Dio 1 Fenotipska raznolikost i metabolička specijalizacija endotelnih stanica bubrega

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Email:audrey.hu@wecistanche.com

Sébastien J. Dumas^1,6, Elda Meta^1,6, Mila Borri^1,6, Yonglun Luo ^2,3, Xuri Li⁴, Ton J. Rabelink⁵i Peter Carmeliet^1,4

Cistanche tubulosa sprječava bolest bubrega, kliknite ovdje da biste dobili uzorak

Sažetak |

Složen višećelijski život kod sisara oslanja se na funkcionalnu saradnju različitih organa za opstanak cijelog organizma. Thebubreziigraju ključnu ulogu u ovom procesu kroz održavanje homeostaze volumena tečnosti i sastava, što omogućava drugim organima da ispune svoje zadatke. Endotel bubrega pokazuje fenotipske i molekularne osobine koje ga razlikuju od endotela drugih organa. Štoviše, vaskulatura bubrega odraslih sastoji se od različitih populacija uglavnom mirnih, ali ne i metabolički neaktivnih endotelnih stanica (EC) koje se nalaze unutarbubregglomerula, korteksa i medule. Svaka od ovih populacija podržava specifične funkcije, na primjer, u filtraciji krvne plazme, reapsorpciji i sekreciji vode i otopljenih tvari, te koncentraciji urina. Transkripcijsko profiliranje ovih raznolikih EC populacija sugerira da su se prilagodile lokalnim mikrookolinskim uvjetima (hipoksija, smičući stres, hiperosmolarnost), omogućavajući im da podrže funkcije bubrega. Izloženost EC angiogenim faktorima koji potiču iz mikrookruženja utiče na njihov metabolizam i održavabubregrazvoj i homeostaza, dok endokrini faktori izvedeni iz EC čuvaju različite niše mikrookruženja. U kontekstu bubrežne bolesti, bubrežni EC pokazuju promjenu u svom metabolizmu i fenotipu kao odgovor na patološke promjene u lokalnom mikrookruženju, što dalje promiče disfunkciju bubrega. Razumijevanje raznolikosti i specijalizacije bubrežnih EC može pružiti nove puteve za liječenje bolesti bubrega ibubregregeneracija.

Vaskularni sistem sisara sastoji se od dvije povezane i visoko razgranate mreže koje prožimaju cijelo tijelo - svaka sa određenim ulogama. Krvno-vaskularni sistem isporučuje kiseonik i hranljive materije parenhimskim tkivima i olakšava uklanjanje otpada, imunološki nadzor i promet imunih ćelija, koagulaciju i proizvodnju endokrinih signala za održavanje i regeneraciju tkiva1. Nasuprot tome, limfni vaskularni sistem drenira ekstravaziranu intersticijsku tečnost iz propusnih krvnih kapilara nazad u vene i olakšava promet imunih ćelija i transport lipida.². Svi krvni sudovi su obloženi krvnim endotelnim ćelijama (BEC, u daljem tekstu EC), dok limfne endotelne ćelije (LEC) formiraju unutrašnji sloj limfnih sudova - pri čemu svaka populacija podržava svoje zadatke specifične za vaskulaturu. Međutim, heterogenost endotela seže daleko izvan širokih razlika između krvnog i limfnog endotela. Konkretno, EC iz različitih organa pokazuju jedinstvene molekularne profile koji podržavaju specifične funkcije organa^3–6. Thebubregbeneficijeiz visoko specijalizovane vaskulature, koja je usko povezana sa epitelnim sistemom bubrega⁷. Konkretno, fenotipski različite populacije bubrežnih endotelnih ćelija (REC) koegzistiraju unutar tri anatomska i funkcionalna odjeljkabubreg, glomeruli, korteks i medula — gdje podržavaju specifične zadatke bubrega8,9. Važno je da je tehnološki napredak omogućio proučavanje heterogenosti REC na nivou jedne ćelije, pružajući nove uvide u njihove specijalizovane uloge u zdravlju i bolesti bubrega.^6,10,11.

Thebubregje ključna za održavanje homeostaze organizma, regulišući volumen i sastav tjelesnih tekućina⁷. Bubrezi primaju 20-25 posto minutnog volumena srca i pokazuju stereotipnu arhitekturu krvnih sudova. Ova arhitektura ne samo da omogućava isporuku kiseonika i hranljivih materijabubrezi, ali i omogućava učešće u filtraciji krvne plazme, reapsorpciji jona i metabolita iz filtrata, izlučivanju jona i metabolita u primarnom urinu i koncentraciji u urinu^7,8. Ovi visoko orkestrirani procesi omogućavaju fino podešavanje volumena ekstracelularne tečnosti, krvnog pritiska, osmolaliteta i koncentracije jona^7,8. Bubrezi također regulišu nivoe metabolita u cirkulaciji, ne samo izlučivanjem metaboličkog otpada, već i oslobađanjem glukoze (putem glukoneogeneze) i aminokiselina, na primjer¹². Organi sisara kontinuirano razmjenjuju metabolite putem cirkulacije, uz selektivnu upotrebu za podržavanje vlastitih metaboličkih aktivnosti¹².

U skladu s tim, metaboličke funkcije EC unutar različitih organa vjerovatno pokazuju razlike specifične za organ, što je potkrijepljeno nalazima iz analize metaboličkih transkriptoma EC u različitim organima.⁶. Nadalje, metabolička plastičnost EC im omogućava da se prilagode i odgovore na promjene okoline s obzirom na njihove metaboličke potrebe i funkcije3,13. Novi dokazi ukazuju na to da su specijalizovani REC-ovibubregprilagođavaju svoj metabolički transkriptom da podrže funkciju bubrega¹⁰.

REC disfunkcija prati akutni ili progresivni gubitakbubregfunkcija^14,15. Ova disfunkcija je povezana s povećanjem arterijske vazokonstrikcije i smanjenjem bubrežnog protoka krvi, stjecanjem proinflamatornih i protrombotičkih fenotipova koji pogoduju adheziji i infiltraciji imunoloških stanica i stvaranjem mikrotromba, disocijacijom pericita murala od endotela. sloja, razbijanje endotelne barijere što rezultira intersticijskim edemom, razrjeđivanje peritubularnih kapilara (čime se potiče hipoksija bubrega) i tranzicija endotela u mezenhim, što doprinosi fibrozi bubrega16,17, što sugerira da bi endotel mogao biti usmjeren na zaštitu od bubrega ozljede i/ili regeneracije funkcije bubrega.

Ovaj pregled rezimira naše trenutno razumijevanjebubregvaskulature, fokusirajući se na nedavni napredak u našem razumijevanju fenotipske, molekularne i metaboličke heterogenosti REC-a u odnosu na njihovo mikrookruženje. Također raspravljamo o potencijalnoj primjeni ciljanja REC metabolizma kao terapijske strategije ububregbolestiili za regeneraciju bubrega.

Ključne točke

• Endotel se razlikuje između različitih organa, vjerovatno da podržava različite funkcije organa.

• Višestruki specijalizovani fenotipovi endotelnih ćelija koegzistiraju unutar bubrežnih glomerula, korteksa i medule; ove funkcije podržavaju glomerularnu filtraciju, reapsorpciju i izlučivanje jona i metabolita, te koncentraciju u urinu.

• Različita lokalna mikrookruženja ububregoblikuju molekularnu i metaboličku heterogenost endotela bubrega; obrnuto, endokrini faktori izvedeni iz endotelnih ćelija održavaju niše različitihbubregmikrookruženjima.

• Metabolizam bubrežnih endotelnih ćelija može biti promenjen u kontekstububregpovrede i bolesti, djelimično kao rezultat promjena u mikrookruženju.

• Bolje razumijevanje fenotipske raznolikosti i metaboličke specijalizacije endotelnih ćelija bubrega može pomoći u identifikaciji novih ciljeva zatretman odbubregbolestiibubregregeneracija.

Heterogenost bubrežnog endotela

Anatomija bubrežnih krvnih sudova

Thebubregse opskrbljuje krvlju preko bubrežne arterije koja nakon ulaska ububregpreko bubrežnog hiluma, grana se na segmentne, interlobarne, lučne i interlobularne arterije (slika 1a), i na kraju, aferentne arteriole, koje su žile visokog otpora odgovorne za kontrolu protoka glomerularne krvi i brzine glomerularne filtracije (GFR) 18. Iz aferentnih arteriola, krv ulazi u glomerularni čuperak - mrežu visoko fenestriranih glomerularnih kapilara gdje se ultrafiltracija krvne plazme događa brzinom od ~120-140 ml/min kod odraslih ljudi, omogućavajući otopljenim tvarima niske molekularne težine da prođu iz glomerularnih. kapilare u Bowmanov prostor¹⁹. Nakon što je dio plazme filtriran, krv napušta glomerularni čuperak kroz eferentne arteriole kako bi vaskularizirao distalne i proksimalne uvijene tubule, formirajući kortikalnu peritubularnu kapilarnu mrežu. Krv unutar peritubularnih kapilara obogaćena je otopljenim tvarima velike molekularne težine i ima nizak sadržaj tekućine zbog gubitka tekućine tokom glomerularne ultrafiltracije. Dakle, peritubularne kapilare su posvećene reapsorpciji vode, jona i esencijalnih nutrijenata iz proksimalnog^7,20i distalne tubule²¹. Nekoliko jona kao što su H plus (ref. 22) i K plus (ref. 23) kao i molekuli kao što je kreatinin²⁴i metaboliti lijeka²⁵— koje glomerularne kapilare nisu u potpunosti filtrirale, ali ih još uvijek treba eliminirati iz tijela — prelaze iz peritubularnih kapilara u epitelne ćelije proksimalnih20 ili distalnih tubula kako bi se izlučile i eliminirale urinom21. Eferentne arteriole iz jukstamedularnih nefrona stvaraju descendentnu vasa recta (DVR), koja se povezuje sa uzlaznom vasa recta (AVR) preko kapilarnih pleksusa. AVR i DVR rade suprotno od Henleove petlje i učestvuju u medularnoj protustrujnoj izmjeni, koja je, kako je opisano kasnije, neophodna za održavanje gradijenta osmolarnosti za koncentraciju urina26. Na kraju se kortikalni i medularni kapilarni sistem zajedno sa AVR spajaju u venski sistem na kortikomedularnom spoju. Preciznije, venska vaskulatura bubrega drenira krv iz peritubularnih kapilara i AVR u interlobularne i lučne vene, a zatim u interlobarne vene, na kraju formirajući bubrežnu venu koja izlazi izbubreghilum i na kraju se grana u donju šuplju venu⁷.

Thebubregopskrbljuje se i limfnim žilama, koje prate ukupnu topografijububregkrvne žile²⁷(Sl. 1a). Uglavnom su prisutni u korteksu bubrega gdje je njihova primarna uloga uklanjanje tekućine i makromolekula (kao što je albumin) iz intersticijalnog prostora između tubula i kapilara.²⁸. Oni također imaju ulogu u infiltraciji imunoloških stanica i kasnijoj upali²⁹. U glomerulima, oni okružuju Bowmanovu kapsulu bez prodora u glomerularni čuperak²⁸. Nasuprot tome, tradicionalni limfni sudovi rijetko su prisutni u bubrežnoj srži; u ovoj regiji, intersticijska tečnost i makromolekule se uklanjaju pomoću AVR, koji predstavlja vrstu hibridnog krvnog suda sa karakteristikama sličnim limfnim^28,30.

Fenotipovi endotelnih ćelija bubrega

EC iz različitih organa su fenotipski heterogene^3–6,31. Jedinstvena svojstva REC-a, a posebno glomerularnih EC-a, dugo su cijenjena. Globalno transkripcijsko profiliranje EC-a od miševa potvrdilo je postojanje transkriptomskih potpisa specifičnih za organ^3,4,6. Treba napomenuti da su ove studije pokazale da su REC-i najsličniji EC-ovima iz drugih organa uključujući mozak, srce, pluća, mišiće i testise⁴(Slika 1b) kroz njihovu ekspresiju gena povezanih sa interferonskom signalizacijom, kao i gena koji kodiraju endokrine faktore FGF1 i IL-33 (ref.^4,6). Heterogenost EC-ova specifična za organe vjerovatno leži u osnovi njihove molekularne adaptacije da ispune specifične funkcionalne uloge^3–6,31.

Međutim, heterogenost REC-a proteže se izvan organotipskog nivoa, sa izuzetnom raznolikošćububregvaskulature, što je u početku pokazano elektronskom mikroskopijom i mikromrežnim studijama, a zatim i analizama jedne ćelije^6,32,33. Thebubregkorteks, glomeruli i medula sadrže jedinstvene EC populacije (cRECs, gRECs, odnosno mRECs). Ova raznolikost u populaciji EZ-a može nastati zbog izloženosti različitim mikrookruženjem ovih regija. Na primjer, glomerularni endotel je izložen visokom vaskularnom pritisku i usko je u interakciji s podocitima kako bi regulirao ultrafiltraciju, dok su mREC-i izloženi visokom osmolarnosti i hipoksiji, koji su povezani s održavanjem gradijenta osmolarnosti i koncentracije u urinu.^6,9,10,32(Sl. 1c). Osim inter-kompartmentalne heterogenosti, REC-ovi također pokazuju intra-kompartmentalnu heterogenost, koja je vjerovatno određena brojnim genetskim i okolišnim faktorima, uključujući tip vaskularnog kreveta (arterijski, kapilarni, venski), njihove interakcije s drugim tipovima ćelija (npr. , ćelije glatkih mišića, periciti, granularne ćelije, podociti i epitelne ćelije tubula) i njihova izloženost različitim mikrookruženjima unutar istog kompartmenta, kao što je izlaganje različitim tipovima protoka ili različitim nivoima osmolarnosti34 (slika 1c). Razvoj tehnologije transkriptomske transkriptomije jedne ćelije omogućio je da se heterogenost mišjih REC mapira u vrlo visokoj rezoluciji^6,10,11, otkrivajući do 24 transkripcijski različite REC populacije^6,10,11. Treba napomenuti da nalazi iz jednoćelijskih RNA-seq studija sažetih u nastavku ostaje da budu potvrđeni na nivou proteina, kako za sveobuhvatnu provjeru prostorne lokalizacije predviđenih proteina, tako i za integraciju znanja o post-translacijskim promjenama i/ili signalnih mehanizama koji mogu uticati na aktivnost proteina. Takođe treba napomenuti i činjenica da relativno obogaćivanje gena unutar određene REC populacije kao što je određeno sekvenciranjem jedne ćelije ne znači nužno da je ekspresija tog gena ograničena na tu specifičnu ćelijsku populaciju.

Heterogenost glomerularnih bubrežnih endotelnih ćelija.Thebubregglomerul je visoko specijalizirana struktura koja je odgovorna za filtraciju krvne plazme kako bi se stvorio primarni filtrat urina, a istovremeno osigurava da se esencijalni proteini plazme zadržavaju u krvi. Sastoji se od glomerularnih kapilara koje se nalaze između aferentnih i eferentnih arteriola, koje su otporne žile koje kontroliraju i kapilarni protok krvi i pritisak. Arteriole nefrona su u djelomičnom kontaktu s jukstaglomerularnim aparatom (JGA) - specijaliziranom strukturom koja se sastoji od macula densa distalnog uvijenog tubula, granularnih stanica koje proizvode renin koje su povezane s aferentnom arteriolom i ekstraglomerularnim mezangijalnim stanicama (Sl. 2a). JGA regulira GFR jednog nefrona i krvni tlak kroz tubuloglomerularnu povratnu informaciju, miogeni odgovor i oslobađanje renina^19,35–37.

Endotel glomerularne kapilare se sastoji od jedinstvenih EC sa fenestracijama bez dijafragme koje omogućavaju filtraciju velikih količina tečnosti38 (Slika 2b).

Fenestracije su veličine 50-100 nm i zauzimaju oko 20 posto površine ćelije, a pojavljuju se na elektronskim mikroskopskim slikama kao transćelijske rupe.³⁸. Prečnik ovih fenestracija je teoretski dovoljno velik da omogući prolaz tečnosti i velikih proteina u tubule. Međutim, kapilarni gREC također proizvode debeli sloj glikokaliksa koji se sastoji od negativno nabijenih glikoproteina i polisaharida koji djeluju kao barijera za prolaz proteina^39,40. Štoviše, komponente plazme se adsorbiraju u glikokaliksu i formiraju širi sloj koji se naziva površinski sloj endotela41, koji svojom filamentoznom strukturom dodatno pojačava permselektivnost glomerularne endotelne barijere⁴². Zaista, albuminurija i proteinurija se primjećuju kod oštećenja glikokaliksa^39,43,44. Zajedno s podocitima, kapilarni gREC također sintetiziraju i dijele zajednički ekstracelularni matriks poznat kao bazalna membrana glomerula (GBM), koji se uglavnom sastoji od kolagena tipa IV, laminina i sulfatiranih proteoglikana42. Mutacije koje utiču na sintezu bilo koje komponente GBM dovode do proteinurije45,46. Dakle, kapilarni gREC, podociti i GBM formiraju efikasnu barijeru glomerularne filtracije. Treba napomenuti da glomerularni kapilarni endotel nema dijafragmu i stoga ne eksprimira protein 1 povezan sa vezikulom 1 (PV1) tipa II transmembranskog glikoproteina plazmaleme, koji je kodiran Plvap10 i tipičan je marker fenestriranih EC povezanih sa premošćujućim dijafragmama endotela. fenestrae i caveolae⁴⁷

Razvoj i održavanje kapilarnih gREC fenestracija zahtijeva faktor rasta vaskularnog endotela (VEGF), koji djeluje na parakrini način kroz endotelni VEGF receptor 2 (VEGFR2, također poznat kao KDR)⁴⁸. Prekomjerna ekspresija VEGF-a uzrokuje kolaps glomerula, brz gubitak kapilarnih gREC-a i masivnu proteinuriju⁴⁹. Stoga je potrebna čvrsta regulacija podocitnog VEGF-a kako bi se uspostavila glomerularna vaskulatura tokom embrionalnog razvoja i za održavanje fenestracija u zrelim glomerularnim kapilarama.^38,42. Slično, VEGF izveden iz tubularne epitelne ćelije omogućava održavanje peritubularne kapilarne mreže⁵⁰

Za razliku od drugih kapilarnih EC, gRECs su izloženi visokom krvnom pritisku i visokom protoku krvi, što pokreće proces glomerularne filtracije i izlaže gRECs značajnom smičnom naprezanju⁵¹. U skladu s tim, gREC izražavaju visoke nivoe transkripta Pi16 reguliranog smičnim naprezanjem (ref^6,10,11,52) (Sl. 2c; Dodatna tabela 1). Kapilarni gREC takođe izražavaju niz drugih markera^10,11,32,53, uključujući Ehd3, koji kodira člana porodice EHD proteina^{10,11,38,54,55}koji reguliše reciklažu endocita i smatra se da reguliše recikliranje VEGFR2 u kapilarnim gREC (slika 2c), zajedno sa EHD4 (ref. 54). Stoga, EHD3 može doprinijeti održavanju glomerularnih kapilarnih fenestracija. Kapilarni gREC takođe pokazuju obogaćenu ekspresiju gena povezanih sa TGF-BMP signalnim putem (Eng, Smad6, Smad7, Xiao i Hipk2 (refs10,56-58)), koji je uključen u formiranje glomerularnih kapilara. Prekomjerna ekspresija TGF-a izaziva proteinuriju i glomerulosklerozu⁵⁹, a time i prisustvo inhibitornih SMAD-ova, poput onih koje kodiraju Smad6 i Smad7 u gREC-ima, može spriječiti pretjeranu TGF signalizaciju i glomerularnu disfunkciju. Nasuprot tome, BMP izveden iz podocita je ključan za normalno formiranje glomerularnih kapilara60. Kapilarni gREC takođe specifično izražavaju Nostrin³², čiji proteinski proizvod veže endotelnu sintazu dušikovog oksida (eNOS) kako bi pokrenuo njenu translokaciju iz plazma membrane u subcelularne strukture nalik vezikulama, i smanjuje proizvodnju dušikovog oksida (NO) – važnog regulatora GFR32. Štaviše, ograničena ekspresija lipoprotein lipaze (Lpl) na kapilarne gREC sugerira da glomerularni endotel može biti bitan za oslobađanje masnih kiselina u ultrafiltrat, koji bi se kasnije mogao koristiti kao izvor energije od strane epitelnih stanica tubula ili za regulaciju sadržaj lipida u krvi ili bi mogao doprinijeti akumulaciji glomerularnih lipida kao što je uočeno u patološkom kontekstu^6,10,61,62. Zanimljivo je da bubrežna ekspresija gena uključenih u metabolizam lipida korelira sa GFR i upalom kod pacijenata sadijabetičarbubregbolest, dok defektna oksidacija masnih kiselina (FAO) u tubularnim stanicama doprinosi razvojububregfibroza^61,62.

Transkripcijski faktori, kao što su SOX17 i COUP-TFII (kodirani Nr2f2) u arterijskim i venskim REC-ima, pokreću transkriptomske potpise i identitet specifičnih vaskularnih kreveta63,64. Identitet gREC se oslanja na aktivnost najmanje dva faktora transkripcije: GATA5 i TBX3 (refs10,11,32) (slika 2c), koji posreduju u sticanju profila ekspresije gena sličnog gREC-u kada su zajedno prekomjerno eksprimirani u pupčanoj veni ljudi EC (HUVECs), često korišteni EC model11. GATA5 regulon je povećan u gREC, ali ne i u drugim REC populacijama^10,11a selektivna delecija Gata5 u EC uzrokuje glomerularne lezije65. Štoviše, EC-specifična delecija Tbx3 uzrokuje morfogene defekte kao što su mikroaneurizme u podskupovima glomerula, smanjeni broj kapilarnih gREC fenestracija i deformirani procesi stopala podocita, što ukazuje na ulogu ovog transkripcionog faktora u održavanju strukturne organizacije glomerularnih kapilara.¹¹. Pored toga, i GATA5 i TBX3 su uključeni u regulaciju krvnog pritiska. GATA5 utiče na tipičnu vaskularnu funkciju, protein kinazu A i NO signalne puteve⁶⁵, dok se smatra da TBX3 modulira krvni pritisak putem regulacije lučenja renina ububreg¹¹.

Regulacija vaskularnog tonusa aferentnih i eferentnih arteriola potrebna je za održavanje konstantno visokog glomerularnog kapilarnog tlaka potrebnog za glomerularnu filtraciju¹⁸. Ovaj regulatorni proces omogućava održavanje konstantne GFR uprkos promenama sistemskog pritiska i minutnog volumena srca66. Aferentne arteriole imaju jedan do tri sloja vaskularnih glatkih mišićnih ćelija (VSMC), koje su, u blizini JGA, delimično zamenjene granularnim ćelijama koje proizvode renin67 (slika 2d). EC heterogenost takođe postoji unutar aferentne arteriole, sa fenestracijama endotela bez dijafragme najbliže JGA68,69 — slično kao kod glomerularnog kapilarnog endotela — verovatno da bi se olakšao brz transport renina u krv18 (slika 2d). Ekspresija Gja5 (kodira koneksin 40), obogaćena je ovim podskupom gREC^10,70i ima važnu ulogu u komunikaciji između endotela i granularnih ćelija u JGA za regulaciju oslobađanja renina^35,70,71. Ovi EC su također obogaćeni drugim genima koji su uključeni u interakciju između stanice i stanice, kao što su oni koji se odnose na signalne puteve Wnt i Notch, Ephrin i citokine i hemokine (slika 2c), koji mogu posredovati u preslušavanju između mezangijalnih stanica i/ ili granularne ćelije i gREC u JGA, i potencijalno doprinose autoregulaciji i modulaciji krvnog pritiska¹⁰.

Nasuprot tome, gREC u uzvodnom (najdistalnijem) dijelu aferentnih arteriola izražavaju gene uključene u regulaciju benzina kao što su Edn1 (koji kodira endotelin 1), Alox12 (arahidonat 12-lipoksigenaza) i S1pr1 (sfingozin{{6 }}fosfatni receptor 1)^10,72,73(Sl. 2c). S1P-S1PR1 signalni put snažno reguliše benzin aferentne arteriole aktiviranjem eNOS sistema^74–76. U skladu s ovom ulogom, S1P receptor je obogaćen gREC u aferentnim arteriolama i nije otkriven u eferentnim arteriolama.¹⁰.

Za razliku od gREC u aferentnim arteriolama, gREC u eferentnim arteriolama pokazuju nižu ekspresiju koneksina77, posebno koneksina 37 i koneksina 40 (kodiraju Gja4 i Gja5, respektivno)10. Slično EC-ima iz aferentnih arteriola, međutim, transkriptomske analize EC-a iz eferentnih arteriola ukazuju na prisustvo dvije gREC populacije: jedne za koju se pretpostavlja da je povezana s JGA (izražavajući gene povezane s adhezijom i ekstravazacijom imunoloških stanica i EC permeabilnosti) i druge koji odgovara distalnom dijelu eferentne arteriole (obogaćen genima uključenim u hiperosmolarne odgovore)10 (slika 2c).

Ovi uvidi sugeriraju da fenotipska i funkcionalna raznolikost gREC-a leži u osnovi sposobnosti ovih endotelija da održe GFR kroz aktivnu modulaciju glomerularnog protoka krvi i osiguravajući efikasnost glomerularne filtracije. Kroz integraciju tubuloglomerularnih povratnih informacija i miogenih signala, gREC-ovi povezani sa JGA, posebno, vjerovatno su kritični regulatori GFR.

Heterogenost kortikalnih endotelnih ćelija bubrega.Pored glomerularnog kapilarnog endotela i pre-glomerularnih i post-glomerularnih aferentnih i eferentnih arteriola,bubregkorteks sadrži limfne žile, velike arterije i vene zajedno sa njima povezane vaza vasora, postkapilarne venule i peritubularne kapilare. U skladu sa svojom ulogom u reapsorpciji i sekreciji otopljenih tvari, jona i vode, kortikalne peritubularne kapilare su kapilare tankih stijenki koje se sastoje od EC-a koji su funkcionalno spojeni na tubularni epitel9 (slika 3a). U poređenju sa gRECs i mRECs, cRECs — posebno peritubularni kapilarni EC — izražavaju visoke nivoe Igfbp3 (kodiraju protein koji vezuje faktor rasta sličan insulinu 3) i Npr3 (kodira natriuretski peptidni receptor 3)10,11 (Slika 3b) .

Kortikalne peritubularne kapilare nastaju iz eferentnih arteriola i okružuju proksimalne i distalne uvijene tubule (slika 3a), obezbjeđujući kisik i hranjive tvari, te doprinoseći unosu otopljenih tvari i reapsorpciji vode iz lumena tubula⁹. Za razliku od glomerularnih kapilara, peritubularni kapilarni EC eksprimiraju Plvap, čiji proteinski proizvod (PV1) pokriva peritubularne kapilarne EC fenestre. Ove dijafragmirane fenestre su prečnika 62–68 nm i vjerovatno olakšavajuizmjena vode, jona i malih otopljenih tvari sa proksimalnim i distalnim tubulima9,10

Glomeruli filtriraju približno 180 g glukoze dnevno78 iu fiziološkim uslovima, skoro sve se reapsorbuje u proksimalnim tubulima. Filtrirana glukoza se prvo reapsorbuje iz lumena proksimalnih tubula unutar epitelnih ćelija preko natrijum-glukoznih kotransportera (SGLT). Kada intracelularna koncentracija glukoze premaši onu u intersticijumu, ona difundira u intersticijski prostor kroz specifične olakšane transportere glukoze (GLUT), odakle se ponovo apsorbira u krvotok79. U skladu sa svojom ulogom u ovom procesu, peritubularni kapilarni EC izražavaju više nivoe Slc2a1 (koji kodira GLUT1) od EC drugih bubrežnih vaskularnih kreveta11 (Slika 3b), što sugerira da bi reapsorpciju glukoze mogao olakšati GLUT1 u peritubularnim kapilarnim EC.

Kortikalne peritubularne kapilare uključuju dvije EC populacije — jednu koja eksprimira visoke nivoe Apoe (kodira apolipoprotein E) i jednu koja izražava malo ili nimalo Apoe10 (slika 3b). Populacija sa visokom Apoe pokazuje obogaćenu ekspresiju drugih gena povezanih sa metabolizmom lipida, kao što su Plpp3 i Thrsp10,80,81. Nasuprot tome, Apoe-low populacija izražava gene koji kodiraju VEGF receptore (Kdr, Flt1 i Nrp1, koji kodiraju VEGFR2, VEGFR1 i neuropilin 1, respektivno), proteine ​​i receptore koji vezuju faktor rasta nalik insulinu (Igfbp5, Igfbp3 i Insr) i Npr3, koji kodira receptor za natriuretski peptid, koji reguliše volumen krvi i izlučivanje natrijuma10,82-85. Trenutno nije poznato da li ove dvije EC populacije postoje u odvojenim kapilarama koje su u interakciji s proksimalnim zavijenim tubulima ili distalnim tubulima, ili postoje u istim kapilarama.

Iznenađujuće, dvije dodatne kapilarne EC populacije su također opisane u bubrežnom korteksu miša - populacija EC slična angiogenom i populacija koju karakterizira ekspresija interferonom stimuliranih gena i gena uključenih u procesiranje i prezentaciju antigena10 (slika 3b) . EC-ovi slični angiogenom mogu imati ulogu u regeneraciji oštećenih REC-a, dok interferonom aktivirani EC-ovi mogu učestvovati u imunološkom nadzoru, iako su potrebne daljnje studije da bi se istražile ove mogućnosti10.

cREC u velikim arterijama karakterizira ekspresija gena arterijskog transkripcionog faktora Sox17 i gena čvrstog spoja Cldn5 (claudin 5), dok se cREC u velikim venama karakterizira ekspresija faktora transkripcije Nr2f2 (COUP-TFII) i marker za fenestraciju Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(Sl. 3b).

Arterijski cREC eksprimiraju gen Sema3g koji kodira semaforin, koji ima autokrine i parakrine efekte na EC i VSMC, respektivno, gene koji kodiraju koneksin Gja4 i Gja5, koji su komponente mioendotelnih spojeva, i člana porodice Notch Jag1 (ref.6,10). 11,87–90) (sl. 3b). Velike arterije su izložene visokom krvnom pritisku i njihov vaskularni tonus se modulira kao odgovor na promjene krvnog tlaka. Njihova sposobnost da reaguju na mehaničke signale omogućena je prisustvom elastičnog sloja u tunika mediju koji je bogat elastičnim vlaknima.^9,91i kroz ekspresiju gena povezanih sa sklopom elastičnih vlakana kao što su Eln (elastin), Ltbp4 (latentni transformirajući faktor rasta- -vezujući protein 4), Fbln5 (fibulin 5) i Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). Oni takođe izražavaju visoke nivoe Mgp (matriks Gla protein)6,10, koji potiskuje vaskularnu kalcifikacija verovatno kroz inhibiciju BMP2 i BMP4 signalizacije96. U skladu sa svojom ulogom u regulisanju bubrežnog krvotoka, cREC velikih arterija takođe eksprimiraju gene koji su odgovorni za regulaciju benzina kao što su Ace, Edn1 i S1pr1 (refs6,10,97-99) (slika 3b).

Vasa vasora100 olakšava isporuku kiseonika i nutrijenata i uklanjanje otpadnih produkata koji se oslobađaju unutar vaskularnog zida velikih arterija i vena. Vasa vasora REC nisu identificirani u objavljenim studijama mišjih jednoćelijskih REC-a, vjerovatno zato što su žile s promjerom lumena od<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Izvođenje takvih studija na većim životinjama ili ljudima, koji imaju veće bubrežne žile, može povećati vjerovatnoću hvatanja vasa vasora REC. Trenutno nema opisanih markera za REC izvedene iz vasa vasora.

Osim krvožilnog sistema, bubrežni korteks takođe sadrži dva seta renalnih limfnih sudova. Obe ove potiču kao kapilare sa slijepim krajevima u bubrežnom lobulu odakle jedan niz prati arterije prema hilumu kako bi povezao hilarni i kapsularni sistem, a drugi prodire u kapsulu da bi se pridružio kapsularnoj limfnoj stanici28,101 (Slika 1a). Limfne bubrežne kapilare se mogu razlikovati od kapilara krvnih žila jer su uglavnom prisutne u intersticijumu, imaju slijepe krajeve i nemaju pericite.^28,29. Limfne kapilare bubrega sastoje se od jednoslojnih LEC-a u obliku hrastovog lista, koji se djelomično preklapaju28,29, koji se od BEC-a mogu razlikovati po ekspresiji nekoliko markera⁶, od kojih su najpoznatiji Pdpn (podoplanin)102, gen koji kodira hijaluronanski receptor Lyve1 (ref. 103), Flt4 (koji kodira VEGFR3)104 i gen faktora transkripcije Prox1 (ref. 105) (slika 3b) . Iako su ovi markeri također izraženi u drugim tipovima ćelija, oni se mogu koristiti za razlikovanje dva glavna tipa EC29. U ljudskombubreg, podoplanin je opisan kao najpouzdaniji marker LEC-a^28,29. Ipak, nijedno od njih dvoje nije poznatobubregLEC populacije su identificirane u objavljenim jednoćelijskim RNA-seq studijama^6,10,11, moguće zbog njihovog gubitka tokom tehničkih koraka obrade (na primjer, tokom enzimske digestije ili EC prečišćavanja) i/ili zato što predstavljaju premalu EC frakciju u poređenju sa populacijom bubrežnih BEC. Stoga su potrebne daljnje studije kako bi se okarakterizirala heterogenost renalnog limfnog endotela.

Heterogenost endotelnih ćelija medularnog bubrega.Primarna uloga bubrežne medule je koncentracija urina⁹. Anatomski raspored vasa recta i nizak protok krvi u bubrežnoj meduli (10 posto ukupnog bubrežnog krvotoka9), sprječavaju ispiranje otopljenih tvari, kao što su urea i NaCl, stvarajući gradijent osmolarnosti od vanjske moždine do bubrežne papile. , što je bitno za koncentraciju u urinu26,106. Ovaj gradijent varira u zavisnosti od statusa hidratacije106.

Endotel bubrežne moždine karakteriše ekspresija Igfbp7 (refs10,11), urinarni markerbubregpovreda koja predviđa oporavak bubrega nakon akutne ozljede bubrega (AKI)107, i Cd36 (refs10,32), koji kodira receptor za čišćenje koji je odgovoran za unos dugolančanih masnih kiselina iz cirkulacije108 (slika 3c). Prema tome, lipidi bi se mogli prebaciti na CD{7}}zavisan način kroz endotel medule do medularnih intersticijskih ćelija, populaciju ćelija nalik fibroblastu koju karakteriziraju kapljice lipida, čija je količina u korelaciji sa stanjem diureze109. Brisanje Cd36 kod miševa je povezano s povećanim rizikom od spontane hipertenzije ovisno o bubrezima^10,110, ali je usporio razvojbubregfibroza kao odgovor na ishranu bogatu mastima111 (slika 3c), što ukazuje na zaštitnu i patološku ulogu transporta lipida u ovim procesima.

Poput kortikalne i glomerularne endotelije, endotel bubrežne moždine pokazuje ekstenzivnu intra-kompartmentalnu heterogenost^10,11. DVR su arterijske žile koje se sastoje od kontinuiranog endotela okruženog pericitima nalik glatkim mišićima ili VSMC-ima koji reagiraju na vazoaktivne podražaje kako bi kontrolirali protok krvi u bubrežnoj medulari. U skladu sa svojim fenotipom sličnim arteriolama, DVR EC eksprimiraju Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 i Cxcl12 (CXCL12, također poznat kao SDF1 - protein hemokina koji djeluje kao ligand za CXCR4 i CXCR7 izražene VSMC-ima i pericitima)^10,63,113. DVR EC-ovi također izražavaju Slc14a1 i Aqp1 koji kodiraju transporter uree B (UTB)^10,11,112i vodeni kanal akvaporin 1 (ref^10,11,55), a oba su potrebna za koncentraciju u urinu114,115 (Slika 3c,d). Ovi EC takođe eksprimiraju Scin, koji kodira pepeo u — protein koji vezuje akvaporin 2 u multiproteinski kompleks u sabirnim epitelnim ćelijama kanala, vjerovatno da bi olakšao promet akvaporinom 2116. Ko-ekspresija Aqp1 i Scin u DVR EC sugerira sličnu interakciju u medularnom endotelu¹⁰.

Gradijent osmolarnosti uspostavlja neprijateljsko okruženje za ćelije bubrežne medule, posebno za one u bubrežnoj papili, gde je osmolarnost najveća (što odgovara stanju fiziološke hiperosmolarnosti u kojoj je osmolarnost veća nego u sistemskoj plazmi)117. Mišji DVR EC se mogu razdvojiti u dva glavna fenotipa prema njihovoj lokaciji u bubrežnoj papili ili u vanjskoj ili unutrašnjoj meduli10, a razlikuju se po ekspresiji gena izazvanih hiperosmolarnošću i gena za regulaciju vazotona10 (slika 3c). DVR EC-ovi bubrežne papile izražavaju gene koji reaguju na hiperosmolarnost, uključujući ciljne gene transkripcionog faktora NFAT5 induciranog hiperosmolarnošću, kao što su S100a4 i S100a6 (refs10,118), dok DVR EC iz unutrašnje i vanjske moždine pokazuju obogaćenu ekspresiju kodiranog H-a glavni enzim uključen u katabolizam vazoaktivnih prostaglandina, Edn1, koji kodira vazokonstriktor endotelin 1, i Adipor2, koji kodira receptor za adiponektin koji inducira vazodilatatorne efekte119,120 (Slika 3c). Ovaj obrazac ekspresije je u skladu sa izraženijim prisustvom pericita sličnih glatkim mišićima u vanjskom medularnom dijelu DVR i stoga većom reakcijom ove regije na vazoaktivne faktore, u poređenju sa nižim dijelovima DVR9,121.

Za razliku od DVR, AVR su fenestrirani venski sudovi (slika 3d). Ovi sudovi reapsorbuju vodu iz bubrežnog medularnog intersticija koja se akumulira tokom koncentracije urina u sabirnim kanalima, Henleovoj petlji i DVR-u, prikupljajući je nazad u opću cirkulaciju na način sličan funkciji limfnih sudova30. U skladu s ovom ulogom, AVR EC eksprimiraju venski transkripcijski faktor Nr2f2 (refs10,11,64) i Plvap — vjerovatno da održe svoju ulogu u reapsorpciji vode^10,11,47,122(Sl. 3c). AVR EC takođe eksprimiraju Tek, koji kodira angiopoetin Tie2 receptor, koji je neophodan za formiranje AVR tokom razvoja. Brisanje Tek kod miševa izaziva brzo nakupljanje tekućine i cista u medularnom intersticijumu i gubitak medularnih vaskularnih snopova i rezultira smanjenom sposobnošću koncentracije urina³⁰.

Slično DVR, AVR se može razdvojiti u dvije transkriptomski različite EC populacije koje se nalaze u papili i u vanjskoj i unutrašnjoj meduli. One u papili karakterizira ekspresija gena koji reagiraju na hiperosmolarnost (Cryab, Fxyd2 i Cd9 (refs10,123,124)), glikolitičkih gena (Ldha, Aldoa i Gapdh10,125,126) i Car2, koji kodira karbonski enzim 2. , čiji nedostatak smanjuje koncentraciju urina i izaziva poliuriju kod miševa127 (slika 3c). Papilarni AVR EC specifično eksprimiraju gen Fxyd2 koji kodira podjedinicu Na plus /K plus ATPazu, dok je alternativni gen koji kodira podjedinicu Fxyd6 pojačano reguliran u AVR EC u vanjskoj i unutrašnjoj meduli¹⁰ (Sl. 3c).

Papilarni dijelovi AVR i DVR prikazuju različite profile ekspresije gena, ali dijele ekspresiju nekoliko gena koji reagiraju na hiperosmolarnost, uključujući Akr1b3, koji kodira aldozu reduktazu – enzim koji ograničava brzinu poliolnog puta koji je odgovoran za pretvaranje glukoze u sorbitol, inertni organski osmolit koji je važan za održavanje volumena ćelije u uslovima hiperosmolarnosti117. Oni također eksprimiraju S100a6, kao i druge gene — kao što su Fxyd5 (koji kodira drugu podjedinicu Na plus /K plus ATPase), Nrgn (koja kodira kalmodulin-vezujući protein neurogranin) i Crip1 (koji kodira protein bogat cisteinom 1) 10,118 — koji bi potencijalno mogao biti povezan sa hiperosmotskim okruženjem (slika 3c).

Bubrežni medularni kapilarni pleksus, koji povezuje DVR i AVR (slika 3a), karakterizira Plvap-pozitivan fenestrirani endotel i obogaćena endotelna ekspresija gena koji kodiraju VEGF receptore, kao što su Kdr, Flt1 i Nrp1, također kao geni uključeni u transport i metabolizam masnih kiselina (Cd36 i Plpp3)10 (slika 3c). mREC-ovi također uključuju EC iz postkapilarnih venula, kao i angiogene i interferonom aktivirane EC populacije, slične kapilarama korteksa bubrega10.

REC heterogenost i bolest bubrega

U fiziološkim uslovima, endotel je u stanju mirovanja - stanje koje se velikim delom održava kroz S-nitrozilaciju proteina i transkripcionih faktora pomoću NO128,129 izvedenog iz eNOS. Sama aktivnost eNOS-a regulirana je posmičnim naprezanjem¹³⁰i intracelularni metaboliti, kao što su eNOS supstrat, l-arginin i njegov kofaktor, tetrahidrobiopterin¹³¹. Pod određenim uslovima — na primjer, kao odgovor na infekciju — ovo stanje mirovanja može se isključiti, izazivajući aktivaciju EC-a i regrutaciju imunoloških ćelija. Redox signalizacija i posebno odvajanje enzima eNOS što rezultira proizvodnjom superoksida umjesto NO je kritično za ovaj proces aktivacije. Odvajanje eNOS-a pokreće kaskadu koja dovodi do remodeliranja površinskog sloja endotela i inducira ekspresiju receptora koji mogu stupiti u interakciju s trombocitima i imunim stanicama¹³². Iako endotelna aktivacija čini dio odbrambenog sistema domaćina, ova molekularna mašinerija može biti neodgovarajuće aktivirana u bolesnim stanjima kao što su autoimuna bolest ili u okruženju kardiovaskularnih faktora rizika ili infekcije. Treba napomenuti da postoji heterogenost u odgovoru REC-a na štetne signale¹³³. Na primjer, kod atipičnog hemolitičko-uremičkog sindroma, mutacije faktora H inhibicije komplementa su povezane sa smanjenim vezivanjem faktora H za glomerularni endotelni heparan sulfat134, izazivajući tako glomerularnu trombotičku mikroangiopatiju. Drugi primjer je hronično humoralno odbacivanje alografta u kojem se čini da su peritubularne kapilare primarna meta ozljede.¹³⁵; povezani gubitak peritubularne kapilarne mreže predviđa pojavububregneuspjeh136. U kontekstu pandemije COVID-19, važno je napomenuti da se AKI često uočava kod pacijenata sa teškom bolešću (pogađa do 50 posto pacijenata na jedinicama intenzivne njege)¹³⁷, kod kojih široko rasprostranjena disfunkcija EK može potaknuti eskalaciju bolesti kao rezultat vaskularnog curenja, koagulopatije i pogoršane upale^138,139.

Pored heterogenosti u odgovoru na aktivaciju endotela, odgovor REC-a na znakove okoline iz cirkulacije može biti specifičan za mjesto. Na primjer, gREC od pacijenata sa dijabetesom melitusom tipa 1 pokazuju disreguliran angiogeni odgovor koji rezultira rastom glomerula i sekundarnom podocitopatijom^140,141. Kod ishemijske ozljede — posebno u peritubularnim kapilarama — aktivacija endotela i odvajanje EC-a rezultiraju takozvanim fenomenom 'no-reflow', pri čemu se perfuzija ne obnavlja čak ni nakon obnavljanja prohodnosti, što rezultira ozljedom tubularnih epitelnih stanica i AKI.¹⁴². Klinička patologija uzrokovana aktivacijom REC-a je detaljno razmotrena na drugom mjestu.

Pojava tehnika visoke rezolucije kao što je jednoćelijska RNA-seq pružila je novi uvid u molekularnu regulaciju endotelne fenotipske heterogenosti i procese uključene ububregpovreda. Brojna istraživanja u proteklih nekoliko godina, iz naše grupe i drugih, unaprijedila su koncept da je heterogenost endotela međusobno povezana s unutarćelijskim metabolizmom.^{3,6,10,143–145}. Kao što je opisano u nastavku, različita mikrookruženja kojima su REC izloženi pomažu u uspostavljanju i njihove fenotipske raznolikosti i metaboličke specijalizacije.

Metabolička specijalizacija REC-a

EC pokazuju aktivan metabolizam čak i kada su u stanju mirovanja za održavanje procesa kao što su proizvodnja energije, sinteza biomase i redoks homeostaza, koji su neophodni za održavanje integriteta vaskularne barijere, vazoregulatorne funkcije, transporta otopljenih tvari i inhibicije tromboze i vaskularne upale. Na primjer, mirni EC održavaju visoke razine FAO, što pomaže u održavanju integriteta vaskularne barijere dijelom kroz regeneraciju NADPH, koji pruža zaštitu od reaktivnih vrsta kisika (ROS)146. U skladu s ovom ulogom, inhibicija FAO u EC povećava oksidativni stres, permeabilnost endotelne barijere, infiltraciju leukocita146 i tranziciju endotela u mezenhim¹⁴⁷, što sugerira da je FAO potreban za održavanje endotelne funkcije i fenotipa. REC pokazuju različite metaboličke profile i transkriptome do EC izolovanih iz drugih organa kod miševa^3,6. Posebno ih karakterizira pojačana regulacija gena uključenih u biosintezu aminokiselina i pirimidina, kao i metabolizam glukoze.⁶. Štaviše, neki metabolički geni su selektivno obogaćeni arterijskim, kapilarnim ili venskim EC, što ukazuje na metaboličku heterogenost unutar organa⁶. Kao što je objašnjeno u nastavku, različiti uslovi mikrookruženja kojima su različite REC populacije izložene mogu takođe uticati na njihove metaboličke profile i podržati fenotipsku heterogenost REC, kao i njihov odgovor na podražaje bolesti.

REC odgovori na promjene u napetosti kisika

Iakobubrezisu najprokrvljeniji organi u tijelu, manje od 10 posto cirkulirajućeg kisika se troši tokom prolaska krvi krozbubrezi¹⁴⁸. Thebubregmedula je izložena niskom naponu kiseonika, sa pO2 od 10-20 mmHg (hipoksija) u poređenju sa 50 mmHg u korteksu bubrega117 (slika 4a). Gradijent kiseonika koji prati kortikopapilarnu osu je posledica nekoliko faktora, uključujući arteriovenski šant za kiseonik koji je rezultat paralelnog rasporeda AVR i DVR u meduli, ograničenog protoka krvi u i unutar medule kako bi se smanjilo ispiranje otopljenih supstanci , i korištenje oksidativne fosforilacije za proizvodnju visokih razina energije potrebne za Na plus /K plus ATPazu da reapsorbuje Na plus i da omogući pravilno funkcioniranje drugih transportera otopljenih tvari na ćelijskoj membrani117. Dakle, hipoksija je inherentna mehanizmu koncentracije urina u meduli^10,117.

Takođe je potrebno za odgovarajućebubregrazvoj149. Međutim, hipoksija može biti štetna i smatra se glavnim uzrokom AKI150 i faktorom rizika za hroničnu bubrežnu bolest (CKD)151 (slika 4a). Hipoksija bubrega može biti rezultat ishemijskih događaja, kao što se mogu pojaviti tijekom transplantacije bubrega ili kao rezultat abnormalne bubrežne perfuzije zbog razrjeđivanja peritubularne kapilare, ozljede glomerula, ateroskleroze, poremećaja regulacije arterijskog vaskularnog tonusa, anemije i poremećene difuzije kisika152 (difuzije fibroze152 Slika 4a). Unutar vaskularnog sistema, kratkotrajna izloženost hipoksiji uzrokuje reverzibilnu modulaciju vaskularnog tonusa i protoka krvi, dok dugotrajna izloženost dovodi do ireverzibilnog remodeliranja vaskulature i okolnih tkiva s proliferacijom VSMC i fibrozom.¹⁵³. Stanični odgovor na hipoksiju zavisi od inaktivacije oksigenaza zavisnih od Fe2 plus i oksigenaza zavisnih od 2-oksoglutarat (2-OG)152, i naknadne aktivacije faktora transkripcije koji je induciran hipoksijom (HIF) zavisnih i Putevi nezavisni od HIF-a. Izloženost hipoksiji pokreće aktivaciju i HIF1 i HIF2 u ECs154 (slika 4b). Ububreg, REC široko eksprimiraju HIF2 nakon hipoksije, dok je proteinska ekspresija HIF1 ograničena na mREC u papili155-157, gdje vjerovatno stimuliše glikolizu (slika 4b). Aktivacija HIF2 u REC-ima, općenito, posreduje u zaštiti i oporavku od ishemijske ozljede bubrega promoviranjem eritropoeze i suzbijanjem upale bubrega, razrjeđivanja kapilara i fibroze156 (Slika 4b). Izloženost REC hipoksiji u kontekstububregbolest bi stoga mogla izazvati različite odgovore u gRECs i cRECs nego u mRECs. Na primjer, hipoksija potiče HIF1 -zavisnu proliferaciju i migraciju kultiviranih EC158,159; međutim, u nekonfluentnim uslovima, kultivisani gREC podležu apoptozi zavisnoj od mitohondrija nakon izlaganja hipoksiji155,160,161, što ukazuje na neprilagođenost gREC-a na hipoksiju. Iako se čini da su gREC-i prilično otporni na hipoksiju in vivo, vjerovatno zbog parakrinog efekta VEGF161 izvedenog iz podocita, hipoksija može izazvati progresivni gubitak proteina uske spojnice okludina i ZO-1 u gREC-ovima u HIF{{ 11}}zavisan način, u konačnici povećavajući permeabilnost endotelne barijere162. Malo se zna o odgovoru mREC-a na hipoksiju. mREC u AVR i DVR, posebno, izloženi su niskoj napetosti kiseonika u papili u fiziološkim uslovima, a regulon Epas1 (koji kodira HIF2) je pojačan u mREC-ima nakon nedostatka vode, verovatno kao odgovor na povećanje hipoksije izazvano proces koncentracije urina¹⁰.

Metabolička adaptacija EC na promjene u napetosti kisika.U normoksičnim uslovima, EC se prvenstveno oslanjaju na glikolizu za proizvodnju ATP-a, a ne na mitohondrijsku oksidativnu fosforilaciju163. Kao odgovor na hipoksiju, ovi metabolički odgovori se pogoršavaju, uz daljnje pojačavanje glikolize i supresiju mitohondrijalnog disanja (slika 4b), objašnjavajući zašto se EC-ovi otporni na hipoksiju sve dok je glukoza dostupna164. Nakon izlaganja akutnoj hipoksiji kao što je ishemijski događaj, EC pokazuju brzo povećanje ROS-a izvedenog iz mitohondrija i/ili NAD(P)H oksidaze, koji stabilizira HIF1 i omogućava veći glikolitički fluks164 – odgovore koji su u skladu s HIF{{6 }}indukovano povećanje metabolizma glukoze i smanjenje aktivnosti mitohondrija^164,165 (Sl. 4b). Štaviše, analize metaboličkog puta EC izloženih hroničnoj hipoksiji, kao što se može pojaviti u meduli ili u kontekstu CKD, otkrile su HIF2 -zavisnu regulaciju glikolitičkih gena¹⁶⁶. Zanimljivo je da su neki glikolitički geni kao što su Eno1 i Aldoa, koji kodiraju enzime enolazu 1 i aldolazu A koji su neophodni za proizvodnju ATP-a i piruvata iz glukoze, u većoj mjeri pojačano regulirani u mRECs nego u cRECs i gRECs10. Preciznije, mRECs iz papilarnog dijela AVR - to je dio renalnog vaskularnog korita koji je najviše izložen hipoksiji - pokazao je najveću ekspresiju glikolitičkih gena Aldoa, Ldha i Gapdh među svim mREC-ovima kod miševa10. Stoga, papilarni mREC-i mogu pokazati veći anaerobni glikolitički fluks od drugih REC-a kao rezultat njihovog hipoksičnog mikrookruženja. Slično, medularne epitelne ćelije imaju veći kapacitet za anaerobnu glikolitičku proizvodnju ATP-a nego proksimalne tubularne ćelije¹¹⁷. mREC-ovi također reguliraju nekoliko glikolitičkih gena nakon nedostatka vode, istovremeno s povećanom aktivnošću HIF2 gore spomenutom¹⁰.

U EC, HIF2 je delimično regulisan posle aktivacije mitohondrijalnog NAD plus-zavisne deacetilaze sirtuin 3 (SIRT3) (ref. 167) (slika 4b). Gubitak SIRT3 narušava hipoksičnu signalizaciju u EC i rezultira defektnom angiogenezom i mikrovaskularnom disfunkcijom, što je sekundarno zbog metaboličke promjene s glikolize neovisne o kisiku na mitohondrijalno disanje. Ovaj metabolički prekidač je povezan sa smanjenjem ekspresije 6-fosfofrukto-2-kinaze (PFKFB3), enzima koji djeluje kao pozitivan regulator glikolize i formiranja ROS-a¹⁶⁷(Sl. 4b). Nakon hipoksije, SIRT3 pojačava regulaciju mitohondrijalnih antioksidativnih enzima na način koji ovisi o FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — faktor transkripcije koji je također reguliran HIF1¹⁶⁹ (Sl. 4b). Zanimljivo je da antioksidativni put SIRT3–FOXO3 djeluje u gRECs, sprječavajući endotelnu u mezenhimsku tranziciju ibubregfibroza u životinjskom modelu hipertenzije izazvane angiotenzinom II¹⁷⁰(Sl. 4b). Farmakološki pristupi koji povećavaju SIRT3 također ograničavaju AKI izazvan cisplatinom štiteći od ozljede tubula i poboljšavajućibubregfunkcija¹⁷¹. Nasuprot tome, Sirt3-nokaut miševi pokazuju teži AKI, iako doprinos REC-a ovim efektima nije utvrđen¹⁷¹. Ostaje da se utvrdi da li je ovaj antioksidativni put SIRT3–FOXO3 također uključen u fiziološki odgovor mREC-a na hipoksiju u meduli.

Na metabolizam masnih kiselina također utiče dostupnost kisika, budući da hipoksija izaziva povećanje ekspresije i aktivnosti sintaze masnih kiselina (FAS), ključnog enzima koji kontrolira brzinu puta biosinteze masnih kiselina, što rezultira smanjenjem malonila. -CoA bazen i povećanje nivoa palmitata u ECs172 (slika 4b). U ECs humanih plućnih arterija, inhibicija FAS-a dovodi do oštećenja stabilizacije HIF1 i naknadnih promjena u transportu i metabolizmu glukoze posredovane HIF1 - i do obnove funkcije eNOS-a, što sugerira da inhibicija sinteze masnih kiselina može biti korisna za EC funkciju u hipoksiji¹⁷²(Sl. 4b). Ububreg, Fans — koji kodira FAS — je pojačan u eksperimentalnom modelu kronične bubrežne insuficijencije i doprinio je hipertrigliceridemiji¹⁷³. Upregulacija Fans i drugih gena koji reaguju na hipoksiju također je uočena ububregkorteks mišjeg modela anemije srpastih ćelija koji je pokazao progresivno oštećenje glomerula i tubula¹⁷⁴. Promijenjeni metabolizam lipida je karakteristika proteinurične CKD i klinički i eksperimentalni dokazi podržavaju ideju da izmijenjeni metabolizam lipida može doprinijeti patogenezi i progresiji bolesti bubrega¹⁷⁵. Ipak, uloga REC-a u nereguliranom metabolizmu masnih kiselina u kontekstububregbolestostaje da se dodatno razjasni.

Hipoksija također inducira pojačanu regulaciju arginaze II na način koji ovisi o aktivaciji HIF2¹⁷⁶ili HIF1¹⁷⁷i smanjuje sintezu i transport njegovog supstrata, arginina, u EC^178,179(Sl. 4b). Arginaza II je metaloenzim koji je posebno izražen ububrezii katalizuje hidrolizu l-arginina u ureu i l-ornitin. Povećanje aktivnosti arginaze II smanjuje bioraspoloživost arginina, što smanjuje aktivnost eNOS-a, smanjujući proizvodnju NO u endotelu i pokrećući odvajanje eNOS-a, što na kraju dovodi do proizvodnje ROS-a i nitrozativnog stresa.¹⁷⁶. Ovi koraci su kritični za promicanje endotelne disfunkcije, dijabetesne bolesti bubrega ibubregupala u kontekstu pretilosti izazvane prehranom^180,181. U fiziološkim uslovima, arginaza II je uglavnom eksprimirana u vanjskoj meduli, što sugerira da se ova metabolička adaptacija vjerovatno ne događa u mREC-ima koji su najizloženiji hipoksiji.¹⁸¹.

Konačno, izlaganje papilarnih mREC-a akutnoj hipoksiji pokreće oslobađanje purina i ATP-a, zajedno s UTP-om i UDP-om, u ekstracelularnom prostoru^182–184. ATP aktivira endotelne P2Y receptore, što rezultira proizvodnjom NO, vazodilatacijom i povećanom perfuzijom tkiva¹⁸⁵. ATP također stvara adenozin nakon metabolizma ATP-a pomoću ektoenzima^185,186. Važno je da hipoksija pokreće HIF2 -zavisnu regulaciju adenozinskog A2a receptora (kodiranog od ADORA2A) u EC^187,188, čija aktivacija povećava sintezu proteina HIF1, dalje promovišući ekspresiju glikolitičkih gena i glikolitički fluks¹⁸⁷(Sl. 4b). U većini slučajeva, aktivacija A2a i A2b receptora izraženih od strane EC i VSMC posreduje u vazodilatatornim efektima adenozina koji se oslobađa tokom hipoksije185. Ububreg, različiti adenozinski receptori prisutni su u različitim dijelovima vaskulature¹⁸⁹, a ekstracelularni ATP i adenozin imaju ključnu ulogu u regulaciji bubrežne hemodinamike i mikrocirkulacije^185,190. U meduli, adenozin se proizvodi u medularnom debelom uzlaznom ekstremitetu Henleove petlje (TALH) nakon oksidativnog stresa¹⁹¹i djeluje kao vazodilatator, izazivajući povećanje medularnog protoka krvi putem mehanizma koji može uključivati ​​DVR mREC¹⁹². Međutim, suprotno svojim učincima na većinu drugih krvnih žila, adenozinom posredovana aktivacija A2a receptora, koji su posebno izraženi u aferentnim arteriolama, izaziva vazokonstrikciju bubrežne vaskulature, čime potencijalno utiče na protok krvi u bubregu i glomerularnu filtraciju.^185,193. Treba napomenuti da je identificirana uloga purinergičkih receptora u napredovanju CKD¹⁹⁴.