Kako popraviti i liječiti akutnu ozljedu bubrega?
Mar 14, 2022
Kontakt: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com
Multi-omični pristupi akutnoj ozljedi bubrega i popravci
Louisa MS Gerhardt i Andrew P. McMahon
Abstract
Bubreg ima izuzetan regenerativni kapacitet. Kao odgovor na ishemijsku ili toksičnu ozljedu, stanice proksimalnih tubula mogu proliferirati kako bi obnovile oštećene tubule i obnovile funkciju bubrega. Međutim, teškaakutna povreda bubrega(AKI) ili rekurentni AKI (akutna povreda bubrega) događaji mogu dovesti do neprilagođenog popravka i progresije bolesti od AKI (akutna povreda bubrega) tohronična bolest bubrega(CKD). Primjena jednoćelijske tehnologije identificirala je oštećena stanja stanica proksimalnih tubula sedmicama nakon AKl (akutna povreda bubrega), odlikuje se proinflamatornim senescentnim molekularnim potpisom. Epigenetske studije su istakle dinamičke promjene u kromatinskom pejzažu bubrega nakon AKI (akutna povreda bubrega)i opisali su ključne faktore transkripcije povezane sa AKI (akutna povreda bubrega) odgovor. Integracija multi-omic tehnologija otvara nove mogućnosti za poboljšanje našeg razumijevanja AKI (akutna povreda bubrega) i pokretačke snage iza AKl (akutna povreda bubrega)-na-CKD prijelaz, s krajnjim ciljem dizajniranja prilagođenih dijagnostičkih i terapijskih strategija za poboljšanje AKI (akutna povreda bubrega) ishode i prevencijubolest bubregaprogresija.
Ključne riječi: Akutna povreda bubrega, Multi-omics, Epigenomics, jednoćelijsko RNA-sekvenciranje, ATAC sekvenciranje.
Uvod
Akutna povreda bubrega(AKI), dijagnosticirano naglim povećanjem serumskog kreatinina i/ili smanjenjem volumena urina, vrlo je preovlađujuće stanje povezano s povećanim morbiditetom i mortalitetom, kao i značajnim troškovima zdravstvene zaštite [1e4]. Na primjer, trenutni dokazi sugeriraju da najmanje 25 posto svih hospitaliziranih pacijenata sa COVID-19om razvije AKI (akutna povreda bubrega) i da ovi pacijenti imaju značajno veći rizik od smrtnosti od pacijenata sa COVID-19 bez AKI (akutna povreda bubrega) [5]. Pacijenti koji su preživjeli AKI (akutna povreda bubrega) imaju povećan rizik od prelaska u hroničnu i završnu fazu bolesti bubrega [3,4,6]. Prema godišnjem izvještaju američkog Renal Data Systema za 2018., samo 52,6 posto hospitaliziranih pacijenata iz odjela veterana, koji su imali AKI (akutna povreda bubrega)dijagnostički kriteriji, dobili su dijagnozu AKI (akutna povreda bubrega), pozivajući na veću svijest o AKI (akutna povreda bubrega) u bolničkoj rutini [7]. Nadalje, rana dijagnoza AKI (akutna povreda bubrega)ograničen je nedostatkom osjetljivih biomarkera i dostupnim opcijama liječenja za AKI (akutna povreda bubrega) i dalje se oslanjati na optimizaciju hemodinamike, izbjegavanje nefrotoksičnosti i terapiju zamjene bubrega.
Ćelije proksimalnih tubula, najzastupljeniji tip stanica u bubregu, odgovorne su za veliki dio reapsorpcije bubrežne tekućine i otopljene tvari i pojavile su se kao glavni igrači u adaptivnim i maladaptivnim odgovorima na AKI (akutna povreda bubrega) [8]. Zbog njihove visoke metaboličke aktivnosti i ovisnosti o oksidativnom metabolizmu, ishemija brzo dovodi do iscrpljivanja ATP-a, akumulacije reaktivnih vrsta kisika i konačno apoptoze ili nekroze stanica proksimalnih tubula (Slika 1). Ćelije proksimalnih tubula koje prežive ishemijski događaj imaju kapacitet da se dediferenciraju, proliferiraju i obnove oštećene tubule, igrajući tako bitnu ulogu u procesu adaptivnog popravka za obnavljanje funkcije bubrega [9-11]. Međutim, maladaptivne ćelije proksimalnog tubula, koje karakteriše proinflamatorni i profibrotični fenotip, takođe su uključene u progresiju bolesti od AKI (akutna povreda bubrega) do kronične bolesti bubrega (CKD), složenog procesa koji uključuje upalu, vaskularno razrjeđivanje i proizvodnju ekstracelularnog matriksa aktiviranim pericitima i miofibroblastima (Slika 1)[8,12]. Omics tehnologije koje ispituju genomsku organizaciju, ekspresiju gena i proteinske proizvode, kao što je analiza hromatina dostupnog transpozazi pomoću sekvenciranja (ATAC-seq), sekvenciranja mRNA i masene spektrometrije, dramatično su poboljšale molekularni uvid u ćelijske odgovore koje je pokrenuo AKI (akutna povreda bubrega). Nedavno je jednoćelijska primjena ovih pristupa omogućila proučavanje ćelijskih događaja u neviđeno visokoj rezoluciji. Ovi i drugi multi-omički pristupi obećavaju sveobuhvatno razumijevanje regulatornih mehanizama koji upravljaju bolestima bubrega, otvarajući nove puteve za otkrivanje biomarkera i lijekova. Ovaj rukopis daje pregled nedavnih otkrića primjene omics tehnologije napovreda bubregai popravke i razmatra buduće primjene multi-omskih pristupa za unapređenje razumijevanja i liječenjapovreda bubregaibolest bubrega.
Slika 1:Pregled AKI-ja i procesa.
Ćelije proksimalnih tubula su vrlo osjetljive na ishemiju, što može dovesti do ćelijske smrti kroz apoptozu i reguliranu (piroptoza, feroptoza, nekroptoza), kao i neregulisanu nekrozu i odvajanje i mrtvih i živih stanica u lumen tubule. Preživjele ćelije proksimalnih tubula (PTC) mogu se dediferencirati i razmnožavati kako bi obnovile arhitekturu i funkciju bubrega; međutim, neprilagođena popravka također može dovesti do progresije bolesti u kroničnu bubrežnu bolest (CKD). Ovaj proces karakterizira vaskularno razrjeđivanje, diferencijacija pericita u miofibroblaste, pojačano odlaganje fibroznog ekstracelularnog matriksa (ECM), gubitak tubula i kronična upala. Nfkb1 plus PTC-ovi koji se ne popravljaju, karakterizirani sekretornim fenotipom povezanim sa starenjem (SASP), vjerovatno igraju važnu ulogu u AKI (akutna povreda bubrega)-na-CKD prijelaz.
Genomika
Genomske studije imaju za cilj identifikaciju genetske osnove bolesti ciljanim sekvenciranjem gena kandidata na osnovu hipoteza ili sekvenciranjem cijelog genoma bez hipoteza. Ovdje ćemo se usredotočiti na studije asocijacija na nivou genoma (GWAS) koje koriste nepristrasan pristup za mapiranje varijanti sekvence u cijelom genomu na fenotipske karakteristike kao što su osobine bolesti i omogućavaju identifikaciju gena kandidata za mehaničke studije (Slika 2). U poređenju sa drugim osobinama bolesti, dostupan broj GWAS koji ispituje genetsku pozadinu AKI (akutna povreda bubrega) je malo. Ovo je djelomično zbog složene i heterogene prirode AKI (akutna povreda bubrega) kao osobina bolesti. AKI (akutna povreda bubrega) može biti uzrokovano mnoštvom različitih faktora kao što su ishemija, sepsa, nefrotoksični lijekovi i opstruktivna nefropatija. Trenutni dokazi sugeriraju da osnovni molekularni i ćelijski mehanizmi AKI (akutna povreda bubrega) imaju komponente specifične za uzrok [13,14], ali konsenzus definicija AKI (akutna povreda bubrega) — promjena u serumskom kreatininu i izlučenju urina — ne uzima u obzir različite AKI (akutna povreda bubrega) uzroci.
Ilustrovan je pojednostavljeni tok rada za studiju asocijacije na nivou genoma (GWAS) (gore lijevo). Da bi se proučila povezanost između genetskih varijanti i specifične osobine, na populaciji se izvodi sekvenciranje cijelog genoma ili genotipizacija pomoću nizova polimorfizma jednog nukleotida (SNP), a koriste se statistički testovi asocijacije za identifikaciju SNP-ova povezanih sa osobinom od interesa. Za jednoćelijsko sekvenciranje RNK (gore desno), priprema se jednoćelijska suspenzija, izoluju se pojedinačne ćelije i molekuli mRNA iz ćelije (ili jezgra) se hvataju na kuglice za naknadnu konverziju u cDNK. cDNK se amplificira i sekvence određuju sekvenciranjem sljedeće generacije (NGS) i mapiranjem sekvence u genom. Za epigenomsku analizu (dolje desno), nakon analize hromatina dostupnog transpozazi (ATAC) slijedi NGS i mapiranje sekvence kako bi se vizualizirala dostupnost hromatina u cijelom genomu. Hiperaktivna Tn5 transpozaza (Tn5) se koristi za specifično cijepanje mjesta otvorenog hromatina i istovremeno umetanje adaptera za sekvenciranje za NGS. Regije povećane dostupnosti hromatina prikazane su kao ATAC pikovi. Za proteomičku analizu masenom spektrometrijom (dolje lijevo), proteini se ekstrahiraju, razgrađuju u peptide i ioniziraju. U masenom spektrometru, joni se ubrzavaju, podvrgavaju magnetnom polju i mjeri se njihov omjer mase i naboja, što omogućava identifikaciju i kvantifikaciju proteina.
Do danas su dva veća GWAS ispitivala genetsku pozadinu AKI (akutna povreda bubrega). Prva studija je pokazala povezanost pojedinačnih nuklearnih polimorfizama (SNP) u GRM7 LMCD1-AS1 i BBS9 lokusu s AKI-om povezanim s operacijom koronarnog bajpasa (akutna povreda bubrega) u kohorti otkrića od 873 pacijenta i kohorti replikacije [15]. Drugi je kombinovao pacijente iz dvije različite kohorte kako bi formirao populaciju otkrića od 1429 kritično bolesnih pacijenata i identificirao četiri AKI (akutna povreda bubrega)-povezani SNP-ovi u neposrednoj blizini ili interferonskog regulatornog faktora 2 (IRF2) ili transkripcionog faktora T-box 1 (TBX1)[16]. Zanimljivo je da je IRF2 povezan s piroptozom i ima regulatornu ulogu u imunološkom sistemu[17,18], a TBX1 je dio porodice gena T box, grupe faktora transkripcije sa važnom ulogom u ćelijskoj sudbini i regulaciji stanja ćelije [19]. ]. Međutim, povezanost između AKI (akutna povreda bubrega) i ovi lokusi se nisu mogli reproducirati u prospektivnoj kohorti kritično bolesnih pacijenata, koji su posebno genotipizirani za identificirane SNP[20]. Ovo naglašava potrebu za još većim uzorcima za budući AKI (akutna povreda bubrega) GWAS i ilustruje poteškoće u identifikaciji robusnih genetskih faktora rizika za heterogene bolesti kao što je AKI (akutna povreda bubrega).
Osim toga, analize lokusa kvantitativnih osobina ekspresije (eQTL) vjerovatno će pomoći u prevođenju uvida stečenih pomoću GWAS-a na mehanizme bolesti. OTL analize imaju za cilj identifikaciju lokusa koji objašnjavaju dio varijanse ekspresije gena u tkivu i mogu se koristiti za povezivanje SNP-ova u nekodirajućem genomu sa ciljanom ekspresijom gena. Na primjer, integrativni pristup koji kombinuje GWAS, eOTL i funkcionalne eksperimente doveo je do identifikacije gena uključenih u patogenezu CKD [21-23].
Slika 2:Shema odabranih omics tehnologija.
Transkriptomika
Pojava novih skalabilnih tehnologija za proučavanje transkriptoma ćelija unutar oštećenog bubrega revolucionirala je naše razumijevanje ćelijskih odgovora na AKI (akutna povreda bubrega), otkrivajući nova stanična stanja i naglašavajući dinamički promjenjivi transkripcijski krajolik bubrega koji se obnavlja. Sekvenciranje bulk mRNA bubrega u toku jedne godine nakon AKI (akutna povreda bubrega) pokazao vremenski specifične promjene ekspresije gena koje se odnose na tubularne ozljede, proliferaciju, popravku, fibrozu i imunitet [24]. Ovaj miš AKI (akutna povreda bubrega) podaci biobanke pokazali su da su geni povezani s upalom još uvijek pojačano regulirani godinu dana nakon AKI (akutna povreda bubrega), što ukazuje na perzistentnu upalu kao pokretački faktor progresije bolesti u CKD. Grupno sekvencioniranje mRNA rutinskih transplantiranih biopsija bubrega omogućilo je profiliranje kratkoročnih i dugoročnih transkripcijskih promjena u transplantaciji bubrega kod ljudi izazvanih ishemijskom/reperfuzijskom ozljedom (IRI) tokom transplantacije [25]. Sve biopsije bubrega uzete su u prvim satima nakon reperfuzije pokazale su sličan transkripcijski profil karakteriziran aktivacijom gena trenutnog do ranog odgovora, od kojih mnogi kodiraju regulatorne faktore transkripcije.
3 i 12 mjeseci nakon transplantacije, međutim, mogu se ocrtati dvije divergentne putanje povezane s oporavkom ili progresijom u CKD. Putanja slična CKD pokazala je smanjenje ekspresije gena povezanih s mitohondrijalnom biogenezom i povećanjem gena povezanih s upalom i fibrozom, kao što je uočeno na mišjem modelu AKI (akutna povreda bubrega) [24,25]. Studije na miševima i ljudima ukazuju na istaknutu ulogu aktivnosti T- i B-ćelija i pojavu centara tercijarnog limfoidnog tkiva u dugoročnim ishodima AKI (akutna povreda bubrega) [25,26]. Analiza mišjeg AKI (akutna povreda bubrega) skupovi podataka o bio-banki i transplantaciji ljudskog bubrega dokazuju aktivnost B-ćelija vođenu autoantigenima, promovišući progresiju bolesti kroz trajni imunološki odgovor, godinu dana nakon AKI (akutna povreda bubrega) [27].
Iako se masovno sekvenciranje mRNA pokazalo vrlo informativnim u AKI (akutna povreda bubrega) ove tehnike se ne razlikuju odgovori specifični za tip ćelije. Genetski pristupi označavanju različitih tipova ćelija daju veću preciznost i dodatni uvid. Na primjer, prevođenje afinitetnog pročišćavanja ribosoma (TRAP) koristi eGFP označavanje ribosomske podjedinice L10a za identifikaciju specifične podskupine mRNA u pojedinačnim tipovima ćelija koje prolaze kroz aktivnu translaciju [28]. Prva TRAP studija u AKI (akutna povreda bubrega) istraživanje je koristilo genetski model CRE rekombinaze posredovane aktivacije eGFP-L10a kasete posebno unutar nefronskih, stromalnih, vaskularnih ili imunih tipova ćelija i pokazalo je jasne transkripcijske promjene povezane sa svakim ćelijskim kompartmentom nakon AKI (akutna povreda bubrega) [29]. Mnogi geni koji se odnose na bubrežnu tubularnu funkciju su smanjeni 24 h nakon AKI (akutna povreda bubrega). Nasuprot tome, geni uključeni u aktivnost antiapoptotičkog puta, ćelijsku proliferaciju i ćelijsko kretanje bili su značajno povećani. TRAP analiza ćelija proksimalnih tubula istaknutih markerom povrede Kim-1(kodiran od strane Hazel) pokazala je da je većina Kim-1-pozitivnih ćelija uspješno popravljena dvije sedmice nakon AKI (akutna povreda bubrega), iako je 15 posto zadržalo ekspresiju Kim-1 i markera povrede Sox9 [10], ističući trajno povrijeđeno stanje ćelija [30]. Klonska analiza je otkrila da je ekspanzija Kim-1 pozitivnih klonova ponovno naselila oštećene proksimalne tubule, podržavajući model popravke kroz dediferencijaciju ćelija proksimalnih tubula, a ne kroz specifičnu populaciju matičnih/progenitornih ćelija [30]. Transkripcija FoxMI je bila visoko regulisana u Kim-1-pozitivnim ćelijama proksimalnih tubula i pokazalo se da pokreće proliferaciju proksimalnih tubula in zitro na način koji zavisi od receptora epidermalnog faktora rasta [30]. Pristupi sekvencioniranja mRNA jedne ćelije velike propusnosti, ispitivanjem profila sekvenciranja mRNA cijele stanice (scRNA-seq) ili nuklearno-lokaliziranih transkripata mRNA (snRNA-seq), dramatično su poboljšali AKI (akutna povreda bubrega) studije. Ovi pristupi pružaju dubok molekularni uvid u ekspresiju gena na nivou ćelije kada se kombinuju sa moćnim računarskim pristupima, identifikujući varijabilne tipove ćelija i stanja ćelija u celom organu [31,32]. scRNA-seq počinje od suspenzije pojedinačnih ćelija ili pojedinačnih jezgara, koje su označene jedinstvenim molekularnim oznakama i lizirane (slika 2). mRNA se zatim reverzno transkribuje, amplificira i sekvencira. SnRNA-seq studija na bubrezima podvrgnutim jednostranoj opstrukciji uretera (UUO) identificirala je dva nova klastera stanica proksimalnih tubula 14 dana nakon UUO, od kojih je jedan imao jak proliferativni potpis, dok je drugi eksprimirao gene uključene u upalu i pokrete stanica, kao npr. Ccl2, II34, Cxcll i Dock10 [33].
Slična ćelijska populacija je evidentna u snRNA-seq studiji koja profilira oštećeni bubreg nakon IRI [34]. U prvim satima nakon IRI, dolazi do smanjenja normalne ekspresije gena proksimalnih tubula i izraženog transkripcionog odgovora uključujući neposredne rane gene i poznate markere povrede HuverI i Krt20 [24,25,34]. Do drugog dana nakon IRI, veliki dio ćelija proksimalnih tubula je pokazao proliferativni profil ili je povratio t transkripcijski potpis karakterističan za diferencirane ćelije proksimalnog tubula. Međutim, mala populacija proinflamatornih, profibrotičnih ćelija, koje karakteriše ekspresija Vcaml u većini ćelija, i koekspresija Cal2 u podskupu, predviđa aktivnost NF-KB familije transkripcionih faktora. Dok su se proliferirajuće ćelije proksimalnih tubula smanjile dvije sedmice nakon AKI (akutna povreda bubrega), povećane su proinflamatorne, profibrotične ćelije proksimalnih tubula, što ukazuje na vezu između neuspjele tubularne popravke i uočene proinflamatorne, profibrotične populacije stanica (Slika 1). Zanimljivo je da je dekonvoluciona analiza studija sekvenciranja skupne RNK sugerirala da se slična populacija povećava kako je bubreg normalno stario i nakon transplantacije.
U skladu s prethodno spomenutom studijom [34], genetski selektivni fokus na oštećene ćelije proksimalnog tubula četiri sedmice nakon blažeg AKI (akutna povreda bubrega), koristeći Krt20-T2A-CRE-ERT2 miševe za označavanje i pročišćavanje ozlijeđenih stanica proksimalnih tubula, pokazao je sličan povrijeđeni ćelijski fenotip: VcamI/Cal2 plus oštećenu populaciju proksimalnih tubula koja se dalje razlikovala po jakom proinflamatornom ( npr. Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) i profibrotski (npr. Pdgfb, ColAal) transkripcijski potpis, sa označenom aktivacijom NF-KB, TNF i AP-1 signalizacije [35]. Ove oštećene ćelije proksimalnog tubula dijele karakteristike sekretornog fenotipa povezanog sa starenjem (SASP) identificiranog u drugim ozlijeđenim organima (Slika 1)[35,36]. Za razliku od prethodnog AKI (akutna povreda bubrega) studija [12], nije uočeno značajno zaustavljanje G2/M ćelijskog ciklusa u ovoj populaciji. Dodatni eksperimenti mapiranja sudbine cikličnih ćelija pokazali su da je većina ćelija VcamI plus /Cal2 plus proksimalnih tubula, lokalizovanih na kortikomedularnoj granici, praćena nazad do ćelija proksimalnih tubula koje proliferiraju u prvim danima nakon AKI (akutna povreda bubrega). Međutim, kortikalne ćelije Vuamt plus/Cu2 proksimalnih tubula vjerovatno predstavljaju sekundarna mjesta ozljede, koja nisu povezana s ranom popravkom proksimalnih tubula povezanih s replikacijom.
sveobuhvatni atlas odgovora na ozljedu na reperfuziju jednostrane ishemije (UIR) koja izvodi scRNA-seq u više vremenskih tačaka od prvog do 14. dana nakon što je UIR otkrio povišenu ekspresiju u oštećenim stanicama Sox4 i Cd24a, gena identificiranih za ulogu u razvoju bubrega [37]. Nova ćelijska populacija, 'ćelije mješovitog identiteta', također je prijavljena koja pokazuje koekspresiju markera proksimalnog tubula (Sl34a7), debelog uzlaznog ekstremiteta (Umod) ili sabirnog kanala (Agp2). scRNA-seq podaci iz mišje nefropatije folne kiseline i UUO modela pokazali su da je smanjena ekspresija markera diferencijacije kao što su nosači otopljenih tvari u ozlijeđenim stanicama proksimalnih tubula povezana sa smanjenjem regulacije gena uključenih u metaboličke procese, kao što je oksidacija masnih kiselina [38]. Nuklearni receptor Esrra identificiran je kao važna veza između diferencijacije proksimalnih tubula i metabolizma jer je direktno regulirao ekspresiju metaboličkih i gena specifičnih za proksimalne tubule. Ova i druge scRNA-seq studije su takođe istakle ranije necenjenu raznolikost imunih ćelija u bolesnom bubregu [38,39].
Jedno važno ograničenje svih razmatranih tehnika transkriptomike je odsustvo prostornih informacija. Nove transkriptomske platforme sada omogućavaju prostornu vizualizaciju ekspresije mRNA žarenjem i fiksiranjem sekcija tkiva direktno na sonde sa jedinstvenim bar kodom, snimanjem odsječka tkiva i izvođenjem reverzne transkripcije in situ nakon čega slijedi oslobađanje sonde i sekvenciranje [40]. Sekvencirani transkriptomi se mogu naknadno mapirati nazad na snimljeni dio tkiva. Ova tehnologija prostorne transkriptomije omogućila je specifičnu lokalizaciju dva transkripcijski različita tipa ćelija segmenta proksimalnog tubula S3 [41] na korteks i vanjsku traku vanjske moždine [42]. Kod različitih mišjih AKI (akutna povreda bubrega) modela, dekonvolucija pojedinačnih prostornih transkriptomskih tačaka korištenjem scRNA-seq podataka otkrila je AKI (akutna povreda bubrega) model specifičnih obrazaca infiltracije imunih ćelija i omogućio identifikaciju različite Af3-ekspresijske populacije ćelija proksimalnih tubula, kolokalizirajući se s neutrofilima nakon IRI [43]. Ove studije ilustruju potencijal prostorno-vremenske omike da predvidi kontrolu mikrookruženja na ćelijske odgovore nakon AKI (akutna povreda bubrega).
Epigenomika
Specifični programi diferencijalne ekspresije gena zavise od epigenetske modifikacije hromatina (na primjer, metilacija histona i acetilacija) i DNK (na primjer, metilacijom citozina na ostacima CpG) kao odgovor na transkripcione regulatore koji se vezuju za DNK i povezane faktore. Nagomilani dokazi sugeriraju važnu regulatornu ulogu za epigenetske mehanizme u AKI (akutna povreda bubrega) i popravku bubrega [44-46]. S obzirom na odlične detaljne recenzije[44-47], samo ukratko ističemo odabrane nedavne studije epigenomike u AKI (akutna povreda bubrega) istraživanje.
Positively charged histone proteins provide the core for packing negatively charged DNA, through electrostatic interactions, into nucleosomes — the structural unit of chromosomes[44]. Modifications to the amino-terminal tails of histones alter the chromatin structure or recruit chromatin modifiers, thus altering gene expression. An unbiased mass spectrometry screen of 63 different histone marks in the healthy kidney revealed widespread histone modifications with a compartment-specific pattern [48]. In this bulk tissue analysis, few histone marks showed a quantitatively significant change >5 posto nakon UUO. Zanimljivo je da su prijavljene komplementarne promjene u različitim oznakama na istoj aminokiselini, što ukazuje na koordiniran odgovor na AKI (akutna povreda bubrega) [48].
H3K4me3-naglašeni promotori su upoređeni sa H3K27ac označenim pojačivačima nakon AKI (akutna povreda bubrega) korištenjem imunoprecipitacije hromatina i sekvenciranja sljedeće generacije (ChIP-seq)[49]. Aktivne pojačivačke stranice pokazale su dinamičnije promjene kao odgovor na AKI (akutna povreda bubrega). Modifikacije kromatina na aktivnim mjestima pojačivača bile su povezane sa izmijenjenim vezivanjem transkripcijskih faktora kao što su Hnf4a, Gr i Stat3. Hnf4a je ključni faktor transkripcije u specifikaciji i diferencijaciji stanica proksimalnih tubula [50]. Hnf4a vezivanje za elemente pojačivača aktivne u normalnom stanju stanice proksimalnih tubula smanjene su kao odgovor na AKI (akutna povreda bubrega) [49]. Ovo vjerovatno doprinosi AKI (akutna povreda bubrega)-indukovana dediferencijacija oštećenih ćelija proksimalnog tubula. Stat3 je ključni regulator transkripcije u inflamatornoj mreži sa regulatornim faktorima NF-KB i proteina aktivatora-1(AP-1) [51].Aktivacija AP-1 puta je visoko očuvana kao početna odgovor na mišji AKI (akutna povreda bubrega) i IRI povezan s transplantacijom ljudskog bubrega [24,25]. Stat3 angažman na Junb lokusu kao odgovor na AKI (akutna povreda bubrega) sugerira ulogu za Stat3 inaktivaciju AP-1 transkripcijskih komponenti[49]. Nadalje, inhibicija bromodomena i aktivacija zavisnog od ekstra-terminalnog (BET) pojačivača oslabila je oporavak nakon AKI (akutna povreda bubrega), naglašavajući važnu ulogu dinamike pojačivača u AKI (akutna povreda bubrega)popravka[49].
ATAC-seq je postao najčešće korištena metodologija za procjenu otvorenosti hromatina i zaključivanja aktivnosti regulatornih i transkribovanih genomskih regiona. Brzo, ATAC-seq tehnologija je prešla sa testova osjetljivog masivnog tkiva sa samo 500 ćelija, na analizu pojedinačne nuklearne energije, a nedavno i paralelnu analizu stanja kromatina i ekspresije gena u istoj ćeliji [41,52-54]. ATAC-seq koristi hiperaktivnu Tn5 transpozazu za rezanje otvorenog hromatina i oznaku DNK pomoću DNK adaptera kako bi se olakšala konstrukcija biblioteke i sekvenciranje DNK (slika 2). S obzirom na samo dva ciljna mjesta u svakom genomu, ATAC podaci su rijetki, a snATAC studije koriste računske pristupe grupiranju ćelija sa sličnim snATAC profilima i integraciji sa nezavisno generiranim sc ili snRNA-seq skupovima podataka. Nedavna studija profilisala je ćelijsku heterogenost u uzorcima bubrega zdravih odraslih ljudi sa kompjuterski integrisanim skupovima podataka snATAC-seq i snRNA-seq [55]. Zanimljivo je da je studija identifikovala subpopulaciju ćelija proksimalnih tubula koje eksprimiraju VCAM1-, koje su pokazale smanjenu aktivnost HNF4A i povećanu aktivnost članova porodice NF-KB, djelimično nalik na proinflamatorne, profibrotično oštećene ćelije proksimalnog tubula identificirane u bubrezima miša nekoliko sedmice nakon AKI (akutna povreda bubrega) [34,35,55]. Brojnost ove stanične populacije se vremenom povećavala kod starijih miševa i bila je veća u ljudskim dijabetičkim bubrezima nego u zdravih kontrola. Stoga se čini da su neki ćelijski odgovori sačuvani između različitih bolesti bubrega i među vrstama. Međutim, u kojoj mjeri ova ćelijska populacija doprinosi gubitku funkcije bubrega koji je povezan sa godinama ibolest bubreganapredovanje zahteva dalju istragu.
Detekcija ćelijskog tipa i regulatorna predviđanja su poboljšani koanalizom snRNA-seq i snATAC-seq u istom jezgru[41]. Ova tehnika je nedavno korištena za karakterizaciju zdravog ljudskog tkiva bubrega i AKI (akutna povreda bubrega) i biopsije CKD-a koje otkrivaju novu raznolikost stanica u normalnom bubregu i naglašavaju uporediva stanja ozljede kod mišjeg i ljudskog AKI (akutna povreda bubrega), kao i izmijenjena stanja ćelija debelih uzlaznih ekstremiteta karakterizirana ekspresijom Proml i Dcd2[56]. Dodatno, prostorna transkriptomika je lokalizirala miofibroblaste i imune stanice u uzorcima CKD na mjesta ozljede proksimalnih tubula [56].
Cistanche obnavljaju oštećenu funkciju bubrega
Proteomika i metabolomika
Proučavanje proteina i metabolita u plazmi, urinu i tkivu bubrega pomoću gel elektroforeze i masene spektrometrije dopunjuje transkriptomske i epigenomske alate. Masena spektrometrija može identificirati i kvantificirati makromolekule (npr. proteine) i ćelijske metabolite unutar kompleksnog tkiva, mjereći molekularno različita svojstva masenog naboja molekula kada su ionizirani i podvrgnuti magnetnom ili električnom polju (Slika 2)[57]. Mnoge proteomske studije bile su usmjerene na identifikaciju biomarkera za AKI (akutna povreda bubrega)(sveobuhvatno pregledano na drugom mjestu[57-59]). Na primjer, pokazalo se da su nivoi inhibitora metaloproteinaze-2(TIMP2) i IGF-vezujućeg proteina-7(IGFBP7) u mokraćnom tkivu predviđaju smrt i zatajenje bubrega kod kritično bolesnih pacijenata sa AKI (akutna povreda bubrega) [60]. Liječenje pacijenata kopozitivnih na TIMP2 i IGFBP7 uz mjere potpore u skladu sa smjernicama za poboljšanje globalnih ishoda bolesti bubrega (KDIGO) za pacijente s visokim rizikom za AKI(akutna povreda bubrega) smanjeni AKI (akutna povreda bubrega) razvoj u prva 72 h nakon kardiohirurgije, ali nije uticao na mortalitet i potrebu za bubrežnom zamjenskom terapijom [61]. Ovi rezultati i nalazi iz drugih studija biomarkera su ohrabrujući; međutim, idealan biomarker ili verovatnije biomarker panel za AKI (akutna povreda bubrega)procjena rizika, ciljani AKI (akutna povreda bubrega)prevencija, prediktivna dijagnoza i možda čak i terapijsko vodstvo u rutinskoj kliničkoj praksi tek treba biti identificirano.
Osim pogona za efikasan AKI (akutna povreda bubrega) biomarkeri, proteomika se također može koristiti za ispitivanje AKI (akutna povreda bubrega) patofiziologija [62]. Pretklinička studija AKI izazvane cisplatinom (akutna povreda bubrega)otkrili su slabu korelaciju između transkriptoma i proteoma u oštećenom bubregu [63]. Studija je sugerirala da je neslaganje između ova dva pristupa uzrokovano promjenama proteina u ekstracelularnom dijelu, na primjer, u sistemu komplementa [63]. Zanimljivo je da je stepen disocijacije između ekspresije RNK i proteina bio u snažnoj korelaciji sa ozbiljnošću povrede na šta ukazuju serumski kreatinin i nivoi azota ureje u krvi [63]. Ovo naglašava važnost post-transkripcijskih promjena u AKI (akutna povreda bubrega)odgovor.
Nedavno je proteomsko profiliranje gotovo jedne ćelije, koje omogućava kvantitativna proteomska mjerenja od samo 10 do 100 laserskim hvatanjem mikrodisekovanih stanica bubrega, korišteno za identifikaciju proteina specifičnih za glomerularni i proksimalni tubularni odjeljak u zdravom bubregu [64] . Neki od najbogatijih proteina specifičnih za odjeljak dobro su korelirali sa ekspresijom odgovarajućeg gena u podocitu i klasteru proksimalnih tubula scRNA-seq skupa podataka, respektivno. Nadalje, više od 40 proteinskih markera može se istovremeno otkriti na jednom dijelu tkiva snimanjem masene citometrije (IMC), čime se omogućava proučavanje proteoma u prostornom kontekstu [65]. IMC zdravog ljudskog bubrega otkrio je neočekivanu ćelijsku heterogenost i identificirao rijedak megalin/akvaporin-1/vimentin (Lrp2/Aqp1/Vim)-pozitivan tip ćelije koji potencijalno odražava ozlijeđeni (Vim plus) proksimalni tubul (Lrp2 plus /Aqp1) plus )ćelijsko stanje [65]. Primjena ovih tehnologija na AKI (akutna povreda bubrega) istraživanje će pružiti kritičan uvid u proteomski pejzaž povreda i popravka.
Proučavanje metaboloma bubrega (molekula manjih od 1500 Da [62]) dodatno je unaprijedilo razumijevanje AKI (akutna povreda bubrega) patofiziologija.
Metabolomic
profiliranje oštećenog bubrežnog tkiva pomoću tečne hromatografije-masene spektrometrije dovelo je do nalaza da je sinteza de neo nikotinamid adenin dinukleotida (NAD plus ) poremećena u AKI (akutna povreda bubrega) [66]. Smanjenje regulacije mitohondrijske biogeneze PGCla u AKI (akutna povreda bubrega) rezultiralo je smanjenjem lokalnog NAD plus, dok je prekomjerna ekspresija PGC1 povećala renalni NAD plus nivoe i smanjila AKI (akutna povreda bubrega) [66]. Nepristrani pregledi urina su također pokazali povećane razine NAD plus prekursora kinolina u urinu miševa nakon IRI [67] kao rezultat smanjenja bubrežne kinolin fosforiboziltransferaze (QPRT), ključnog enzima u de novo NAD plus sintezi [67]. Smanjeni nivoi QPRT u bubregu bili su povezani sa višim AKI(akutna povreda bubrega) osetljivost [67]. Oralni tretman nikotinamidom spasio AKI (akutna povreda bubrega)-induciran bubrežni NAD plus biosintetski nedostatak kod miševa, a mala klinička studija faze 1 sugerira potencijalnu korist za bubrege od liječenja nikotinamidom kod pacijenata koji su podvrgnuti operaciji srca [67]. Metabolomička studija biopsija transplantiranih ljudskih bubrega, prije i nakon reperfuzije, pokazala je izrazito drugačiji metabolički profil transplantata s budućom odgođenom funkcijom grafta u usporedbi s transplantacijama bez odgođene funkcije grafta [68]. Transplantacije s budućom odgođenom funkcijom grafta karakterizirane su upornim katabolizmom ATP/GTP, što ukazuje na rano obnavljanje energetske homeostaze kao terapeutski cilj u AKI (akutna povreda bubrega) prevencija [68]. Snimanje masene spektrometrije (MSI) je moćna tehnika koja se koristi za vizualizaciju prostorne distribucije metabolita, proteina ili lipida, sa ćelijskom i subcelularnom rezolucijom [69]. MSI analiza oštećenih bubrega pokazala je da je lipidomski e koristio ch coll .x7rr za razlikovanje između blage i teške ishemije već 2 h nakon povrede [70,71].
Zaključci i perspektiva
Dostupne omics tehnologije su pokrenule naše razumijevanje AKI (akutna povreda bubrega) i popravku. Integracija ili istovremeno pribavljanje različitih skupova podataka omics dodatno će poboljšati uvid u AKI (akutna povreda bubrega), a potkrepljujući nalazi iz ortogonalnih pristupa dat će dodatno povjerenje identificiranim mehanizmima. Novi uvidi, alati i informativni resursi se gomilaju ulaganjem NIDDK-a u nekoliko velikih konzorcijuma, uključujući Projekt precizne medicine bubrega i Program obnove bubrega. Veliki izazov ove ere 'velikih podataka' je zaključiti biološki relevantne mehanizme iz vrlo složenih skupova podataka kako bi se demokratizirao pristup tim podacima kroz platforme za pregled i analizu podataka prilagođene korisnicima, i na kraju, da prevedemo naše sve veće patofiziološke uvide u dijagnostičke i terapijske strategije koje poboljšavaju njegu pacijenata i AKI (akutna povreda bubrega) ishodi.
Izjava o konkurentnom interesu
Autori deklarišu sledeće finansijske interese/lične odnose koji se mogu smatrati potencijalnim konkurentskim interesima: APM je naučni savetnik za pristupe bolesti ljudi u vezi sa bubrezima za Novartis, eGenesis, Aviva i Trestle Biotherapeutics.
Priznanja
Izvinjavamo se svim istraživačima o čijem radu nije bilo moguće razgovarati zbog prostornih ograničenja. Zahvaljujemo dr. Pietru E.Cippà na kritičkom čitanju rukopisa. LMS Gerhardt je podržan od strane Njemačke istraživačke fondacije (DFG), Njemačka sa postdoktorskom stipendijom (GE 3179/1-1). Rad u laboratoriji AP McMahona podržan je grantovima NIDDK, Sjedinjene Američke Države (DK126024,54364,126925) i ChanZuckerberg Initiative, Sjedinjene Američke Države (CZIF2019-002430).
Reference
Radovi od posebnog interesa, objavljeni u periodu recenzije, istaknuti su kao:
1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Akutna povreda bubrega, mortalitet, dužina boravka i troškovi hospitaliziranih pacijenata. JASN (J Am Soc Nephrol) 2005, 16:3365-3370.
2. Mehta RL, Cerda J, Burdmann EA, Tonelli M, Garcia-Garcia G, Jha V, Susantitaphong P, Rocco M, Vanholder R, Sever MS, et al: Inicijativa Međunarodnog društva za nefrologiju 0by25 zaakutna povreda bubrega(nula smrtnih slučajeva koji se mogu spriječiti do 2025.): slučaj ljudskih prava za nefrologiju.Lancet 2015, 385:2616-2643.
3. Hsu RK, Hsu CY: Ulogaakutna povreda bubregakod hronične 3. H bolesti bubrega. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.
4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Akutna povreda bubregai hronična bolest bubrega kao međusobno povezani sindromi. N Engl J Med 2014,371:58-66.
5. Legrand M, Bell S, Fomi L, Joannidis M, Koyner JL, Liu K, 5, 1; Cantaluppi V: Povezana patofiziologija COVID-19-akutna povreda bubrega. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Ovaj pregled pruža detaljan pregled trenutne literature koja se odnosi na COVID-19-akutna povreda bubrega.
6. Zuk A, Bonventre JV: Nedavni napredak naakutna povreda bubrega6. 2 i njegove posljedice i utjecaj na kroničnu bolest bubrega. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Ovaj odličan pregled sažima patofiziološke mehanizme koji su u osnovi prijelaza s akutne na kroničnu ozljedu bubrega i naglašava ulogu mitohondrijalne disfunkcije, upale, starenja i stanične smrti u ovom procesu.
7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW, et al. Sjedinjene Države. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 Godišnji izvještaj o podacima dostupan na: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_u_u_us.pdf. (Pristupljeno 11. aprila 2021.).
8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mehanizmi maladaptivnog 8. popravka nakon AKI (akutna povreda bubrega) što dovodi do ubrzanog starenja bubrega i CKD. Nat Rev Nephrol 2015, 11:264-276.
9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD:9. Diferencirane epitelne ćelije bubrega popravljaju oštećene proksimalne tubule. Proc Natl Acad Sci US A 2014,111:1527-1532. 10. Kumar S, Liu J, Pang P, Krautzberger AM, Reginensi A,
10. Akiyama H, Schedl A, Humphreys BD, McMahon AP: Aktivacija Sox9 naglašava ćelijski put regeneracije bubrega u akutno ozlijeđenom bubrezu sisara. Cell Rep 2015,12:1325-1338.
11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9 pozitivne progenitorske ćelije igraju ključnu ulogu u regeneraciji epitela bubrežnih tubula kod miševa. Cell Rep 2016,14:861-871.
12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Zastoj ciklusa epitelnih ćelija u G2/M posreduje u fibrozi bubrega nakon povrede. Nat Med 2010, 16:535-543.
13. Xu K, Rosenstiel P, Paragas N, Hinze C, Gao X, Shen TH, Werth M, Forster C, Deng R, Bruck, et al: Jedinstveni transkripcijski programi identifikuju podtipove AKI (akutna povreda bubrega).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.
14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogenost epigenetskih promjena kod ishemije/reperfuzije i endotoksinaakutna povreda bubregageni. Kidney Int 2015, 88:734-744.
15. Stafford-Smith M, Li YJ, Mathew JP, Li YW, Ji Y, Phillips-Bute B, Milano CA, Newman MF, Kraus WE, Kertai MD, et al.: Studija asocijacije na genomuakutna povreda bubreganakon operacije koronarne premosnice identifikuje lokuse osjetljivosti. Kidney Int 2015,88:823-832.
16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, BelcherJM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD, et al.: Studija povezanosti na nivou genoma za identifikaciju polimorfizama jednog nukleotida zaakutna povreda bubrega.Am J Respir Crit Care Med 2017, 195:482-490.
17. Kayagaki N, Lee BL, Stowe IB, Kornfeld OS, O'Rourke K, Mirrashidi KM, Haley B, Watanabe C, Roose-Girma M, Modrusan Z, et al: IRF2 transkripcijski inducira ekspresiju GSDMD za piroptozu. Naučni signal 2019, 12.
18. Matsuyama T, Kimura T, Kitagawa M, Pfeffer K, Kawakami T, Watanabe N, Kündig TM, Amakawa R, Nishihara K, Wakeham A: Ciljani prekid IRF-1 ili IRF-2 rezultira indukcija gena abnormalnog tipa IIFN i aberantni razvoj limfocita. Cell 1993, 75:83-97.
19. Papaioannou VE: Porodica gena T-box: nove uloge u razvoju, matične ćelije i rak. Razvoj 2014.141:3819-3833.
20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶Nema povezanosti između genetskih lokusa u blizini IRF2 i TBX1 iakutna povreda bubregau kritično bolesnim.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.
