevinden, waar ze verschillende structurele eiwitten synthetiseren, zoals collagenen en fibronectines, om de extracellulaire matrix (ECM) te organiseren en de orgaanhomeostase te behouden.1 Naast hun gemeenschappelijke functies in alle organen fibroblasten spelen orgaanspecifieke rollen samen met andere residente cellen. Een subpopulatie van residente fibroblasten in denierproduceert erytropoëtine (EPO), een belangrijke regulator van erytropoëse. Recente studies hebben aangetoond dat fibroblasten in verschillende organen een hoge functionele heterogeniteit vertonen. Onder pathologische omstandigheden treden dramatische fenotypische veranderingen van fibroblasten op die significant bijdragen aan de ontwikkeling van orgaandisfunctie. Fibroblasten transdifferentiëren tot myofibroblasten en bevorderen de progressie van orgaanfibrose, wat de manifestatie is van onaangepast herstel na letsel.2 In de nier spelen fibroblasten een cruciale rol bij de ontwikkeling en progressie vanchronische nierziekte(CKD), die wereldwijd een hoge morbiditeit en mortaliteit heeft, zelfs in de moderne tijd.3 Fibroblasten veroorzaken verschillende CKD-gerelateerde pathologische aandoeningen, zoals nierfibrose en nieranemie, ongeacht de etiologie van CKD. Bovendien spelen fibroblasten ook veelzijdige rollen op een contextafhankelijke manier. In verouderde beschadigde nieren spelen fibroblasten bijvoorbeeld een cruciale rol bij de vorming van tertiair lymfoïde weefsel (TLT), een induceerbaar ectopisch lymfoïde weefsel dat wordt veroorzaakt door chronische ontsteking.4 Het verduidelijken van de individuele kenmerken van fibroblasten zal de onderliggende mechanismen van fibroblast-gerelateerde pathologische aandoeningen en de ontwikkeling van effectieve therapieën te vergemakkelijken.

In deze review beschrijven we eerst de heterogeniteit van fibroblasten in termen van oorsprong en functie onder fysiologische omstandigheden. Vervolgens bespreken we de functionele heterogeniteit van fibroblasten in verschillende pathologische aandoeningen, waaronder orgaanfibrose, en hun interacties met andere celtypes en de omringende micro-omgeving. Speciale nadruk wordt gelegd op residente fibroblasten in denieren hun betrokkenheid bij de progressie van CKD. Ten slotte zal de bijdrage van fibroblasten aan de vorming van TLT en de klinische betekenis ervan worden besproken.

2|DE KENMERKEN VAN FIBROBLASTEN

2.1|Kenmerken en functies van fibroblasten onder fysiologische omstandigheden

Fibroblasten worden over het algemeen geïdentificeerd door hun morfologie, lokalisatie en representatieve markerexpressies, zoals PDGFR en CD73.1. Deze markers zijn echter niet absoluut specifiek voor fibroblasten, dus de afwezigheid van markers voor andere cellijnen (bijv. CD45 voor hematopoëtische cellen) ) wordt vaak gebruikt om fibroblasten te identificeren. Onder fysiologische omstandigheden dragen fibroblasten bij aan het behoud van de normale weefselstructuur door ECM-turnover te ondersteunen. Naast deze functies spelen residente fibroblasten ook weefselspecifieke rollen. In het hart bijvoorbeeld, waar fibroblasten de grootste celpopulatie vormen, voelen fibroblasten mechanische rek en interageren met myocyten via de gap junction, wat een geschikte elektrische geleiding mogelijk maakt en de normale hartfunctie handhaaft.⁵Bovendien leidt fibroblastuitputting in het beenmerg en de skeletspier tot bloedarmoede en cachexie,6 wat suggereert dat ze belangrijk zijn voor de homeostase van normaal weefsel in verschillende organen.

Denieris een uniek orgaan omdat meerdere soorten cellen dicht bij elkaar liggen en harmonieus functioneren om nierspecifieke rollen uit te oefenen, zoals het verwijderen van afvalproducten en het in stand houden van de lichaamsvloeistofbalans. Fibroblasten bieden structurele ondersteuning voor nefronen, de functionele basiseenheid van de nier, en hebben directe interactie met andere niercellen, zoals proximale tubulaire cellen. buitenste medulla produceren EPO als reactie op hypoxie, wat erytropoëse in het beenmerg stimuleert.8 EPO-producerende cellen bezitten neuronachtige dendritische morfologie en brengen neuronale markers tot expressie, zoals microtubule-associated protein 2 (MAP2) en neurofilament light polypeptide (NFL) .8 Interessant is dat onder ernstig anemische omstandigheden bijna alle aanwezige fibroblasten, inclusief die in de buitenste cortex, EPO produceren, wat wijst op de hoge plasticiteit van de fibroblastfunctie.9 De lokalisatie van EPO-producerende cellen staat in schril contrast met andere hematopoëtische groeifactoren , zoals granulocyt koloniestimulerende factoren, die worden gesynthetiseerd in de nabijheid van hun doelcellen en leuk op een paracriene manier. Een verklaring voor deze discrepantie is dat de fysiologische zuurstofconcentratie in de nier lager is dan in andere organen, en dat de renale bloedstroom ongeveer 20 procent van het hartminuutvolume uitmaakt, waardoor de nier de ideale biologische sensor voor hypoxie is.10 Nieren kunnen ook onmiddellijk detecteer de vloeistofstatus in het juxtamedullaire gebied en reguleer het extracellulaire volume door de hoeveelheid natriumreabsorptie aan te passen. Samen met de productie van EPO kunnen de nieren het plasmavolume en de rode bloedcelmassa op gunstige niveaus instellen en als een 'critmeter' dienen.^11,12Bovendien brengen fibroblasten in het niermerg COX1 en COX2 tot expressie, die sleutelenzymen zijn voor de synthese van prostaglandine (PG).¹³ Onder fysiologische omstandigheden hebben PG's meerdere functies in denier, zoals de regulering van de renale bloedstroom en de afgifte van renine. Over het algemeen dragen residente fibroblasten in de nier bij aan het behoud van de nierhomeostase door verschillende mechanismen.

2.2|Oorsprong van fibroblasten

De ontwikkelingsoorsprong van fibroblasten is heterogeen. In denier, hebben we eerder onthuld dat residente fibroblasten in de nierschors en buitenste medulla zijn afgeleid van myeline-eiwit nul (P0)-Cre-lijn-gelabelde extrarenale cellen.¹⁴ In de embryonale fase wordt P0 tot expressie gebracht op neurale lijstcellen.¹⁵ P0-Cre-gelabelde cellen migreren van de neurale lijst naar de embryonalenierop embryonale dag 13,5 en zijn gelokaliseerd samen met de buitenste capsule en urineleider van de nier. bij de volwassenenier, P0-Cre-gelabelde cellen worden waargenomen in het renale interstitium en brengen fibroblastmarkers zoals PDGFR en CD73 tot expressie. Interessant is dat de meeste EPO-producerende fibroblasten ook afstammingslabels hebben met P0-Cre, in overeenstemming met hun kenmerken van neuronachtige fenotypes die hierboven zijn beschreven.⁸ Deze resultaten worden ook ondersteund door de waarneming dat de belangrijkste bron van EPO in primitieve erytropoëse neurale en neurale lijstcellen zijn.¹⁶

Daarentegen zijn residente fibroblasten in de binnenste medulla van de nier lineage-gelabeld door Wnt4-Cre,¹⁷ als voorbeeld van de regionale heterogeniteit van de oorsprong van fibroblasten in denier. Bij nierontwikkeling wordt Wnt4-expressie waargenomen in de samenstellende nefronen en medullair stroma.18,19 Wnt4 reguleert de differentiatie van medullaire stromale cellen tot gladde spiercellen,²⁰ evenals mesenchymale-naar-epitheliale overgang en tubulogenese.19 Inderdaad, Wnt4-depletie verzwakt de expressie van gladde spieractine (SMA) in de medullaire stromale cellen.²⁰

In combinatie met de verschillende oorsprong van fibroblasten in de nierschors en medulla, zijn ook verschillende fenotypische verschillen tussen corticale en medullaire fibroblasten gemeld. Terwijl corticale fibroblasten bijvoorbeeld ecto-5'-nucleotidase (5'NT) tot expressie brengen, doen de meeste medullaire fibroblasten dat niet.²¹ In ultrastructurele analyse hebben corticale fibroblasten de neiging om een ​​dendritische structuur te vertonen om te interageren met aangrenzende cellen, terwijl medullaire fibroblasten lipidedruppeltjes bevatten.7,22 Interessant is dat deze lipidedruppeltjes ook voorkomen in de corticale fibroblasten van anemische rattennieren.²¹ Toekomstig onderzoek is nodig om te bepalen of deze fenotypische verschillen verband houden met functionele verschillen tussen corticale en medullaire fibroblasten.

2.3|Pericyten en fibroblasten

Pericyten zijn murale cellen die vasculaire endotheelcellen omringen en de microcirculatie regelen. Traditioneel worden pericyten voornamelijk gedefinieerd door hun anatomische locatie, hun morfologie en typische markerexpressie.²³ Pericyten hebben gemeenschappelijke kenmerken met residente fibroblasten, zoals hun mesenchymale oorsprong en morfologie. Pericyten brengen dezelfde cellulaire markers tot expressie als residente fibroblasten, zoals PDGFR. Hoewel er verschillende markers zijn gebruikt om pericyten te identificeren, zoals NG-2, zijn ze niet absoluut specifiek voor pericyten, en er is geen duidelijke marker die pericyten volledig onderscheidt van fibroblasten. De traceerefficiëntie van renale pericyten door NG-2 is inderdaad relatief laag.24 Hoewel de verschillen in de anatomische lokalisatie onder fysiologische omstandigheden gedeeltelijk helpen bij de differentiatie van pericyten van residente fibroblasten, bevinden sommige residente fibroblasten zich ook in het perivasculaire gebied. ("perivasculaire fibroblasten"), dus het onderscheid tussen pericyten en fibroblasten door anatomische lokalisatie is niet voldoende.

Net als fibroblasten is de oorsprong van pericyten heterogeen. Terwijl pericyten in het centrale zenuwstelsel en de thymus afkomstig zijn van de van het ectoderm afgeleide neurale lijst, zijn pericyten in het hart en de longen afgeleid van het mesothelium.²³ In de nier zijn pericyten afkomstig van FoxD1-positieve corticale mesenchymale voorlopers.²⁵ FoxD1 plus-cellen zijn oorspronkelijk afgeleid van Osr1-positieve nefrogene intermediaire mesoderm-voorlopers in de embryonale fase.^26,27FoxD1 plus-cellen dienen als mesenchymale voorlopers en differentiëren in verschillende celtypen, zoals pericyten, fibroblasten, vasculaire gladde spiercellen en mesangiale cellen.²⁷ Interessant is dat FoxD1-Cre-gelabelde stromale celpopulaties grotendeels overlappen met P0-Cre-gelabelde cellen, behalve in de binnenste medulla.^14,25,27Dit wordt bevestigd door de waarneming dat migrerende neurale lijstcellen in de embryonale fase FoxD1 tot expressie brengen.²⁸en P0-Cre-gelabelde cellen die de embryonale binnenkomenniertijdelijk FoxD1 tot expressie brengen.¹⁴ Consistent zijn EPO-producerende cellen ook lineage-gelabeld door FoxD1-Cre.²⁹ Daarom is er een grote overlap tussen celpopulaties gedefinieerd als "fibroblasten" en "pericyten" en als zodanig zijn pericyten en fibroblasten vaak als een geheel besproken. In deze review gebruiken we de term "fibroblasten/pericyten" om de celpopulatie te definiëren, inclusief zowel fibroblasten als pericyten. De bijdrage van FoxD1 plus mesenchymale voorlopers aan de myofibroblastpool en de ontwikkeling van fibrose zal in de volgende sectie worden besproken.

Hoewel het moeilijk was om pericyten van fibroblasten te onderscheiden, stelt een recent onderzoek dat scRNAseq van fibroblasten en murale cellen (vasculaire gladde spiercellen en pericyten) in spierorganen heeft uitgevoerd, ons in staat om hun verschillen op transcriptioneel niveau te begrijpen.³⁰ Muhl et al voerden scRNAseq uit van cellen afgeleid van muishart, skeletspier, colon en blaas. Hoewel elk celtype orgaanafhankelijke transcriptionele heterogeniteit vertoont, werden 90 gensubsets geïdentificeerd die elkaar overlappen in alle vier de organen en die kunnen worden gebruikt om onderscheid te maken tussen pericyten en fibroblasten. Hoewel veel voorkomende fibroblastmarkers veel ECM-genen bevatten (bijv. Col1a1), CD34 en PDGFR, omvatten murale celmarkers Mcam, Tagln en Notch3. Hoewel geen enkele marker alleen elk celtype volledig kan definiëren, onderscheidt de combinatie van deze markers op efficiënte wijze pericyten van fibroblasten. Interessant is dat pericyten orgaanspecifieke lokalisatie en markerexpressie vertonen in vergelijking met fibroblasten. Hoewel colonpericyten bijvoorbeeld zijn gelokaliseerd in de apex van de subepitheliale capillaire lussen met een sterke expressie van PDGFR en NG-2, hebben blaaspericyten de neiging om in plaats daarvan SMA tot expressie te brengen. De verschillende transcriptionele profielen van pericyten kunnen de functionele verschillen van pericyten tussen verschillende organen verklaren.

3|MYOFIBROBL A ST: OORSPRONG, FUNCTIE, HETEROGENITEIT EN VERWANTE PATHOLOGISCHE OMSTANDIGHEDEN

Fibrose is de laatste veel voorkomende manifestatie van orgaandyshomeostase en wordt gedefinieerd als overmatige ECM-afzetting met vervormde weefselarchitecturen. De ontwikkeling van fibrose wordt gereguleerd door de ingewikkelde balans tussen ECM-synthese en de afbraak ervan.31 Eenmaal ontwikkeld, wordt fibrose geassocieerd met een slechte prognose in verschillende organen, waaronder denieren wordt beschouwd als een betrouwbare voorspeller van achteruitgang van de orgaanfunctie. In de nier ontwikkelt fibrose zich gelijktijdig met renale anemie en verlies van peritubulaire capillairen, die beide kenmerkend zijn voor CKD. Bij de ontwikkeling van fibrose komen myofibroblasten de novo tevoorschijn na verwonding en prolifereren en synthetiseren ze actief ECM-componenten (Figuur 1).

3.1|De oorsprong van myofibroblasten

In het afgelopen decennium zijn verschillende cellulaire bronnen voorgesteld als kandidaten voor myofibroblast-voorlopers. Studies hebben aangetoond dat de meeste myofibroblasten afkomstig zijn van residente fibroblasten, zowel in denieren andere organen (bijv. hart).^14,32,33In denier, P0-Cre-gelabelde residente fibroblasten transdifferentiëren in myofibroblasten na verwonding, met gelijktijdig verlies van EPO-productie.¹⁴ Consistent, myofibroblasten bij gewondennierenzijn ook afstammelingen gelabeld door FoxD1-Cre.²⁵ Deze resultaten werden bevestigd door een daaropvolgende studie met EPO-Cre-muizen onder unilaterale ureterale obstructie (UUO), een belangrijk in vivo experimenteel model van nierfibrose.⁹ In myofibroblasten worden NFκB- en Smad-signalering geactiveerd en deze liggen ten grondslag aan de fenotypische overgang van myofibroblasten en verminderde EPO-productie. Interessant is dat de EPO-productie in myofibroblasten wordt hersteld door neuroprotectieve middelen toe te dienen, zoals dexamethason en neurotrofinen,¹⁴ of omkeren UUO,⁹ voorbeeld van de hoge functionele plasticiteit van myofibroblasten.

In tegenstelling tot corticale myofibroblasten, zijn medullaire myofibroblasten afkomstig van Wnt4 plus residente fibroblasten in de binnenste medulla.¹⁷ Een recente eencellige transcriptionele analyse ondersteunt ook de mogelijkheid dat corticale en medullaire (myo)fibroblasten verschillende fenotypes kunnen vertonen. snRNAseq op muizennierletselmodellen onthulden dat subpopulaties van fibroblasten zijn onderverdeeld in vier groepen op basis van hun corticale of medullaire plaats van oorsprong.³⁴ Interessant is dat corticale fibroblasten Acta2 en Col1a1 tijdelijk alleen in de acute fase van IRI tot expressie brengen, terwijl medullaire fibroblasten aanhoudende expressie van deze myofibroblastmarkers vertonen, zelfs 6 weken na IRI. Deze fenotypische verschillen tussen corticale myofibroblasten en medullaire myofibroblasten kunnen voortkomen uit de verschillende oorsprong van fibroblasten, zoals hierboven beschreven.

Een recent gepubliceerde uitgebreide studie leverde overtuigend bewijs dat de meeste myofibroblasten afkomstig zijn van residente fibroblasten/pericyten, niet alleen in de nieren van de muis, maar ook in de nieren van de mens. Kuppe et al analyseerden fibrotische bij mensen en muizennierendoor scRNAseq met zeer hoge resolutie.35 De meeste myofibroblasten zijn gedifferentieerd van fibroblasten en pericyten, met een kleine bijdrage van andere celtypen zoals gededifferentieerde proximale tubulaire cellen. In deze studie werden myofibroblasten gedefinieerd als de cellen die de meeste ECM-genen tot expressie brengen, in plaats van SMA-expressie, en er werd onthuld dat myofibroblasten efficiënter worden gemarkeerd door periostine (Postn). Interessant is dat de overgang van fibroblast/pericyt naar myofibroblast wordt gekenmerkt door de vroege expressie van genen die verband houden met het beëindigen van de celcyclus, zoals activator-eiwit-1 (AP1). De expressie van AP1 wordt gevolgd door de expressie van integrines en TGF , die beide belangrijke aanjagers zijn van nierfibrose. Ze identificeerden ook Nkd2 als de selectieve marker voor volwassen myofibroblasten. Nkd2-expressie is positief gecorreleerd met Postn- en ECM-expressie, maar negatief met genen geassocieerd met fibroblasten en pericyten. Knockdown van Nkd2 aannierorganoïden onderdrukten de Col1a1-expressie, wat suggereert dat Nkd2 een rol zou kunnen spelen bij de ontwikkeling van fibrose. Hoewel verdere validatie in vivo nodig is, bestaat de mogelijkheid dat Nkd2 kan dienen als een therapeutisch doelwit voor nierfibrose.

Hoewel de bijdrage van fibroblasten/pericyten aan de myofibroblastenpool het meest significant is, is ook de bijdrage van fibrocyten gerapporteerd. Fibrocyten zijn van beenmerg afgeleide cellen met positieve hematopoëtische markers, die collageen- en ECM-componenten produceren. Fibrocyten migreren naar denierals voorgedifferentieerde collageenproducerende cellen en dragen bij aan de ontwikkeling van fibrose in de nier.³⁶ Vroege studies rapporteerden tegenstrijdige resultaten met betrekking tot de algehele bijdrage van fibrocyten aan myofibroblasten,^24,37voornamelijk vanwege de verschillen in de betrouwbaarheid van transgene reporters. Recente studies die gebruik maakten van parabiosemodellen en scRNAseq toonden aan dat de meeste myofibroblasten zijn afgeleid van fibroblasten/pericyten, maar niet van cellen die van hematopoëtische afkomst zijn afgeleid.³⁸ scRNAseq van de mensnierbracht ook vergelijkbare resultaten aan het licht,³⁵ wat suggereert dat de bijdrage van fibrocyten aan de myofibroblastpool relatief klein is in vergelijking met fibroblasten / pericyten.

Een eerdere studie voerde aan dat epitheelcellen transdifferentiëren tot myofibroblasten door epitheliale-naar-mesenchymale overgang (EMT),³⁹ voornamelijk gebaseerd op de colokalisatie van epitheliale en mesenchymale markers. Gedetailleerde onderzoeken naar het traceren van het lot van cellen stelden echter vraagtekens bij de grote bijdrage van EMT in vivo en toonden aan dat EMT slechts een klein deel van de myofibroblastpool uitmaakt, indien aanwezig.^24,25,35Endotheel-naar-mesenchymale overgang (EndoMT) is een ander biologisch proces waarbij endotheelcellen transdifferentiëren tot myofibroblasten. Hoewel sommige onderzoeken hebben aangetoond dat EndoMT bijdraagt ​​aan nierfibrose,^40-42de bijdrage van EndoMT aan de totale myofibroblastpopulaties lijkt minder significant te zijn dan die van fibroblasten/pericyten of fibrocyten.^24,35

3.2|Herdefiniëren van myofibroblasten

Traditioneel werden myofibroblasten gedefinieerd als cellen die kenmerken van zowel fibroblasten als gladde spiercellen bezitten en contractiel eiwit SMA tot expressie brengen.1 Verschillende onderzoeken hebben echter gesuggereerd dat, naast fibroblasten, myofibroblasten ook een hoge heterogeniteit vertonen, en SMA is een inconsistente marker voor myofibroblasten . Zoals eerder beschreven, in de recent uitgevoerde scRNAseq-analyse van fibrotischenieren, werden myofibroblasten gedefinieerd als de cellen met de meeste ECM-expressie, en Postn werd gebruikt om myofibroblasten te identificeren in plaats van SMA.³⁵Sun et al. gebruikten inderdaad Col-EGF/SMA-RFP dual reporter-muizen en onthulden dat slechts een klein deel van de collageenproducerende cellen SMA tot expressie brengen in nier- en longfibrosemodellen.⁴³ Een andere studie gaf ook aan dat gladde spiercellen en pericyten hogere niveaus van SMA tot expressie brengen dan my-fibroblasten, waardoor SMA een inconsistente marker is voor myofibroblasten, althans bij longfibrose.⁴⁴ Interessant is dat myofibroblasten worden onderverdeeld in vijf clusters door scRNAseq, en pseudo-tijdanalyse suggereert dat elk van hen verschillende stadia van my-fibroblast-overgang van fibroblasten vertegenwoordigt. 35 Verder validatieonderzoek is nodig om de functionele heterogeniteit van verschillende fibroblastsubtypes te bevestigen.

3.3|Functionele heterogeniteit van (myo)fibroblasten

Onder pathologische omstandigheden verwerven fibroblasten verschillende fenotypes en spelen ze verschillende rollen, afhankelijk van hun micro-omgeving en klinische context. In de longen is een hoge functionele heterogeniteit van residente fibroblasten gemeld, die via verschillende mechanismen bijdraagt ​​aan longfibrose.44-46 Er zijn verschillende subpopulaties van longfibroblasten die zich op verschillende anatomische locaties bevinden (alveolaire, adventitiële en peribronchiale fibroblasten), en elk van hen vertoont verschillende transcriptionele profielen in scRNAseq.44 Onder hen werd een unieke fibroblast-subpopulatie met hoge ECM-productie geïdentificeerd door de expressie van collageen triple helix repeat die 1 (Cthrc1) bevat. Cthrc1-positieve fibroblasten onderscheiden zich van alveolaire fibroblasten en worden voornamelijk waargenomen in de fibroblastische foci, de centrale plaats van fibrogenese. Ze vertonen een hoge migratie- en kolonisatiecapaciteit na de intratracheale transfer, wat wijst op hun pathologische functies. Deze resultaten geven aan dat verschillende subpopulaties van fibroblasten verschillende anatomische locaties in de long innemen, en Cthrc1 markeert schadelijke fibroblasten met hoge ECM-expressie. Een andere studie toonde aan dat fenotypische veranderingen van verouderde myofibroblasten in de longen ten grondslag liggen aan de verminderde capaciteit van longfibrose-resolutie bij oudere personen.47 Oudere myofibroblasten vertonen een hogere expressie van NADPH-oxidase 4 (Nox4), terwijl NFE2-gerelateerde factor 2 (Nrf2 ), dat de primaire regulator is van de anti-oxidatieve stressrespons, wordt neerwaarts gereguleerd. De redox-onbalans tussen Nox4 en Nrf2 veroorzaakt de verwerving van anti-apoptotische en senescente fenotypen in verouderde fibroblasten, wat aanhoudende fibrose bevordert. Inderdaad, in vivo blokkade van Nox4-activiteit door siRNA of een remmer van kleine moleculen herstelt het vermogen van fibroseresolutie bij oudere muizen, met verminderde senescentie- en anti-apoptose-fenotypen in myofibroblasten.

Een uniek fibroblastfenotype is ook gemeld bij IgG4-gerelateerde ziekte (IgG4-RD), die wordt gekenmerkt door IgG4-positieve plasmacelinfiltratie en storiforme fibrose.48 Hoewel de meerderheid van de patiënten met IgG4-RD goed reageren op behandeling met glucocorticoïden, was de onderliggende reden voor de therapeutische respons onduidelijk. We hebben onthuld dat de expressie van de glucocorticoïdreceptor (GR) significant opgereguleerd is in de aangetaste organen van patiënten, zoals de submandibulaire klieren, retroperitoneum ennieren.49 Interessant is dat GR voornamelijk tot expressie wordt gebracht op fibroblasten en op leukocyten van het aangetaste orgaan, wat gedeeltelijk verklaart waarom toediening van glucocorticoïden de ontwikkeling van fibrose bij IgG4-RD afzwakt. Hoewel de bijdrage van fibroblasten aan de ontwikkeling van IgG4-RD verder moet worden gevalideerd, illustreren deze resultaten de functionele heterogeniteit van fibroblasten bij de ontwikkeling van verschillende pathologische aandoeningen.

3.4|Nieranemie en peritubulaire capillair verlies: twee veel voorkomende pathologische aandoeningen veroorzaakt door fibroblastdisfunctie in de nier

Fibrose is de laatste gemeenschappelijke route van CKD, ongeacht de onderliggende etiologie. Fibrose in de niercortex wordt inderdaad beschouwd als de beste histologische voorspeller van nierdisfunctie bij CKD.50 Dit komt deels omdat fibrose nauw verband houdt met andere pathologische aandoeningen die vaak voorkomen bij CKD, zoals nieranemie en peritubulaire capillair verlies. Verschillende factoren veroorzaken de overgang van fibroblasten naar myofibroblasten en de ontwikkeling van fibrose in de nier, zoals proximale tubulaire schade.51,52 Zoals beschreven in het vorige hoofdstuk, differentiëren EPO-producerende fibroblasten/pericyten zich in myofibroblasten als reactie op verwonding, met gelijktijdig verlies van EPO-productie .14,29 EPO-productie wordt geïnduceerd in de hypoxische toestand en gereguleerd door hypoxie-induceerbare factoren (HIF's). Onder normoxische omstandigheden worden HIF's snel gehydroxyleerd door HIF-prolylhydroxylase-domeinbevattende eiwitten (PHD's) die de proteasomale afbraak van HIF's bevorderen. In denier, HIF-activering door Ph.D. remming herstelt de EPO-productie in myofibroblasten, en de PHD2-HIF2-as is de belangrijkste regulerende cascade.53 Interessant is dat de EPO-productie in FoxD1-Cre-gelabelde fibroblasten wordt opgereguleerd door de inactivatie van PHD2, maar niet door de inactivering van PHD1 of PHD3, wat suggereert dat de EPO-productie in deze cellen wordt gereguleerd door unieke mechanismen.⁵³ Hoewel de huidige standaardtherapie voor nieranemie de toediening van recombinant humaan EPO (rhEPO) is, wordt exogene toediening van rhEPO in verband gebracht met verschillende bijwerkingen, zoals hypertensie en trombotische gebeurtenissen.^54,55Om deze nadelen van rhEPO te overwinnen, heeft Ph.D. remmers die hypoxie-geïnduceerde genen opreguleren, waaronder EPO, zijn ontwikkeld en gebruikt voor de behandeling van nieranemie.⁵⁶ Hoewel verdere studies nodig zijn met betrekking tot de nadelige effecten op lange termijn van Ph.D. remmers, gericht op myofibroblasten om endogene EPO-productie te induceren, zou een veelbelovende en gunstige therapeutische strategie kunnen zijn voor nieranemie bij CKD.

Peritubulair capillair verlies en capillaire verdunning ontwikkelen zich ook in combinatie met fibrose, en de functionele verandering van pericyten ligt ten grondslag aan deze manifestaties.^57-59In denierperitubulaire capillairen zijn omgeven door pericyten, die de capillaire structuur ondersteunen en functioneren onder fysiologische omstandigheden. Na de verwonding maken deze pericyten zich los van de peritubulaire capillairen en migreren naar de beschadigde tubuli.^53,60 In dit proces verliezen peritubulaire capillairen de mechanische ondersteuning van pericyten, wat leidt tot|201 ARAI et al. capillaire regressie en verdunning.^57,58In het UUO-model ontwikkelen endotheelcelapoptose en peritubulaire capillaire verlies zich samen met de progressie van fibrose.⁶¹ Bovendien zijn de peritubulaire capillairen van fibrotischenierenvertonen morfologische afwijkingen, zoals caveolae-vorming en vacuolisatie, en hun permeabiliteit is verhoogd, zoals blijkt uit de verhoogde extravasatie bij microscopische beeldvorming met twee fotonen.⁶² Inderdaad, de verminderde renale bloedtoevoer die wordt veroorzaakt door peritubulaire capillair verlies en verdunning wordt gedetecteerd in CKD-muismodellen door contrastversterkte microcomputertomografie.63 Samen met de ontwikkeling van fibrose en relatieve EPO-deficiëntie draagt ​​peritubulaire capillair verlies bij aan de afname van de zuurstoftoevoer naar niertubuli en interstitium, wat nierbeschadiging verergert en een vicieuze cirkel van CKD-progressie vormt.⁶⁴

4|FUNCTIONELE HETEROGENITEIT VAN FIBROBLASTEN BUITEN FIBROSE

Recente studies met scRNAseq-analyse hebben de fenotypische heterogeniteit van fibroblasten onder pathologische omstandigheden in verschillende organen aan het licht gebracht en bijgevolg de veelzijdige functies van fibroblasten aangetoond. Fibroblasten oefenen niet alleen nadelige effecten uit, maar hebben ook gunstige functies op een contextafhankelijke manier. In deze sectie bekijken we het huidige begrip van de diverse functies van fibroblasten, behalve de ontwikkeling van fibrose.

4.1|Ontstekingsfuncties

Fibroblasten bevorderen weefselontsteking in verschillende contexten.⁶⁵ In het muismodel van een myocardinfarct bijvoorbeeld, drijven residente fibroblasten niet alleen cardiale fibrose, maar ook lokale ontstekingen aan tot een verslechterende hartfunctie. Na een myocardinfarct reguleren cardiale fibroblasten in het fibrotische gebied Sox9,^66,67wat een transcriptiefactor is die verantwoordelijk is voor de afzetting van ECM in chondrocyten.⁶⁸ De fibroblast-specifieke deletie van Sox9 in vivo verlicht hartontsteking en fibrose in de chronische fase na een myocardinfarct, wat leidt tot verbeterde linkerventrikeldisfunctie en myocardiale littekens. RNAseq van hartlittekenweefsel onthulde dat Sox9-deletie in fibroblasten pro-inflammatoire genen, zoals IL-6, evenals collageengenen neerwaarts reguleert. ChIPseq op chondrocyten van zoogdieren onthulde dat sommige van deze pro-inflammatoire genen direct zijn gebonden door Sox9 bij de enhancer-laesie.69 Alles bij elkaar genomen, hoewel stroomopwaartse signalen voor SOX9-upregulatie verder moeten worden onderzocht, suggereren deze bevindingen dat Sox9 in hartfibroblasten zowel fibrose als ontsteking reguleert na myocardinfarct, en kan worden beschouwd als een nieuw therapeutisch doelwit.

De pro-inflammatoire fenotypen van subpopulaties van fibroblasten zijn ook intensief onderzocht bij reumatoïde artritis (RA). Croft et al. onderzochten muismodellen voor het oplossen van en persisterende artritis en onthulden dat fibroblastactiveringseiwit-a (FAPa)-positieve fibroblasten zich ophopen in het ontstoken gewricht.70 De deletie van FAPa plus fibroblasten verzwakt lokale ontsteking en gewrichtsmisvorming, wat hun pathologische functies suggereert. Interessant is dat FAPa plus fibroblasten door scRNAseq worden onderverdeeld in twee verschillende subpopulaties: FAPa plus THY1 plus fibroblasten en FAPa plus THY1- fibroblasten. FAPa plus THY1 plus fibroblasten zijn gelokaliseerd in de synoviale onderlaag, terwijl FAPa plus THY1- fibroblasten zich in de synoviale laag bevinden. Naast hun ruimtelijke verschil zijn deze fibroblasten functioneel verschillend; de adoptieve overdracht van FAPa plus THY1 plus fibroblasten naar het gewricht veroorzaakt ernstige lokale ontsteking met verhoogde infiltratie van leukocyten, terwijl de overdracht van FAPa plus THY1- fibroblasten leidt tot verhoogde osteoclastactiviteit en gewrichtsmisvorming zonder de ontsteking te verergeren. Deze functioneel verschillende fibroblasten worden ook waargenomen in menselijke gewrichten met RA. FAPa plus THY1 plus fibroblasten komen inderdaad meer voor in de gewrichten van RA-patiënten dan patiënten met osteoartritis (OA), 70 wat een voorbeeld is van hun inflammatoire signatuur. Een andere studie onderzocht menselijke synoviale weefsels door bulk RNAseq en scRNA-seq en identificeerde drie belangrijke subsets van fibroblasten met verschillende oppervlakte-eiwitexpressie.⁷¹ Onder hen breiden Pdpn plus THY1 plus CD34−-fibroblasten uit in de perivasculaire zone van het ontstoken synovium en zijn positief gecorreleerd met de ernst van synoviale ontsteking bij RA. Pdpn plus THY1 plus CD34−-fibroblasten vertonen in vitro hoge migratie- en proliferatieve profielen. Interessant is dat de meeste van deze Pdpn plus THY1 plus CD34- fibroblasten cadherine-11 tot expressie brengen, wat ten grondslag ligt aan de pathologische kenmerken van muriene synoviale fibroblasten.72 Het onderliggende mechanisme om pro-inflammatoire fibroblasten bij RA te reguleren is ook onderzocht. Wei et al. onthulden dat Notch3-signalering de differentiatie regelt van THY1 plus sublimerende fibroblasten die ten grondslag liggen aan de synoviale ontsteking van RA. 73 Genetische uitputting of farmacologische blokkade van Notch3-signalering verzwakt gewrichtsontsteking en boterosie in het muismodel van RA. Over het algemeen geven deze bevindingen aan dat het specifiek richten op inflammatoire fibroblasten een veelbelovende therapeutische strategie kan zijn bij RA.

Fibroblasten fungeren ook als aangeboren immuuncellen. Pericyten/fibroblasten brengen verschillende patroonherkenningsreceptoren tot expressie, zoals Toll-like receptoren (TLR), en bevorderen de lokale ontstekingscascade. Leaf et al. onthulden dat nierpericyten schade-geassocieerde moleculaire patronen (DAMP's) detecteren die vrijkomen uit beschadigde cellen op een TLR- en MyD88-afhankelijke manier.74 Op dezelfde manier als klassieke immuuncellen, activeren pericyten het NLRP3-inflammasoom, wat leidt tot secretie van IL-1 en IL-18. Deze bevindingen tonen aan dat de interstitiële lokalisatie van pericyten / fibroblasten hen in staat stelt om initiële verwonding onmiddellijk te detecteren en te functioneren als de propagator van lokale ontsteking. Als een ander mechanisme om lokale ontstekingen te verspreiden, onthulde intravitale microscopische observatie dat pericyten hun morfologie veranderen tijdens ontsteking en gaten vormen tussen aangrenzende pericyten, wat de transmigratie en kruipen van neutrofielen vergemakkelijkt.⁷⁵

Fibroblasten dragen ook bij aan de vorming van TLT's in oude beschadigde nieren.4,76 Door homeostatische chemokinen zoals CXCL13 en CCL19 uit te scheiden, werven fibroblasten die zich in TLT's bevinden 202|ARAI et al. lymfocyten en bieden een functionele basis voor TLT, zoals besproken in de volgende sectie.

4.2|Regulatie van tumorprogressie

In de tumormicro-omgeving (TME) vormen kankergeassocieerde fibroblasten (CAF's) de grootste cellulaire component in het stroma van TME en spelen ze een belangrijke rol bij de pathogenese van kanker.⁷⁷ CAF's bevorderen de progressie van kanker via meerdere mechanismen, zoals ECM-remodellering en de afscheiding van groeifactoren en pro-inflammatoire cytokines. CAF's reguleren ook de rekrutering van immuuncellen en onderdrukken de antitumor-immuunreactie.^77,78CAF's vertonen een hoge functionele en regionale diversiteit, afhankelijk van hun aanwezige organen. In ductaal adenocarcinoom van de pancreas (PDAC) worden bijvoorbeeld twee verschillende subtypes van CAF's geïdentificeerd: een subset van CAF's bevindt zich naast tumorcellen met verhoogde expressie van SMA, terwijl de andere subset zich ver van tumorcellen bevindt en inflammatoire cytokinen afscheidt, zoals IL-6.⁷⁹Bij borstkanker worden CAF's ingedeeld in drie subpopulaties op basis van hun oorsprong, die elk onafhankelijke prognostische mogelijkheden hebben.80 Interessant is dat studies hebben gesuggereerd dat deze heterogene subpopulaties van CAF's kunnen worden onderverdeeld in twee functioneel verschillende subtypes: kankerbevorderende CAF's (pCAF's). ) en kankerremmende CAF's (rCAF's).77,81 Het bestaan ​​van rCAF's is gesuggereerd door de waarneming dat de genetische uitputting of functionele interventie van prolifererende CAF's de kankerprogressie niet remt, maar eerder bevordert.^82-84Hoewel de specifieke marker voor rCAF's nog moet worden bepaald, onthulde een recente studie dat rCAF's in PDAC worden gekenmerkt door de expressie van Mifflin,⁸⁵dat voor het eerst werd geïdentificeerd als een glycosylfosfatidylinositol-verankerd eiwit dat specifiek mesenchymale stromale/stamcellen markeert.86 Bij patiënten met PDAC is de infiltratie van Meflin plus CAF's positief gecorreleerd met gunstige resultaten. Bij de analyse van een subcutaan xenograft-muismodel verzwakte lentivirus-geïnduceerde Meflin-overdracht naar tumor-stromacellen de tumorgroei en SMA plus CAF-infiltratie. Het stroma van de tumoren van Mifflin-knock-outmuizen vertoont rechtere en bredere collageenstructuren, en het niveau van Mifflin-expressie in menselijke PDAC wordt geassocieerd met veranderde collageenstructuren. Aangezien kankerprogressie nauw verband houdt met matrixremodellering,87 suggereren deze bevindingen dat Meflin plus CAF's tumorprogressie onderdrukken door collageenremodellering te remmen. Hoewel verder onderzoek nodig is naar het onderliggende mechanisme van de ontwikkeling van Meflin plus CAF, zou de regulatie van rCAF's een nieuwe therapeutische strategie kunnen zijn bij antikankertherapie.

4.3|Regeneratieve functies

Hoewel de schadelijke effecten van fibroblasten onderzoeksinteresse hebben gewekt, zoals beschreven in de vorige sectie, bevorderen fibroblasten ook weefselregeneratie door letsel. Inderdaad, het remmen van de fibroblastfunctie leidt niet noodzakelijkerwijs tot een beter resultaat. De deletie van Postn plus myofibroblasten in het hart belemmert bijvoorbeeld de juiste littekenvorming, wat leidt tot ventriculaire ruptuur en hogere mortaliteit.³²

Recente studies hebben aangetoond dat, bij weefselbeschadiging en -herstel, een specifieke subpopulatie van fibroblasten regeneratieve effecten uitoefent in meerdere mechanismen. In de huid worden fibroblasten door lokalisatie onderverdeeld in twee categorieën: papillaire fibroblasten in de bovenste dermis en reticulaire fibroblasten in de onderste dermis.88 Na de verwonding worden reticulaire fibroblasten gerekruteerd naar de laesie voorafgaand aan de migratie van de papillaire fibroblasten en scheiden ze collageen uit dat verantwoordelijk is voor littekenvorming . Daarentegen dragen papillaire fibroblasten, die op een later tijdstip na een verwonding worden gerekruteerd, bij aan de regeneratie van de haarzakjes. Deze bevindingen geven aan dat ruimtelijk en functioneel verschillende fibroblast-subtypen op een gecoördineerde manier bijdragen aan de regeneratie van huidwonden. Een recente scRNAseq-analyse onthulde ook dat fibroblasten in huidwonden een hoge heterogeniteit vertonen en kunnen worden geclassificeerd in twaalf subclusters.89 Pseudotijd- en RNA-snelheidsanalyse toonden aan dat sommige van deze clusters differentiatietoestanden vertegenwoordigen naar contractiele fenotypes, terwijl andere regeneratieve fenotypes verwerven. Interessant is dat er een unieke subpopulatie van huidfibroblasten is geïdentificeerd die gespecialiseerd is in weefselherstel door letsel. Na huidbeschadiging stijgen fibroblasten die zich in de fascia bevinden, een gelatineuze vliezige structuur die de huid en de onderliggende stijve structuur scheidt, op naar het huidoppervlak.90 Als reactie op diepe verwondingen sturen fasciafibroblasten hun omringende composietmatrix in de wond en vormen een voorlopige matrix. De meeste van deze "fascia fibroblasten" zijn gelabeld door engrailed 1 (En1), die voor het eerst werd geïdentificeerd als de marker van fibrogene afstammingscellen in de dorsale huid van muizen.⁹¹ De overvloed aan fascia fibroblasten in de wond is positief gecorreleerd met de diepte van het litteken. Inderdaad, de genetische uitputting van fascia fibroblasten voorkomt dat de matrix in de wond wordt gestuurd en leidt tot defecte littekens. De implantatie van een ondoordringbare film onder de huid voorkomt migratie van fasciafibroblasten en resulteert in een open litteken. De bijdrage van een andere unieke subset van fibroblasten, adipocytenvoorlopercellen (APS), is ook gemeld; AP's werken samen met CD301b plus macrofagen en dragen bij aan huidregeneratie na verwonding.⁹² Over het algemeen suggereren deze bevindingen dat heterogene subpopulaties van fibroblasten met gespecialiseerde functies bijdragen aan huidregeneratie na verwonding.

Deze "regeneratieve fibroblasten" worden ook waargenomen in denier. Ultramicroscopische observatie onthulde dat myofibroblasten rond beschadigde tubuli migreren en ze structureel ondersteunen in het nierbeschadigingsmodel, wat suggereert dat myofibroblasten tubulaire celregeneratie kunnen vergemakkelijken.93 Door gebruik te maken van P0-Cre: DTR-muizen, waarbij difterietoxine (DT) wordt toegediend P0-Cre-gelabelde residente fibroblasten in de nier uitput, hebben we onthuld dat fibroblastuitputting in de vroege fase van letsel de tubulaire regeneratie verzwakt en de nierbeschadiging verergert.⁹⁴ Interessant is dat fibroblasten, als reactie op verwonding, de expressie van retinaldehyde dehydrogenase 2 (RALDH2), het snelheidsbeperkende enzym van retinoïnezuursynthese, opreguleren. Retinoïnezuurreceptor (RAR) wordt tot expressie gebracht op proximale tubulaire cellen en B-kristalline, het product van RAR-doelgenen, wordt uitsluitend opgereguleerd in beschadigde proximale tubulaire cellen. Een inverse agonist van RAR's verzwakt de proliferatie van tubulaire cellen in vitro. Aangezien het retinoïnezuur dat in het embryonale stadium wordt uitgescheiden door het stromale mesenchym,nierenis essentieel voor de ontwikkeling van de ureterknop,^95,96deze bevindingen suggereren dat RALDH2 plus myofibroblasten een belangrijke rol kunnen spelen bij de regeneratie van beschadigde proximale tubuli via retinoïnezuursignalering in de vroege fase van letsel.