Abstract

Achtergrond: De nier is een zeer complex orgaan met meerdere functies die essentieel zijn voor de gezondheid. Nierziekte treedt op wanneer de nieren beschadigd zijn en niet goed functioneren. Eencellige analyse is een krachtige techniek die ongekend inzicht geeft in normale en abnormale nierceltypen en ons begrip van de mechanismen van veelvoorkomende nierziekten zal veranderen.

Samenvatting: Ons begrip van de pathogenese van nierziekte wordt beperkt door onvolledige moleculaire karakterisering van de celtypen die verantwoordelijk zijn voor de nierfunctie. De toepassing van eencellige technologie in nieronderzoek heeft cellulaire heterogeniteit, genexpressieprofielen en moleculaire dynamiek in de ontwikkeling en progressie van nierziekte aan het licht gebracht. Eencellige analyse van renale organoïde en allotransplantaatweefsels heeft nieuwe inzichten opgeleverd in nierorganogenese, ziektemechanismen en therapeutische resultaten. Over het algemeen zal een beter begrip van de heterogeniteit van niercellen en de moleculaire dynamiek van nierziekte de diagnostische nauwkeurigheid verbeteren en helpen bij het identificeren van nieuwe therapeutische strategieën in de nefrologie.

Kernboodschap: In dit overzichtsartikel vatten we recent eencellig onderzoek naar nierziekte samen en bespreken we de impact van eencellige technologie op fundamenteel en klinisch nieronderzoek.

Trefwoorden

Eencellige technologie; Nierziekte; Immuuncel; Nier organoïde; Allograft;Cistanche-voordelen.

Invoering

De nieren zijn twee boonvormige organen die verantwoordelijk zijn voor het filteren van afval, overtollig water en andere onzuiverheden in het bloed en het produceren van urine. De nieren reguleren ook de pH, het zout- en kaliumgehalte en de bloeddruk; controle van de productie van rode bloedcellen; en activeert een vorm van vitamine D die het lichaam helpt calcium te absorberen. tot op heden lijden naar schatting 850 miljoen mensen wereldwijd aan een nierziekte, waaronder chronische nierziekte (CKD), acuut nierletsel, nierfalen en vele andere aandoeningen. Nierziekte treedt op wanneer de nieren beschadigd zijn en hun functies niet meer kunnen uitvoeren. Schade kan worden veroorzaakt door diabetes, hoge bloeddruk en een verscheidenheid aan andere chronische (langdurige) aandoeningen. Nierziekte kan leiden tot andere gezondheidsproblemen, waaronder osteoporose, zenuwbeschadiging, ondervoeding en hartaandoeningen. De huidige behandelingsstrategieën voor patiënten blijven niertransplantaties of dialyse, die kostbaar zijn.

Een verscheidenheid aan cellen in de nier, waaronder epitheel-, thylakoïde-, endotheel- en neuronale cellen, evenals immuuncelnetwerken, werken samen om de normale nierfunctie te behouden. Een beter begrip van de heterogeniteit van gezonde nieren en de processen die ten grondslag liggen aan nierziekte zal de moleculaire en histopathologische fenotypische definitie van de nier verfijnen en de ontwikkeling van nieuwe ziekteclassificaties ondersteunen. Eencellige technologie is potentieel voordelig bij het identificeren van cellulaire subtypes, toestanden en frequentieveranderingen tijdens het begin en de progressie van nierziekte. In de afgelopen jaren, met de snelle ontwikkeling van high-throughput single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technologie, is een uitgebreide cellulaire atlas van de normale nier geconstrueerd voor onderzoek naar nierprecisiegeneeskunde. Het Kidney Precision Medicine Project (KPMP) is wereldwijd ontwikkeld om menselijke nierbiopten te verkrijgen, nierweefselatlassen te maken, subpopulaties van ziekten te definiëren en uiteindelijk sleutelcellen, routes en doelen voor nieuwe therapieën te identificeren. Voortbouwend op de nier-geassocieerde eencellige transcriptionele dataset, analyseerden onderzoekers ook de genexpressieprofielen van ACE2, TMPRSS2 en SLC6A19 in niercelsubtypen, wat van cruciaal belang is voor het begrijpen van de pathogenese van ernstig acuut respiratoir syndroom coronavirus 2. In deze review, we zullen ons richten op (1) de ontwikkeling en toepassing van eencellige technologie, (2) het gebruik van scRNA-seq om de ontwikkeling en progressie van nierziekten te bestuderen, (3) het moleculair in kaart brengen van immuuncellen bij nierziekten, ( 4) de toepassing van scRNA-seq op nierachtige organen, en (5) het gebruik van scRNA-seq om niertransplantaten diepgaand te bestuderen (Figuur 1).

Klik hier om te krijgende effecten van Cistanche op de nieren

Ontwikkeling en toepassing van eencellige transcriptomische technologie

Een enkele cel is de basiseenheid van het leven. Eencellige analysetechnieken hebben een revolutie teweeggebracht in ons vermogen om celsamenstelling te identificeren, moleculaire dynamiek te volgen en pathologische mechanismen te onthullen. Vroege wereldwijde eencellige genexpressie-analyse werd uitgevoerd met behulp van microarray- en qPCR-technieken. Tietjen et al. gebruikte eencellige microarrays om de moleculaire expressieprofielen van individuele neuronen en voorlopercellen te volgen en om signaalroutes in verschillende ontwikkelingsstadia te definiëren. Bovendien identificeerde analyse van eencellige expressie verschillende zich ontwikkelende celsubtypen die nieuwe pancreasgenen hebben, wat nieuwe inzichten opleverde in de ontwikkeling van de alvleesklier. Deze klas ontwikkelde eencellige qPCR-technieken en paste deze toe op de studie van belangrijke regulerende genen bij de ontwikkeling van blastocysten bij muizen en differentiatie van hematopoëtische afstamming.

Met de komst van sequencingtechnologieën van de volgende generatie heeft scRNA-seq duidelijke voordelen laten zien bij het onderscheiden van verschillende isovormen, allelische expressie en nieuwe transcripties in afzonderlijke cellen tegen lagere kosten. in 2009, Tang et al. rapporteerde de eerste eencellige mRNA-sequencing van het hele transcriptoom, waarmee de complexiteit van transcriptievarianten in oöcyten of oöcyten van een enkele muis werd aangetoond. smart-seq was 2012 is ontwikkeld om transcripten van volledige lengte in enkele cellen te detecteren, en door het toe te passen op zeldzame cellen, identificeerden onderzoekers kandidaat-biomarkers voor melanoom-circulerende tumorcellen. Een jaar later werd Smart-seq2 met verbeterde reverse transcriptie, leesdekking, bias en nauwkeurigheid geïntroduceerd. recente ontwikkelingen in Smart-seq3 hebben de gevoeligheid aanzienlijk verbeterd bij het detecteren van duizenden eencellige transcripties met allelische en isoforme resolutie. In tegenstelling tot op PCR gebaseerde amplificatiemethoden, legt CEL-seq efficiënte eencellige transcriptomen vast door multiplex lineaire amplificatie. Een studie waarbij CEL-seq werd gebruikt om de vroege embryonale ontwikkeling van Cryptobacterium hidradenoma te bestuderen, onthulde de reproduceerbare en gevoelige resultaten bij eencellige resolutie. Het eerste geautomatiseerde platform van scRNA-seq is Fluidigm C1, dat een microfluïdisch systeem gebruikt om afzonderlijke cellen in 96 of 384 kamers vast te leggen, gevolgd door cellysis, reverse transcriptie en PCR-amplificatie.

Sinds 2015 is eencellig onderzoek volledig het tijdperk van hoge doorvoer, lage kosten en automatisering binnengegaan met de voortdurende beschikbaarheid van Drop-seq, inDrop, 10× Genomics, Seq-well, Microwell-seq en SPLiTseq. Drop-seq en inDrop scheiden individuele cellen in druppeltjes ter grootte van een nanoliter en mengen ze met een unieke streepjescode om elke cel te labelen. Aan de andere kant maken Cyto-seq, Seq-well en Microwell-seq high-throughput single-cell mRNA-sequencing mogelijk door een cel en een streepjescodeparel in een microwell te vangen. Onze groep construeerde de eerste muiscelatlas en het menselijke cellandschap op het niveau van een enkele cel met behulp van Microwell-seq. Meer recentelijk worden hogere doorvoer en eenvoudigere methoden SPLiT-seq en sci-RNA-seq voor scRNA-seq genoemd. Deze methoden gebruiken de cel of kern zelf als de reactiekamer om cellen met een streepjescode te labelen door verschillende ronden van de verdeling van de pool. Alle cellen worden vervolgens onderworpen aan cDNA-PCR-amplificatie en sequentiebepaling. Cao et al. gebruikte sci-RNA-seq3 om de transcriptomen van ongeveer 2 miljoen organogene muizencellen en 4 miljoen menselijke foetale cellen te analyseren, wat een globaal beeld geeft van de ontwikkelingsprocessen van zoogdieren. Andere eencellige technologieën die genomische, proteomische en epigenomische analyses omvatten, zijn ook tot bloei gekomen; ze vallen echter buiten het bestek van dit document.

Voorkomen en progressie van nierziekte

De nier kan worden aangetast door veel voorkomende en ernstige ziekten, waaronder acuut nierletsel, glomerulonefritis, oplopende infecties (pyelonefritis) en kanker. Over het algemeen wordt ons begrip van de pathogenese van nierziekte beperkt door een onvolledige moleculaire karakterisering van de celtypen die verantwoordelijk zijn voor orgaanspecifieke functies. Om deze kenniskloof te dichten, hebben onze groep en Park et al. construeerde een transcriptionele atlas van de nier van een gezonde muis met behulp van scRNA-seq. De belangrijkste subtypes van epitheelcellen van de niereenheid omvatten steelcellen, proximale tubulaire epitheelcellen, Henle's ring, distale tubuli en verzamelbuiscellen. De studie identificeerde een nieuw migrerend celtype voor het verzamelen van ductale celpopulaties, waarmee eerdere bevindingen van interconversie tussen geïntercaleerde cellen en hoofdcellen in scRNA-seq-onderzoeken werden bevestigd. Bovendien hebben Ransick et al. analyseerde mannelijke en vrouwelijke volwassen nieren en genereerde een anatomische atlas van muizennierelementen op eencellig niveau. Onze groep voerde ook Microwell-seq-analyse uit van menselijk foetaal en volwassen nierweefsel. Naast epitheelcellen, endotheelcellen, stromale cellen en immuuncellen in het weefsel, identificeerden we eerder onbeschreven somatische celtypes van het s-type in de foetale nier en een nieuw migrerend celtype in de volwassen nier. Eencellige moleculaire profilering van het niervasculaire systeem onthulde gespecialiseerde expressieprofielen van de opbouwende nefronen en onthulde de pathogenese van nierziekte. Bovendien werden alle soorten glomerulaire cellen geïdentificeerd van gezonde muizen en verschillende ziektemodellen door eencellige transcriptoomclusteringanalyse, en werden nieuwe ziektegerelateerde genen en regulerende routes gedetecteerd in ziektemodellen, zoals de Hippo-route geactiveerd in podocyten na nefrotoxische immuunrespons. blessure.

Nierfibrose is een kenmerk van CKD en treft meer dan 10 procent van de wereldbevolking. In een heterogeen coëxistentiemodel van nierfibrose, Kramann et al. gebruikte scRNA-seq om te bevestigen dat monocyten een klein deel van de myofibroblasten bijdroegen, maar dat de meeste myofibroblasten afkomstig waren van mesenchymale cellen. Vervolgens hebben Kuppe et al. [37] analyseerde het transcriptoom van ongeveer 135,000 cellen van proximale en niet-proximale tubuli en bevestigde verder dat verschillende isovormen van MSC's de belangrijkste bijdrage leveren aan menselijke nierfibrose. Bovendien werd in een vergelijkende analyse van gezonde en fibrotische niermonocyten een myofibroblast-specifiek gen, naakte keratinocyt homoloog 2 (NKD2), geïdentificeerd als een potentieel therapeutisch doelwit voor menselijke nierfibrose. Op basis van 402 nierbiopten is fibrinogeen in de urine voorspeld als een niet-invasieve biomarker bij patiënten met CKD.

Gestandaardiseerde Cistanche

Diabetische nefropathie (DN) wordt gekenmerkt door gelijktijdige beschadiging van de glomeruli en het tubulaire interstitium. Er is echter relatief weinig bekend over hoe de cellulaire status en frequentie veranderen met het begin van de ziekte en de progressie van genexpressie. Om veranderingen in genexpressie van glomerulaire cellen in muizen-DN op te helderen, hebben Fu et al. voerde scRNA-seq-analyse uit en identificeerde verschillende nieuwe potentiële markers van glomerulaire cellen, waaronder Magi2, Robo2, Ramp3 en Fabp4. Bij diabetische nefropathie (DKD's) is de regulatie van angiogene en migrerende routes veranderd in endotheelcellen, terwijl translatie en eiwitstabiele regulerende routes sterk verrijkt zijn in thylakoïde cellen. Over het algemeen zullen veranderingen in de moleculaire dynamiek van endotheliale en thylakoïde cellen helpen bij het identificeren van belangrijke pathofysiologische factoren die bijdragen aan DN-progressie. Chung et al. beeldde het eencellige transcriptoom van glomeruli af in een muismodel van diabetes mellitus. Genexpressie was veranderd in thylakoïde en podocyten van ob/ob-muizen in vergelijking met controles. Proliferatieve routes werden geïnduceerd in thylakoïde cellen en aan celdood gerelateerde routes werden geïnduceerd in podocyten, consistent met veranderingen in celaantalverhoudingen. Uitgebreide analyse van gepubliceerde DKD scRNA-seq-datasets identificeerde 17 cruciale genen, wat ons begrip van de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de pathogenese van DKD's, verrijkte. Bovendien leverde onbevooroordeelde single nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) van gecryopreserveerde menselijke diabetische niermonsters 23.980 transcriptomen op van drie controlemonsters en drie vroege DN-monsters. De resultaten toonden celtypespecifieke veranderingen in genexpressie die een verhoogde kaliumsecretie in menselijke DN suggereren. Een eerdere studie waarin scRNA-seq en snRNA-seq in nieren van volwassen muizen werden vergeleken, toonde aan dat de laatste een efficiëntere vangstcapaciteit had. Glomerulaire podocyten, thylakoïde cellen en endotheelcellen werden bijvoorbeeld gevangen door snRNA-seq in plaats van door scRNA-seq. De toepassing van snRNA-seq minimaliseert de pseudo-effecten van enzymatische digestie en kan worden uitgevoerd op ingevroren monsters, wat naar verwachting zal leiden tot een bredere toepassing om de studie van pathologische mechanismen bij verschillende nieraandoeningen te versnellen.

Een nauwkeurig cellulair transcriptoom kan de oorsprong van niertumorcellen en de transcriptionele trajecten die kwaadaardige transformatie ondersteunen, onthullen. jong et al. definieerde normale en kankerachtige menselijke nierceltypen uit een catalogus van 72.501 eencellige transcriptomen. Door specifieke normale cellulaire correlaten van nierkankercellen (RCC's) te identificeren, leverde een studie bewijs voor de hypothese dat de tumorcellen van Wilms afwijkende foetale cellen zijn en dat RCC's mogelijk afkomstig zijn van een weinig bekend subtype van proximale tubulaire cellen. ScRNA-seq biedt dus een schaalbare experimentele strategie voor het karakteriseren van menselijke nierkankercellen met nauwkeurige kwantitatieve cellulaire moleculaire resolutie.

Moleculaire atlas van immuuncellen bij nierziekte

Immuuncellen zijn een fundamentele component van menselijke weefsels en spelen een belangrijke rol in het fysiologische en pathologische metabolisme. Het vermogen van het immuunsysteem om ziekteverwekkende of gevaarlijke signalen of kwaadaardige cellen te herkennen, is inderdaad cruciaal. De toepassing van eencellige technologie bij de studie van nierimmuuncellen heeft het potentieel om een ​​beter begrip van de rol van het immuunsysteem in de pathogenese van gezonde nieren en ziekte te vergemakkelijken, evenals om nieuwe therapeutische strategieën te identificeren. Deze inspanningen beginnen het complexe immuunlandschap binnen de nier in kaart te brengen en onthullen de relatie tussen weefsel-residente immuuncellen en hun wederzijds geactiveerde buren.

In 2018 zorgde de toepassing van scRNA-seq in nierweefsel van muizen voor een uitgebreid landschap van immuuncellen, waaronder residente macrofagen, neutrofielen, B- en T-lymfocyten en NK-cellen. Een jaar later werd een ongekende eencellige studie van de spatiotemporele organisatie van menselijke nierimmuuncellen opgezet. Weefsel-residente myeloïde en lymfoïde immuuncelnetwerken werden geïdentificeerd in foetale en volwassen nieren, en studies identificeerden postnataal verworven transcriptionele programma's die de bescherming tegen infecties bevorderen. Bovendien werd voorspeld dat overspraak tussen volwassen nierepitheelcellen en immuuncellen antibacteriële macrofagen en neutrofielen rekruteerde voor de meest gevoelige delen van de nier. Over het algemeen draagt ​​het uitgebreide immuunlandschap van de nier bij aan de studie van pathogene mechanismen en de identificatie van therapeutische doelen bij immuun- en infectieuze nierziekten.

Lupus-nefritis (LN) is een mogelijk dodelijke auto-immuunziekte waarvoor de huidige therapieën niet effectief en vaak toxisch zijn. De moleculaire en cellulaire processen die leiden tot nierbeschadiging en de heterogeniteit van LN blijven onduidelijk. scRNA-seq werd gebruikt door Arazi et al. om 21 ziektespecifieke subpopulaties van myeloïde, T-, natural killer- en B-cellen bij LN-patiënten te identificeren. Evenzo hebben Der et al. paste scRNA-seq toe op nier- en huidbiopsieweefsels van LN-patiënten. Type I interferon-responsscores van tubulaire epitheelcellen bleken hoger te zijn bij LN-patiënten dan bij gezonde controles. Bovendien werden inflammatoire en fibrotische kenmerken van tubulaire cellen geassocieerd met ineffectiviteit van de behandeling. In DKD toonde scRNA-seq-analyse significant hogere aantallen immuuncellen in diabetische glomeruli dan in controles. Deze studies suggereren dat de genexpressieprofielen van immuuncellen in urine, huid en nier sterk gecorreleerd zijn, wat suggereert dat urine- en huidbiopten een potentiële bron van diagnostische en prognostische markers voor nierziekte kunnen zijn.

Recente studies hebben de rol van immuuncellen aangetoond in modellen van nierziekte met eencellige resolutie. Unilaterale ureterobstructiemodellen worden veel gebruikt voor renale interstitiële fibrose, waarbij macrofagen en ontstekingscellen het renale interstitium infiltreren, wat leidt tot duidelijke veranderingen in de renale hemodynamica en het metabolisme. scRNA-seq is gebruikt in reversibele unilaterale ureterobstructiemodellen om het myeloïde cellandschap te ontleden tijdens progressie en regressie van fibrose. Conway et al. onthulde heterogeniteit in myeloïde cellen, met dynamische veranderingen in de relatieve verhoudingen van subpopulaties, monocyten worden vroeg in de verwonding gerekruteerd, Ccr2 plus macrofagen hopen zich laat in de verwonding op en een nieuw cluster van Mmp12 plus macrofagen speelt een rol in het herstelproces. Bij nierziekte en transplantatie wordt ischemie-reperfusieletsel (IRI) geassocieerd met ontsteking en rekrutering van leukocyten. experimentele modellen van IRI werden gebruikt om de functionele rol van 2 groepen aangeboren lymfoïde-achtige cellen in de nier te beoordelen, en de gegevens suggereren dat deze cellen overtollige functies hebben bij nierbeschadiging. Door scRNA-seq toe te passen op een IRI-model voor niertransplantatie, hebben Kremann et al. ontdekte dat daaropvolgende CXCR5 plus infiltratie van leukocyten resulteerde in verhoogde systemische CXCL13-niveaus. knRNA-seq werd ook toegepast op een IRI-muismodel door Kirita et al. om gedetailleerde cellulaire reacties na verwonding te karakteriseren en om een ​​duidelijke pro-inflammatoire en pro-fibrotische proximale tubuli-celtoestand te identificeren. Urinezuur, het uiteindelijke oxidatieproduct van het purinemetabolisme, wordt in verschillende ziektemodellen nauw geassocieerd met nierontsteking. NLRP3 (NOD-, LRR- en pyrine-bevattend structureel domein 3) detecteert bijvoorbeeld signalen van een teveel aan urinezuur en ontstekingsblaasjes worden geactiveerd bij hyperuricemische nefropathie. De specifieke immuunmechanismen die ten grondslag liggen aan door hyperurikemie geïnduceerde nierbeschadiging zijn echter niet bekend. De constructie van een inflammatoir lichaamslandschap op eencellig niveau in een model van hyperurikemie-geïnduceerde nierbeschadiging zal naar verwachting in de nabije toekomst worden gerealiseerd.

Immuuninfiltratie bestaat in niertumoren en wordt beïnvloed door de micro-omgeving van de tumor. Een eerdere studie toonde aan dat tumor-infiltrerende macrofaagpopulaties vasculaire endotheliale groeifactor A tot expressie brengen en betrokken zijn bij de complexe VEGF-signaalroute in RCC-weefsel. De huidige studie toont aan dat scRNA-seq tumorigenese kan aanpakken en vermeende pathofysiologische mechanismen en cellulaire signaleringsnetwerken kan identificeren die kunnen dienen als doelwit voor medicamenteuze therapie. Over het algemeen belicht de studie vorderingen in scRNAseq die inzicht geven in het immuunsysteem en de cellulaire netwerken die in gezonde en zieke nieren werken.

Kruiden Cistanche

Toepassing van scRNA-seq op nierorganoïden

Naast de studie van zieke nierweefsels, zijn nierorganoïden een belangrijk hulpmiddel geworden voor de studie van organogenese en ziektemechanismen, en hebben ze het potentieel om de ontwikkeling van therapieën als bron van alternatieve weefsels te versnellen. Tegelijkertijd hebben vorderingen in scRNA-seq geleid tot een meer gedetailleerde analyse van verschillende cellulaire subpopulaties en veranderingen in genexpressie in nierachtige organen.

Over het algemeen is een beter begrip van de embryonale ontwikkeling van de nieren op eencellig niveau nodig om de rijping van nierachtige organen te begeleiden. Single-cell transcriptomics-onderzoeken van de menselijke foetale nier hebben 22 celtypen en overeenkomstige merkergenen geïdentificeerd.

De vergelijking van verschillende ontwikkelingsstadia toont de continuïteit van de moleculaire dynamiek van voetcellen. Een andere eencellige analyse werd uitgevoerd op menselijke foetale nieren en van embryonale stamcellen afgeleide nierachtige organen. Vergelijkende analyse van eencellige ontwikkelingstrajecten in de nier onthulde vergelijkbare genexpressieprofielen in vivo en in vitro, behalve voor podocyten in een laat stadium, wat duidt op een onvolledig rijpingsproces van podocyt-achtige organen. Transplantatie-experimenten suggereren verder dat het thylakoïde en vasculaire lumen kunnen worden geoptimaliseerd met behulp van organoïde modellen. Een recent onderzoek waarbij posterieure mesenchymale en ureterknopachtige cellen van de nier werden gebruikt om nierorganoïden te genereren, toonde aan dat scRNA-seq de rijping van de proximale tubuli verbeterde en celpopulaties buiten het doelwit verminderde. scRNA-seq-analyse van van menselijke pluripotente stamcellen (PSC) afgeleide nierorganoïden werd uitgevoerd door Subramanian et al. en Wu et al. Vergeleken met menselijke foetale en volwassen nier eencellige datasets, vertoonden de verschillende nierachtige organen grotendeels reproduceerbare celtypen, maar met verschillende celverhoudingen vanwege de aanwezigheid van off-target cellen. Bovendien onthulde netwerkanalyse van transcriptiefactoren nier-organoïde differentiatieroutes, wat de kracht van eencellige technologie benadrukte bij het karakteriseren en begeleiden van organoïde-differentiatie.

Concluderend, menselijke nierachtige organen zijn een nuttige bron voor mijnbouwziektemodellen, potentiële regulatiemechanismen, high-throughput drugscreening en uiteindelijk regeneratieve therapieën. Deze studies benadrukken het potentiële gebruik van scRNA-seq in niermodelsystemen om in vivo fysiologische en pathologische processen op te helderen en richtlijnen te bieden voor toekomstig onderzoek naar de diagnose en behandeling van nierziekten.

Inzicht in niertransplantaten door scRNA-seq

Allogene niertransplantatie is een van de meest effectieve klinische behandelingen voor terminale nierziekte. Single-cell-technologie biedt de mogelijkheid om nierceltypen en -status nauwkeurig en nauwkeurig te karakteriseren met behulp van menselijke biopsiespecimens na allogene transplantatie. Het eerste gepubliceerde rapport van niertransplantatiebiopsiespecimens analyseerde 8746 eencellige transcriptomen en definieerde verschillende ontstekingsreacties. Monocyten vormden de niet-klassieke CD16 plus-groep en de klassieke CD16--groep; endotheelcellen vertoonden een rusttoestand en 2 antilichaam-gemedieerde afstotingstoestanden. Deze bevindingen dragen bij aan een beter begrip van immuunafstoting bij niertransplantatie. In een vergelijkende studie van niermonocyten van ontvanger- en donorbronnen vertoonden nierbiopsiespecimens significant verschillende transcriptionele genexpressie. Bij de ontvangers werden door ontsteking geactiveerde macrofagen en cytotoxisch tot expressie gebrachte T-cellen waargenomen. Evenzo hebben Liu et al. analyseerde cellen van chronische afstoting van niertransplantaten en matchte gezonde volwassen nieren op eencellig niveau. Clusteringanalyse zonder toezicht onthulde dat een verhoogd aantal immuuncellen en myofibroblasten in de groep met chronische niertransplantaatafstoting kan bijdragen aan nierafstoting en fibrose. Met name een recent onderzoek beeldde de eerste eencellige atlas van volwassen urine af en identificeerde SOX9 plus nierstam / voorlopercelpopulaties in urine. De progenitorcellen prolifereerden en differentieerden met succes in vivo, waarbij ze enkele eigenschappen van tubulaire cellen verwierven en een potentieel nuttig hulpmiddel vormden voor toekomstige niertransplantatietherapie. Over het algemeen biedt scRNA-seq-technologie nieuwe en inzichtelijke inzichten in afstoting van menselijke niertransplantaten, waardoor uiteindelijk de diagnostische nauwkeurigheid wordt verbeterd en de acceptatie van moleculaire biopsie-interpretatie wordt versneld.

Cistanche-supplementen

Conclusie

In het afgelopen decennium is scRNA-seq een onmisbaar hulpmiddel geworden voor transcriptoom-brede differentiële genexpressieanalyse om fysiologische biologie te bestuderen en moleculaire regulerende afwijkingen bij ziekte te identificeren. In tegenstelling tot traditionele discrete fenotypes, kan moleculaire karakterisering op het niveau van een enkele cel een systematische standaard bieden voor het karakteriseren van fenotypes van nierziekte. De toepassing van eencellige technologie in gezond nierweefsel of klinische nierbiopsiemonsters biedt een uitgebreide moleculaire atlas van de nier en verbreedt ons begrip van nefrologie. De Renal Single Cell Atlas zal een integraal onderdeel zijn van het internationale werk van de Human Cell Atlas, dat tot doel heeft een uitgebreide en systematische referentiekaart van het menselijk lichaam te produceren. In toekomstige studies wordt verwacht dat single-cell ultra-high-throughput en ruimtelijke transcriptoomanalyses ons begrip van de nier zullen vergroten. De integratie van multi-omics-gegevens zal de gepersonaliseerde diagnose en behandeling van nierziekten verder verbeteren.

REFERENTIES

1. Kriz W, Bankir L. Een standaardnomenclatuur voor structuren van de nier. De niercommissie van de internationale unie van fysiologische wetenschappen (IUPS). Nier Int. januari 1988; 33(1):1–7.

2. Kurts C, Panzer U, Anders HJ, Rees AJ. Het immuunsysteem en nierziekte: basisconcepten en klinische implicaties. Nat Rev Immunol. 2013 oktober; 13 (10): 738-53.

3. Luyckx VA, Al-Aly Z, Bello AK, Bellorin Font E, Carlini RG, Fabian J, et al. Duurzame ontwikkelingsdoelen zijn relevant voor de gezondheid van de nieren: een update over de voortgang. Nat Rev Nephrol. 2021 jan;17(1):15–32.

4. Clark AR, Greka A. De kracht van één: vooruitgang in eencellige genomica in de nier. Nat Rev Nephrol. 2020 feb;16(2):73–4.

5. Han X, Wang R, Zhou Y, Fei L, Sun H, Lai S, et al. De muizencelatlas in kaart brengen door microwell-seq. Cel. 2018 feb;172(5):1091–107.e17.

6. Park J, Shrestha R, Qiu C, Kondo A, Huang S, Werth M, et al. Single-cell transcriptomics van de muizennier onthult potentiële cellulaire doelen van nierziekte Wetenschap. 2018 mei; 360(6390):758-63.

7. Hochane M, van den Berg PR, Fan X, Bérenger-Currias N, Adegeest E, Bialecka M, et al. Single-cell transcriptomics onthult de dynamiek van genexpressie van de ontwikkeling van menselijke foetale nieren. PLoS Biol. 2019 feb;17(2): e3000152.

8. Han X, Zhou Z, Fei L, Sun H, Wang R, Chen Y, et al. Constructie van een menselijk cellandschap op eencellig niveau. Natuur. 2020 mei; 581(7808):303-9.

9. Liao J, Yu Z, Chen Y, Bao M, Zou C, Zhang H, et al. Eencellige RNA-sequencing van de menselijke nier. Wetenschappelijke gegevens. 2020 jan;7(1):4.

10. Precisiegeneeskunde in de nefrologie. Nat Rev Nephrol. 2020 nov;16(11):615.

11. Chen QL, Li JQ, Xiang ZD, Lang Y, Guo GJ, Liu ZH. Lokalisatie van celreceptorgerelateerde genen van SARS-CoV-2 in de nier door eencellige transcriptoomanalyse. Nier Dis. juli 2020;6(4):258–70.

12. Tietjen I, Rihel JM, Cao Y, Koentges G, Zakhary L, Dulac C. Eencellige transcriptionele analyse van neuronale voorlopers. Neuron. april 2003; 38 (2): 161-75.

13. Chiang MK, Melton DA. Eencellige transcriptanalyse van de ontwikkeling van de alvleesklier. Ontwikkel cel. 2003 maart; 4 (3): 383-93.

14. Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND, et al. Resolutie van beslissingen over het lot van cellen onthuld door eencellige genexpressie-analyse van zygote tot blastocyst. Ontwikkel cel. april 2010; 18 (4): 675-85.

15. Guo G, Luc S, Marco E, Lin TW, Peng C, Kerenyi MA, et al. Cellulaire hiërarchie in kaart brengen door eencellige analyse van het celoppervlakrepertoire. Cel Stamcel. 2013 okt;13(4):492-505.

16. Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: een revolutionaire tool voor transcriptomics. Nat Rev Genet. 2009 jan;10(1):57-63.

17. Tang F, Barbacioru C, Wang Y, Nordman E, Lee C, Xu N, et al. mRNA-Seq hele transcriptoomanalyse van een enkele cel. Nat-methoden. mei 2009; 6 (5): 377-82.

18. Ramsköld D, Luo S, Wang YC, Li R, Deng Q, Faridani OR, et al. MRNA-seq van volledige lengte van eencellige niveaus van RNA en individuele circulerende tumorcellen. Nat Biotechnol. 2012 augustus;30(8):777-82.

19. Picelli S, Björklund ÅK, Faridani OR, Sagasser S, Winberg G, Sandberg R. Smart-seq2 voor gevoelige full-length transcriptoomprofilering in afzonderlijke cellen. Nat-methoden. 2013 nov;10(11): 1096–8.

20. Hagemann-Jensen M, Ziegenhain C, Chen P, Ramsköld D, Hendriks GJ, Larsson AJM, et al. Eencellige RNA-telling bij allel- en isovormresolutie met behulp van Smart-seq3. Nat Biotechnol. 2020 juni;38(6):708–14.

21. Hashimshony T, Wagner F, Sher N, Yanai I. CEL-seq: eencellige RNA-seq door gemultiplexte lineaire amplificatie. Cell Rep. 2012 Sep;2(3): 666-73.

22. Yanai I, Hashimshony T. CEL-seq2-eencellige RNA-sequencing door gemultiplexte lineaire amplificatie. Methoden Mol Biol. 2019; 1979: 45-56.

23. Straten AM, Zhang X, Cao C, Pang Y, Wu X, Xiong L, et al. Microfluïdische eencellige hele transcriptoomsequencing. Proc Natl Acad Sci VS A. 2014 mei; 111 (19): 7048-53.

24. Klein AM, Mazutis L, Akartuna I, Tallapragada N, Veres A, Li V, et al. Druppelbarcodering voor eencellige transcriptomics toegepast op embryonale stamcellen. Cel. 2015 mei; 161 (5): 1187-201.

25. Macosko EZ, Basu A, Satija R, Nemesh J, Shekhar K, Goldman M, et al. Zeer parallelle genoombrede expressieprofilering van individuele cellen met behulp van nanoliter-druppels. Cel. 2015 mei; 161 (5): 1202–14.

26. Ventilator HC, Fu GK, Fodor SP. Expressie profilering. Combinatorische labeling van afzonderlijke cellen voor genexpressiecytometrie. Wetenschap. februari 2015; 347(6222):1258367.

27. Gierahn TM, Wadsworth MH, Hughes TK, Bryson BD, Butler A, Satija R, et al. Seq-well: draagbare, goedkope RNA-sequencing van afzonderlijke cellen met hoge doorvoer. Nat-methoden. april 2017; 14 (4): 395–8.

28. Cao J, Packer JS, Ramani V, Cusanovich DA, Huynh C, Daza R, et al. Uitgebreide eencellige transcriptionele profilering van een meercellig organisme. Wetenschap. 2017 aug;357(6352): 661–7.

29. Rosenberg AB, Roco CM, Muscat RA, Kuchina A, Sample P, Yao Z, et al. Eencellige profilering van de zich ontwikkelende muizenhersenen en het ruggenmerg met split-pool barcodes. Wetenschap. april 2018;360(6385):176-82.

30. Cao J, Spielmann M, Qiu X, Huang X, Ibrahim DM, Hill AJ, et al. Het eencellige transcriptionele landschap van organogenese bij zoogdieren. Natuur. februari 2019;566(7745):496-502.

31. Cao J, O'Day DR, Pliner HA, Kingsley PD, Deng M, Daza RM, et al. Een menselijke celatlas van foetale genexpressie. Wetenschap. 2020; 370(6518):370.

32. Chen L, Lee JW, Chou CL, Nair AV, Battistone MA, Păunescu TG, et al. Transcriptomen van de belangrijkste celtypen van het nierverzamelkanaal bij muizen geïdentificeerd door eencellige RNA-seq. Proc Natl Acad Sci VS A. 2017 nov;114(46): E9989–98.

33. Ransick A, Lindström NO, Liu J, Zhu Q, Guo JJ, Alvarado GF, et al. Eencellige profilering onthult geslacht, afstamming en regionale diversiteit in de nier van de muis. Ontwikkel cel. 2019 nov;51(3):399– 413.e7.

34. Barry DM, McMillan EA, Kunar B, Lis R, Zhang T, Lu T, et al. Moleculaire determinanten van nefronvasculaire specialisatie in de nier. Nat gemeenschappelijk. 2019 dec;10(1):5705.

35. Chung JJ, Goldstein L, Chen YJ, Lee J, Webster JD, Roose-Girma M, et al. Eencellige transcriptoomprofilering van de nierglomerulus identificeert sleutelceltypen en reacties op letsel. J Am Soc Nephrol. 2020 okt;31(10): 2341–54.

36. Kramann R, Machado F, Wu H, Kusaba T, Hoeft K, Schneider RK, et al. Parabiose en eencellige RNA-sequencing onthullen een beperkte bijdrage van monocyten aan myofibroblasten bij nierfibrose. JCI-inzicht. 2018 mei;3(9): e99561.

37. Kuppe C, Ibrahim MM, Kranz J, Zhang X, Ziegler S, Perales-Patón J, et al. Het decoderen van de oorsprong van myofibroblasten in menselijke nierfibrose. Natuur. 2021 jan;589(7841):281–6.

38. Wang H, Zheng C, Lu Y, Jiang Q, Yin R, Zhu P, et al. Urine-fibrinogeen als voorspeller van progressie van CKD. Clin J Am Soc Nephrol. december 2017; 12 (12): 1922–9.

39. Fu J, Akat KM, Sun Z, Zhang W, Schlondorff D, Liu Z, et al. Eencellige RNA-profilering van glomerulaire cellen toont dynamische veranderingen in experimentele diabetische nierziekte. J Am Soc Nephrol. 2019 april;30(4):533-45.

40. Zhang Y, Li W, Zhou Y. Identificatie van hub-genen bij diabetische nierziekte via meervoudige microarray-analyse. Ann Vertaal Med. 2020 aug;8(16):997.

41. Wilson PC, Wu H, Kirita Y, Uchimura K, Ledru N, Rennke HG, et al. Het eencellige transcriptomische landschap van vroege menselijke diabetische nefropathie. Proc Natl Acad Sci VS A. 2019 sep;116(39):19619–25.

42. Wu H, Kirita Y, Donnelly EL, Humphreys BD. Voordelen van single-nucleus ten opzichte van single-cell RNA-sequencing van de volwassen nier: zeldzame celtypen en nieuwe celtoestanden onthuld in fibrose. J Am Soc Nephrol. 2019 jan;30(1):23–32.

43. Young MD, Mitchell TJ, Vieira Braga FA, Tran MGB, Stewart BJ, Ferdinand JR, et al. Eencellige transcriptomen van menselijke nieren onthullen de cellulaire identiteit van niertumoren. Wetenschap. 2018 augustus;361(6402):594-9.

44. Stewart BJ, Ferdinand JR, Young MD, Mitchell TJ, Loudon KW, Riding AM, et al. Spatiotemporele immuunzonering van de menselijke nier. Wetenschap. 2019 sep;365(6460):1461–6.

45. Arazi A, Rao DA, Berthier CC, Davidson A, Liu Y, Hoover PJ, et al. Het immuuncellandschap in de nieren van patiënten met lupus nefritis. Nat Immunol. 2019 juli;20(7):902–14.

46. ​​Der E, Ranabothu S, Suryawanshi H, Akat KM, Clancy R, Morozov P, et al. Eencellige RNA-sequencing om de moleculaire heterogeniteit bij lupus-nefritis te ontleden. JCI-inzicht. 2017 mei;2(9):e93009.

47. Der E, Suryawanshi H, Morozov P, Kustagi M, Goilav B, Ranabothu S, et al. Tubulaire cellen en keratinocyten eencellige transcriptomics toegepast op lupus nefritis onthullen type I IFN en fibrose-relevante routes. Nat Immunol. 2019 juli;20(7):915–27.

48. Conway BR, O'Sullivan ED, Cairns C, O'Sullivan J, Simpson DJ, Salzano A, et al. Eencellige nieratlas onthult myeloïde heterogeniteit in de progressie en regressie van nierziekte. J Am Soc Nephrol. 2020 dec; 31(12):2833-54.

49. Cameron GJM, Cautivo KM, Loering S, Jiang SH, Deshpande AV, Foster PS, et al. Aangeboren lymfoïde cellen van groep 2 zijn overbodig bij experimenteel nierischemie-reperfusieletsel. Front Immunol. 2019;10:826.

50. Kreimann K, Jang MS, Rong S, Greite R, von Vietinghoff S, Schmitt R, et al. Ischemie-reperfusiebeschadiging triggert CXCL13-afgifte en B-celrekrutering na allogene niertransplantatie. Front Immunol. 2020;11:1204.

51. Kirita Y, Wu H, Uchimura K, Wilson PC, Humphreys BD. Celprofilering van acuut nierletsel bij muizen onthult geconserveerde cellulaire reacties op letsel. Proc Natl Acad Sci US A. 2020 juli;117(27):15874–83.

52. Wen L, Yang H, Ma L, Fu P. De rollen van NLRP3-inflammasoom-gemedieerde signaalroutes bij hyperuricemische nefropathie. Mol Cell Biochem. 2021 mrt;476(3):1377–86.

53. Nishinakamura R. Menselijke nierorganoïden: vooruitgang en resterende uitdagingen. Nat Rev Nephrol. 2019 okt;15(10):613–24.

54. Tran T, Lindström NO, Ransick A, De Sena Brandine G, Guo Q, Kim AD, et al. In vivo ontwikkelingstrajecten van menselijke podocyten informeren in vitro differentiatie van van pluripotente stamcellen afgeleide podocyten. Ontwikkel cel. 2019 juli;50(1):102–e6.

55. Uchimura K, Wu H, Yoshimura Y, Humphreys BD. Van menselijke pluripotente stamcellen afgeleide nierorganoïden met verbeterde rijping van het verzamelkanaal en letselmodellering. Celvertegenwoordiger 2020 dec;33(11):108514.

56. Subramanian A, Sidhom EH, Emani M, Vernon K, Sahakian N, Zhou Y, et al. Eencellige telling van organoïden van menselijke nieren toont reproduceerbaarheid en verminderde off-target cellen na transplantatie. Nat gemeenschappelijk. 2019 nov;10(1):5462.

57. Wu H, Uchimura K, Donnelly EL, Kirita Y, Morris SA, Humphreys BD. Vergelijkende analyse en verfijning van humane PSC-afgeleide nier organoïde differentiatie met single-cell transcriptomics. Cel Stamcel. 2018 dec;23(6):869–e8.

58. Czerniecki SM, Cruz NM, Harder JL, Menon R, Annis J, Otto EA, et al. High-throughput screening verbetert de differentiatie van nierorganoïden van menselijke pluripotente stamcellen en maakt geautomatiseerde multidimensionale fenotypering mogelijk. Cel Stamcel. 2018 juni;22(6): 929-e4.

59. Dvela-Levitt M, Kost-Alimova M, Emani M, Kohnert E, Thompson R, Sidhom EH, et al. Het kleine molecuul richt zich op TMED9 en bevordert lysosomale afbraak om proteïnopathie om te keren. Cel. 2019 juli;178(3):521–e23.

60. Wu H, Malone AF, Donnelly EL, Kirita Y, Uchimura K, Ramakrishnan SM, et al. Single-cell transcriptomics van een biopsiemonster van een allotransplantaat van een menselijke nier definieert een diverse ontstekingsreactie. J Am Soc Nephrol. 2018 aug;29(8):2069-80.

61. Malone AF, Wu H, Fronick C, Fulton R, Gaut JP, Humphreys BD. Gebruikmakend van enkele nucleotidevariatie en eencellige RNA-sequencing om immuuncelchimerisme in het afwijzende niertransplantaat te definiëren. J Am Soc Nephrol. 2020 Sep;31(9):1977–86.

62. Liu Y, Hu J, Liu D, Zhou S, Liao J, Liao G, et al. Eencellige analyse onthult het immuunlandschap in de nieren van patiënten met chronische transplantaatafstoting. Theranostiek. 2020; 10(19):8851-62.

63. Wang Y, Zhao Y, Zhao Z, Li D, Nie H, Sun Y, et al. Eencellige RNA-Seq-analyse identificeerde niervoorlopercellen uit menselijke urine. Eiwit Cel. april 2021;12(4):305–12.

64. Stark R, Grzelak M, Hadfield J. RNA-sequencing: de tienerjaren. Nat Rev Genet. nov 2019;20(11):631–56. 65 Regev A, Teichmann SA, Lander ES, Amit I, Benoist C, Birney E, et al. De menselijke celatlas. Elf. 2017;12:6.

Mengmeng Jiang^a,b; Haide Chen^{b, c}; Guoji Guo^{a, b, c, d, e}

a: Liangzhu-laboratorium, Zhejiang Universitair Medisch Centrum, Hangzhou, China;

b: Centrum voor stamcel- en regeneratieve geneeskunde, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, China;

c: Zhejiang Provincial Key Lab voor Tissue Engineering en Regeneratieve Geneeskunde, Dr. Li Dak Sum & Yip Yio Chin, Centrum voor Stamcel en Regeneratieve Geneeskunde, Hangzhou, China;

d: Beenmergtransplantatiecentrum, het eerste aangesloten ziekenhuis, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, China;

e: Instituut voor Hematologie, Zhejiang University, Hangzhou, China