Dio 1 Heterogenost fibroblasta i tercijarna limfoidna tkiva u bubregu
Mar 16, 2022
Kontakt: ali.ma@wecistanche.com
Abstract
Fibroblasti se nalaze u različitim organima i podržavaju strukturu tkiva i homeostazu u fiziološkim uslovima. Fenotipske promjene fibroblasta su u osnovi razvoja različitih patoloških stanja, uključujući fibrozu organa. Nedavni napredak u jednoćelijskoj biologiji otkrio je da fibroblasti sadrže heterogene subpopulacije sa različitim fenotipovima, koji imaju i korisne i štetne efekte na organe domaćina na način ovisan o kontekstu. Ububreg, fenotipske promjene rezidentnih fibroblasta izazivaju uobičajena patološka stanjahronična bolest bubrega(CKD), kao što je renalna anemija i gubitak peritubularnih kapilara. Osim toga, kod starijih ozlijeđenihbubrezi, fibroblasti pružaju funkcionalnu i strukturnu podršku za tercijarna limfoidna tkiva (TLT), koja služe kao ektopično mjesto stečenih imunoloških reakcija u različitim kliničkim kontekstima. TLT su usko povezane sa starenjem i napredovanjem CKD, a razvojne faze TLT-a odražavaju ozbiljnost oštećenja bubrega. U ovom pregledu opisujemo trenutno razumijevanje heterogenosti fibroblasta kako u fiziološkim tako iu patološkim uslovima, s posebnim naglaskom na doprinos fibroblasta formiranju TLT ububreg. Seciranje heterogenih karakteristika fibroblasta će pružiti obećavajuću terapijsku opciju za patološka stanja povezana s fibroblastima, uključujući formiranje TLT.
KLJUČNE RIJEČIhroničnobubregbolest, fibroblast, fibroza, miofibroblast, tercijarno limfoidno tkivo
Kliknite zadoza cistanche tubulosa za bolesti bubrega
1|UVOD
U prošlosti se identifikacija ćelija u tkivu oslanjala na morfološki izgled pod pažljivim mikroskopskim posmatranjem. Napredak u molekularnoj biologiji doveo je do otkrića molekularnih markera specifičnih za svaki tip ćelije koji se mogu koristiti za staničnu klasifikaciju, a to je značajno doprinijelo istraživanju različitih bioloških mehanizama. Nedavni napredak u multi-omičkoj analizi jedne ćelije otkrio je heterogene karakteristike ćelijskih populacija u rezoluciji bez presedana i dramatično rekonstruisao naše razumijevanje bioloških fenomena. Svaka kategorija ćelija sadrži različite subpopulacije sa različitim funkcijama, koje karakterišu tkivno specifično mikrookruženje u fiziološkom i patološkom kontekstu. Područje istraživanja fibroblasta nije izuzetak, a prikupljeni su ogromni dokazi koji ukazuju na njihove heterogene karakteristike.
Fibroblasti su ćelije u obliku vretena smještene u intersticijskim prostorima različitih organa, gdje sintetiziraju nekoliko strukturnih proteina, poput kolagena i fibronektina, kako bi organizirali ekstracelularni matriks (ECM) i održavali homeostazu organa.1 Pored svojih zajedničkih funkcija u organima , fibroblasti igraju ulogu specifične za organe u saradnji sa drugim rezidentnim ćelijama. Na primjer, subpopulacija rezidentnih fibroblasta ububregproizvodi eritropoetin (EPO), glavni regulator eritropoeze. Nedavne studije su otkrile da fibroblasti u različitim organima pokazuju visoku funkcionalnu heterogenost. U patološkim stanjima dolazi do dramatičnih fenotipskih promjena fibroblasta koje značajno doprinose razvoju disfunkcije organa. Fibroblasti se transdiferenciraju u miofibroblaste i podstiču napredovanje fibroze organa, što je manifestacija neprilagođenog popravka nakon ozljede.2 U bubrezima, fibroblasti igraju ključnu ulogu u razvoju i napredovanjuhronična bolest bubrega(CKD), koji ima visok morbiditet i mortalitet širom svijeta čak iu modernoj eri.3 Fibroblasti pokreću nekoliko patoloških stanja povezanih s CKD, kao što su renalna fibroza i renalna anemija, bez obzira na etiologiju CKD. Osim toga, fibroblasti također igraju višestruke uloge na način ovisan o kontekstu. U starijim oštećenim bubrezima, na primjer, fibroblasti igraju ključnu ulogu u formiranju tercijarnog limfoidnog tkiva (TLT), inducibilnog ektopičnog limfoidnog tkiva izazvanog kroničnom upalom.4 Razjašnjavanje individualnih karakteristika fibroblasta razjasnit će osnovne mehanizme fibroblasta povezanih s patoloških stanja i olakšavaju razvoj efikasnih terapija.
U ovom pregledu prvo opisujemo heterogenost fibroblasta u smislu njegovog porijekla i funkcije u fiziološkim uslovima. Nakon toga, raspravljamo o funkcionalnoj heterogenosti fibroblasta u različitim patološkim stanjima, uključujući fibrozu organa, i njihovim interakcijama s drugim tipovima ćelija i okolnim mikrookruženjem. Poseban naglasak stavljen je na rezidentne fibroblaste ububregi njihove implikacije u napredovanju CKD. Na kraju će se raspravljati o doprinosu fibroblasta formiranju TLT-a i njegovom kliničkom značaju.
2|KARAKTERISTIKE FIBROBLASTA
2.1|Karakteristike i funkcije fibroblasta u fiziološkim uvjetima
Fibroblasti se generalno identifikuju po njihovoj morfologiji, lokalizaciji i reprezentativnoj ekspresiji markera, kao što su PDGFR i CD73.1 Ovi markeri, međutim, nisu apsolutno specifični za fibroblaste, tako da odsustvo markera za druge ćelijske loze (npr. CD45 za hematopoetske ćelije ) često se koristi za identifikaciju fibroblasta. U fiziološkim uslovima, fibroblasti doprinose održavanju normalne strukture tkiva podržavajući promet ECM. Pored ovih funkcija, rezidentni fibroblasti igraju i tkivno specifične uloge. Na primjer, u srcu, gdje fibroblasti čine najveću ćelijsku populaciju, fibroblasti osjećaju mehaničko rastezanje i stupaju u interakciju s miocitima preko jaza, što omogućava odgovarajuću električnu provodljivost i održava normalnu srčanu funkciju.5Dodatno, smanjenje fibroblasta u koštanoj srži i skeletnim mišićima dovodi do anemije i kaheksije,6 što ukazuje na njihov značaj u homeostazi normalnog tkiva u različitim organima.
Thebubregje jedinstven organ po tome što se više tipova ćelija nalazi blizu jedna drugoj i skladno funkcionišu kako bi izvršili funkcije specifične za bubrege, kao što je uklanjanje otpadnih proizvoda i održavanje ravnoteže telesnih tečnosti. Fibroblasti obezbeđuju strukturnu podršku za nefrone, osnovnu funkcionalnu jedinicu bubrega, i imaju direktnu interakciju sa drugim rezidentnim ćelijama bubrega, kao što su proksimalne tubularne ćelije.7 Kao specifična funkcija fibroblasta rezidentnih bubrega, određene subpopulacije fibroblasta u dubokom korteksu i vanjska moždina proizvodi EPO kao odgovor na hipoksiju, koja stimulira eritropoezu u koštanoj srži.8 Ćelije koje proizvode EPO posjeduju dendritičku morfologiju nalik neuronima i eksprimiraju neuronske markere, kao što su protein 2 povezan s mikrotubulama (MAP2) i svjetlosni polipeptid neurofilamenta (NFL) .8 Zanimljivo je da u uslovima teške anemije, gotovo svi rezidentni fibroblasti, uključujući i one u vanjskom korteksu, proizvode EPO, što ukazuje na visoku plastičnost funkcije fibroblasta.9 Lokalizacija stanica koje proizvode EPO je u oštroj suprotnosti s drugim hematopoetskim faktorima rasta. , kao što su faktori stimulacije kolonija granulocita, koji se sintetiziraju u blizini svojih ciljnih stanica i zabave djelovanje na parakrini način. Jedno od objašnjenja za ovu neskladnost je da je fiziološka koncentracija kisika u bubrezima niža nego u drugim organima, a bubrežni protok krvi čini otprilike 20 posto minutnog volumena, što čini bubreg idealnim biološkim senzorom za hipoksiju.10 Bubrezi također mogu odmah detektuju status tečnosti u jukstamedularnoj regiji i regulišu ekstracelularni volumen podešavanjem količine reapsorpcije natrijuma. Zajedno sa proizvodnjom EPO-a, bubrezi mogu podesiti volumen plazme i masu crvenih krvnih zrnaca na povoljne nivoe, služeći kao "kritmetar".11,12Osim toga, fibroblasti u bubrežnoj meduli eksprimiraju COX1 i COX2, koji su ključni enzimi sinteze prostaglandina (PG).13 U fiziološkim uslovima, PG imaju višestruke funkcije ububreg, kao što je regulacija bubrežnog krvotoka i oslobađanje renina. Sve u svemu, rezidentni fibroblasti u bubrezima doprinose održavanju bubrežne homeostaze putem nekoliko mehanizama.
2.2|Poreklo fibroblasta
Razvojno porijeklo fibroblasta je heterogeno. Ububreg, ranije smo otkrili da rezidentni fibroblasti u bubrežnom korteksu i vanjskoj meduli potječu iz ekstrarenalnih ćelija nulte mijeline (P0)-Cre linijom obilježenih.14 U embrionalnoj fazi, P0 se izražava na ćelijama neuralnog grebena.15 P0-Cre linije označene ćelije migriraju iz neuralnog grebena u embrionalnibubregna dan embriona 13.5 i lokalizirani su zajedno sa vanjskom kapsulom i ureterom bubrega. Kod odraslihbubreg, P0-Cre linije označene ćelije su uočene u intersticijumu bubrega i eksprimiraju markere fibroblasta kao što su PDGFR i CD73. Zanimljivo je da je većina fibroblasta koji proizvode EPO takođe označena lozom od strane P0-Cre, u skladu sa njihovim karakteristikama fenotipova sličnih neuronima opisanim gore.8 Ovi rezultati su također podržani zapažanjem da su glavni izvor EPO u primitivnoj eritropoezi neuralne ćelije i ćelije neuralnog grebena.16
Nasuprot tome, rezidentni fibroblasti u unutrašnjoj meduli bubrega su označeni linijom od strane Wnt4-Crea,17 što je primjer regionalne heterogenosti porijekla fibroblasta ububreg. U razvoju bubrega, ekspresija Wnt4 se uočava u nefronima koji se sklapaju i medularnoj stromi.18,19 Wnt4 reguliše diferencijaciju medularnih stromalnih ćelija u ćelije glatkih mišića,20 kao i tranziciju mezenhima u epitel i tubulogenezu.19 Zaista, smanjenje Wnt4 slabi ekspresiju aktina glatkih mišića (SMA) u ćelijama strome medule.20
U vezi s različitim porijeklom fibroblasta u bubrežnom korteksu i meduli, također je prijavljeno nekoliko fenotipskih razlika između kortikalnih i medularnih fibroblasta. Na primjer, dok kortikalni fibroblasti eksprimiraju ekto-5'-nukleotidazu (5'NT), većina medularnih fibroblasta ne.21 U ultrastrukturnoj analizi, kortikalni fibroblasti imaju tendenciju da ispolje dendritičnu strukturu za interakciju sa susednim ćelijama, dok medularni fibroblasti sadrže lipidne kapljice.7,22 Zanimljivo je da se ove lipidne kapljice pojavljuju i u kortikalnim fibroblastima anemičnih pacova.bubrezi.21 Potrebna su buduća istraživanja kako bi se utvrdilo da li su ove fenotipske razlike povezane s funkcionalnim razlikama između kortikalnih i medularnih fibroblasta.
2.3|Periciti i fibroblasti
Periciti su zidne ćelije koje okružuju vaskularne endotelne ćelije i kontrolišu mikrocirkulaciju. Tradicionalno, periciti su uglavnom definisani njihovom anatomskom lokacijom, njihovom morfologijom i tipičnom ekspresijom markera.23 Periciti dijele zajedničke karakteristike sa rezidentnim fibroblastima, kao što su njihovo mezenhimsko porijeklo i morfologija. Periciti izražavaju iste ćelijske markere kao rezidentni fibroblasti, kao što je PDGFR. Iako je nekoliko markera korišteno za identifikaciju pericita, kao što je NG-2, oni nisu apsolutno specifični za pericite i ne postoji definitivan marker koji u potpunosti razlikuje pericite od fibroblasta. Zaista, efikasnost praćenja bubrežnih pericita pomoću NG-2 je relativno niska.24 Iako razlike u anatomskoj lokalizaciji u fiziološkim uslovima djelimično pomažu u diferencijaciji pericita od rezidentnih fibroblasta, neki rezidentni fibroblasti također se nalaze u perivaskularnom području ("perivaskularni fibroblasti"), tako da diferencijacija između pericita i fibroblasta anatomskom lokalizacijom nije dovoljna.
Kao i fibroblasti, porijeklo pericita je heterogeno. Dok periciti u centralnom nervnom sistemu i timusu potiču iz nervnog grebena izvedenog iz ektoderme, periciti u srcu i plućima potiču iz mezotela.23 U bubrezima, periciti potiču od FoxD1-pozitivnih kortikalnih mezenhimskih progenitora.25 FoxD1 plus ćelije su izvorno izvedene iz Osr1-pozitivnih nefrogenih međuprogenitora mezoderma u embrionalnoj fazi.26,27FoxD1 plus ćelije služe kao mezenhimalni progenitori i diferenciraju se u nekoliko tipova ćelija, kao što su periciti, fibroblasti, vaskularne glatke mišićne ćelije i mezangijalne ćelije.27 Zanimljivo je da se populacije stromalnih ćelija obeleženih FoxD1-Cre linijom u velikoj meri preklapaju sa ćelijama obeleženim P0-Cre linijom, osim u unutrašnjoj meduli.14,25,27Ovo je potvrđeno opažanjem da migrirajuće ćelije neuralnog grebena u embrionalnoj fazi eksprimiraju FoxD1,28i P0-Cre ćelije označene linijom koje ulaze u embrionbubregprivremeno izraziti FoxD1.14 Dosljedno, ćelije koje proizvode EPO su također označene lozom od strane FoxD1-Crea.29 Stoga postoji veliko preklapanje između staničnih populacija definiranih kao "fibroblasti" i "periciti" i, kao takvi, o pericitima i fibroblastima se često raspravlja kao o cjelini. U ovom pregledu koristimo pojam "fibroblasti/periciti" za definiranje stanične populacije uključujući fibroblaste i pericite. Doprinos FoxD1 plus mezenhimalnih progenitora miofibroblastnom bazenu i razvoju fibroze biće razmatran u sledećem odeljku.
Iako je bilo teško razlikovati pericite od fibroblasta, nedavna studija koja je provela scRNAseq fibroblasta i muralnih ćelija (ćelije glatkih mišića krvnih sudova i periciti) u mišićnim organima omogućava nam da razumijemo njihove razlike na transkripcijskim razinama.30 Muhl i saradnici su izveli scRNAseq stanica izvedenih iz mišjeg srca, skeletnih mišića, debelog crijeva i mjehura. Iako svaki tip ćelije pokazuje transkripcionu heterogenost zavisnu od organa, identifikovano je 90 podskupova gena koji se preklapaju u sva četiri organa koji se mogu koristiti za razlikovanje pericita i fibroblasta. Iako uobičajeni markeri fibroblasta uključuju mnoge ECM gene (npr. Col1a1), CD34 i PDGFR, markeri muralnih ćelija uključuju Mcam, Tagln i Notch3. Iako nijedan pojedinačni marker ne može u potpunosti definirati svaki tip ćelije, kombinacija ovih markera efikasno razlikuje pericite od fibroblasta. Zanimljivo je da periciti pokazuju specifičnu lokalizaciju i ekspresiju markera u poređenju sa fibroblastima. Na primjer, iako su periciti debelog crijeva lokalizirani u vrhu subepitelnih kapilarnih petlji sa jakom ekspresijom PDGFR i NG-2, periciti mokraćne bešike imaju tendenciju da eksprimiraju SMA umjesto toga. Različiti transkripcijski profili pericita mogu objasniti funkcionalne razlike pericita među različitim organima.
3|MYOFIBROBL A ST: PORIJEKLO, FUNKCIJA, HETEROGENITET I POVEZANA PATOLOŠKA STANJA
Fibroza je konačna uobičajena manifestacija dishomeostaze organa i definira se kao prekomjerno taloženje ECM-a s iskrivljenom arhitekturom tkiva. Razvoj fibroze je regulisan zamršenom ravnotežom između sinteze ECM i njene degradacije.31 Kada se jednom razvije, fibroza je povezana sa lošom prognozom u različitim organima, uključujućibubreg, i smatra se pouzdanim prediktorom opadanja funkcije organa. U bubrezima se fibroza razvija istovremeno s renalnom anemijom i gubitkom peritubularnih kapilara, što su oboje obilježja CKD. U razvoju fibroze, miofibroblasti se pojavljuju de novo nakon ozljede i aktivno proliferiraju i sintetiziraju komponente ECM (Slika 1).
3.1|Poreklo miofibroblasta
Tokom posljednje decenije, nekoliko ćelijskih izvora je predloženo kao kandidati za progenitore miofibroblasta. Studije su otkrile da je većina miofibroblasta izvedena iz rezidentnih fibroblasta, oba ububregi drugi organi (npr. srce).14,32,33Ububreg, P0-Rezidentni fibroblasti označeni linijom Cre transdiferenciraju se u miofibroblaste nakon ozljede, uz istovremeni gubitak proizvodnje EPO.14 Konzistentno, miofibroblasti u povrijeđenimbubrezitakođer su označene lozom od strane FoxD1-Crea.25 Ovi rezultati su potvrđeni naknadnom studijom koja je koristila EPO-Cre miševe pod unilateralnom opstrukcijom uretera (UUO), glavnim in vivo eksperimentalnim modelom renalne fibroze.9 U miofibroblastima, NFκB i Smad signalizacija se aktiviraju, a oni su u osnovi fenotipske tranzicije miofibroblasta i smanjene proizvodnje EPO. Zanimljivo je da se proizvodnja EPO u miofibroblastima obnavlja davanjem neuroprotektivnih agenasa, kao što su deksametazon i neurotrofini,14 ili preokrenuti UUO,9 što je primjer visoke funkcionalne plastičnosti miofibroblasta.
Za razliku od kortikalnih miofibroblasta, medularni miofibroblasti potiču od Wnt4 plus rezidentnih fibroblasta u unutrašnjoj meduli.17 Nedavna transkripciona analiza jedne ćelije takođe podržava mogućnost da kortikalni i medularni (mio)fibroblasti mogu pokazati različite fenotipove. snRNAseq na mišimabubregmodeli ozljeda su otkrili da su subpopulacije fibroblasta podijeljene u četiri grupe prema njihovom kortikalnom ili medularnom mjestu porijekla.34 Zanimljivo je da kortikalni fibroblasti prolazno eksprimiraju Acta2 i Col1a1 samo u akutnoj fazi IRI, dok medularni fibroblasti pokazuju kontinuiranu ekspresiju ovih markera miofibroblasta, čak i 6 sedmica nakon IRI. Ove fenotipske razlike između kortikalnih miofibroblasta i medularnih miofibroblasta mogu proizaći iz različitog porijekla fibroblasta, kao što je gore opisano.
Nedavno objavljena sveobuhvatna studija pružila je uvjerljive dokaze da većina miofibroblasta potječe od rezidentnih fibroblasta/pericita ne samo u mišjim bubrezima već i u ljudskim bubrezima. Kuppe i saradnici su analizirali fibrozu kod ljudi i mišabubrezipomoću scRNAseq-a sa vrlo visokom rezolucijom.35 Većina miofibroblasta se razlikuje od fibroblasta i pericita, uz manji doprinos drugih tipova ćelija kao što su dediferencirane proksimalne tubularne ćelije. U ovoj studiji, miofibroblasti su definisani kao ćelije koje eksprimiraju najviše ECM gena, umesto ekspresije SMA, a otkriveno je da su miofibroblasti efikasnije obeleženi periostinom (Postn). Zanimljivo je da tranziciju fibroblast/pericit u miofibroblast karakteriše rana ekspresija gena povezanih sa prekidom ćelijskog ciklusa, kao što je protein aktivator-1 (AP1). Ekspresiju AP1 prati ekspresija integrina i TGF, a oba su glavni pokretači bubrežne fibroze. Takođe su identifikovali Nkd2 kao selektivni marker za zrele miofibroblaste. Ekspresija Nkd2 je u pozitivnoj korelaciji sa ekspresijom Postn i ECM, ali negativno sa genima povezanim sa fibroblastima i pericitima. Nokdaun Nkd2 nabubregorganoidi su potisnuli ekspresiju Col1a1, sugerirajući da bi Nkd2 mogao igrati ulogu u razvoju fibroze. Iako je potrebna dalja validacija in vivo, postoji mogućnost da Nkd2 može poslužiti kao terapeutska meta za bubrežnu fibrozu.
Iako je doprinos fibroblasta/pericita skupu miofibroblasta najznačajniji, prijavljen je i doprinos fibrocita. Fibrociti su ćelije izvedene iz koštane srži sa pozitivnim hematopoetskim markerima, koji proizvode kolagen i komponente ECM. Fibrociti migriraju ububregkao unaprijed diferencirane stanice koje proizvode kolagen i doprinose razvoju fibroze u bubrezima.36 Rane studije su objavile oprečne rezultate u vezi sa ukupnim doprinosom fibrocita miofibroblastima,24,37uglavnom zbog razlika u pouzdanosti transgenih reportera. Nedavne studije koje su koristile modele parabioze i scRNAseq pokazale su da je većina miofibroblasta izvedena iz fibroblasta/pericita, ali ne i iz ćelija koje potiču iz hematopoetske loze.38 scRNAseq čovjekabubregtakođer je otkrio slične rezultate,35 što sugeriše da je doprinos fibrocita u miofibroblastnom bazenu relativno mali u poređenju sa fibroblastima/pericitima.
Prethodna studija je tvrdila da se epitelne stanice transdiferenciraju u miofibroblaste putem epitelne u mezenhimsku tranziciju (EMT),39 uglavnom baziran na kolokalizaciji epitelnih i mezenhimskih markera. Detaljne studije praćenja sudbine ćelija dovele su u pitanje glavni doprinos EMT in vivo, međutim, i pokazale da EMT čini samo mali deo miofibroblasta, ako ga ima.24,25,35Prelaz endotela u mezenhim (EndoMT) je još jedan biološki proces u kojem se endotelne ćelije transdiferenciraju u miofibroblaste. Iako su neke studije otkrile da EndoMT doprinosi fibrozi bubrega,40-42Čini se da je doprinos EndoMT-a ukupnoj populaciji miofibroblasta manje značajan od fibroblasta/pericita ili fibrocita.24,35
3.2|Redefinisanje miofibroblasta
Tradicionalno, miofibroblasti su definisani kao ćelije koje poseduju karakteristike i fibroblasta i glatkih mišićnih ćelija i eksprimiraju kontraktilni protein SMA.1 Međutim, nekoliko studija je sugerisalo da, pored fibroblasta, miofibroblasti takođe pokazuju visoku heterogenost, a SMA je nedosledan marker za miofibroblaste. . Kao što je prethodno opisano, u nedavno sprovedenoj scRNAseq analizi fibrozebubrezi, miofibroblasti su definisani kao ćelije sa najvećom ekspresijom ECM, a Postn je korišćen za identifikaciju miofibroblasta umesto SMA.35Zaista, Sun i saradnici su koristili Col-EGF/SMA-RFP duple reporterske miševe i otkrili da samo mali dio ćelija koje proizvode kolagen izražava SMA u modelima fibroze bubrega i pluća.43 Druga studija je takođe pokazala da ćelije glatkih mišića i periciti izražavaju više nivoe SMA od my-fibroblasta, što čini SMA nedoslednim markerom za miofibroblaste, barem kod fibroze pluća.44 Zanimljivo je da su miofibroblasti podijeljeni u pet klastera pomoću scRNAseq-a, a pseudovremenska analiza sugerira da svaki od njih predstavlja različite faze tranzicije my-fibroblasta iz fibroblasta.35 Potrebna je dalja studija validacije kako bi se potvrdila funkcionalna heterogenost različitih podtipova fibroblasta.
3.3|Funkcionalna heterogenost (mio)fibroblasta
U patološkim stanjima, fibroblasti dobijaju različite fenotipove i igraju različite uloge u zavisnosti od svog mikrookruženja i kliničkog konteksta. U plućima je zabilježena visoka funkcionalna heterogenost rezidentnih fibroblasta, što doprinosi fibrozi pluća putem različitih mehanizama.44-46 Postoje različite subpopulacije plućnih fibroblasta koje se nalaze na različitim anatomskim lokacijama (alveolarni, adventicijski i peribronhijalni fibroblasti), i svaki od njih pokazuje različite transkripcione profile u scRNAseq.44 Među njima, jedinstvena subpopulacija fibroblasta sa visokom proizvodnjom ECM je identifikovana ekspresijom kolagena trostrukog heliksa ponavljanja koji sadrži 1 (Cthrc1). Cthrc1-pozitivni fibroblasti se razlikuju od alveolarnih fibroblasta i uglavnom se opažaju u fibroblastnim žarištima, centralnom mjestu fibrogeneze. Oni pokazuju visok migratorni i kolonizatorski kapacitet nakon intratrahealnog transfera, što ukazuje na njihove patološke funkcije. Ovi rezultati pokazuju da različite subpopulacije fibroblasta zauzimaju različite anatomske lokacije u plućima, a Cthrc1 označava štetne fibroblaste sa visokom ekspresijom ECM. Druga studija je otkrila da fenotipske promjene ostarjelih miofibroblasta u plućima leže u osnovi smanjenog kapaciteta rezolucije fibroze pluća kod starijih osoba.47 Ostarjeli miofibroblasti pokazuju veću ekspresiju NADPH-oksidaze 4 (Nox4) dok NFE{10}}povezan faktor 2 (Nrf2 ), koji je primarni regulator odgovora na antioksidativni stres, je smanjen. Redox neravnoteža između Nox4 i Nrf2 pokreće sticanje anti-apoptotičkih i senescentnih fenotipova u ostarjelim fibroblastima, što potiče trajnu fibrozu. Zaista, in vivo blokada aktivnosti Nox4 od strane siRNA ili inhibitora malih molekula obnavlja kapacitet rezolucije fibroze kod ostarjelih miševa, sa smanjenim fenotipovima starenja i anti-apoptoze u miofibroblastima.
Jedinstveni fenotip fibroblasta također je prijavljen kod bolesti povezanih s IgG4- (IgG4-RD), koju karakteriziraju IgG4-pozitivna infiltracija plazma ćelijama i fibroza u obliku priče.48 Iako većina pacijenata sa IgG4-RD dobro reaguju na terapiju glukokortikoidima, osnovni razlog za terapijski odgovor je bio nejasan. Otkrili smo da je ekspresija glukokortikoidnog receptora (GR) značajno pojačana u zahvaćenim organima pacijenata, kao što su submandibularne žlijezde, retroperitoneum ibubrezi.49 Zanimljivo je da je GR uglavnom izražen na fibroblastima, kao i leukocitima zahvaćenog organa, što djelimično objašnjava zašto primjena glukokortikoida smanjuje razvoj fibroze u IgG4-RD. Iako doprinos fibroblasta razvoju IgG4-RD treba dalje validirati, ovi rezultati pokazuju funkcionalnu heterogenost fibroblasta u razvoju različitih patoloških stanja.
3.4|Bubrežna anemija i gubitak peritubularnih kapilara: dva uobičajena patološka stanja uzrokovana disfunkcijom fibroblasta u bubrezima
Fibroza je posljednji uobičajeni put nastanka CKD-a, bez obzira na osnovnu etiologiju. Zaista, fibroza u bubrežnom korteksu smatra se najboljim histološkim prediktorom bubrežne disfunkcije u CKD.50 To je dijelom zato što je fibroza usko povezana s drugim patološkim stanjima uobičajenim u CKD, kao što su renalna anemija i gubitak peritubularnih kapilara. Nekoliko faktora pokreće tranziciju fibroblasta u miofibroblaste i razvoj fibroze u bubregu, kao što je ozljeda proksimalne tubule.51,52 Kao što je opisano u prethodnom poglavlju, fibroblasti/periciti koji proizvode EPO transdiferenciraju se u miofibroblaste kao odgovor na ozljedu, uz istovremeni gubitak proizvodnje EPO .14,29 Proizvodnja EPO se indukuje u hipoksičnom stanju i reguliše faktorima izazvanim hipoksijom (HIFs). U normoksičnim uslovima, HIF-ovi se brzo hidroksiliraju proteinima koji sadrže domen HIF-prolil hidroksilaze (PHD) koji promovišu proteazomalnu degradaciju HIF-a. Ububreg, aktivacija FZO-a od strane dr. inhibicija obnavlja proizvodnju EPO u miofibroblastima, a PHD2-HIF2 osa je glavna regulatorna kaskada.53 Zanimljivo je da je proizvodnja EPO u FoxD1-Cre-obilježenim fibroblastima povećana inaktivacijom PHD2, ali ne inaktivacijom PHD1 ili PHD3, što sugerira da je proizvodnja EPO u ovim stanicama regulirana jedinstvenim mehanizmima.53 Iako je trenutna standardna terapija za bubrežnu anemiju primjena rekombinantnog humanog EPO (rhEPO), egzogena primjena rhEPO povezana je s nekoliko nuspojava, kao što su hipertenzija i trombotički događaji.54,55Da bi prevazišao ove nedostatke rhEPO-a, dr.sc. inhibitori koji pojačavaju regulaciju gena izazvanih hipoksijom, uključujući EPO, razvijeni su i korišteni za liječenje renalne anemije.56 Iako su potrebne daljnje studije o dugoročnim štetnim efektima Ph.D. inhibitori, koji ciljaju miofibroblaste da induciraju endogenu proizvodnju EPO, mogu biti obećavajuća i povoljna terapijska strategija za bubrežnu anemiju u CKD.
Peritubularni gubitak kapilara i razrjeđivanje kapilara također se razvijaju zajedno s fibrozom, a funkcionalna promjena pericita je u osnovi ovih manifestacija.57-59Ububreg, peritubularne kapilare su okružene pericitima, koji podržavaju kapilarnu strukturu i funkciju u fiziološkim uslovima. Nakon ozljede, ovi periciti se odvajaju od peritubularnih kapilara i migriraju u ozlijeđene tubule.53,60 U ovom procesu, peritubularne kapilare gube mehaničku potporu pericita, što dovodi do|201 ARAI et al. kapilarna regresija i razrjeđivanje.57,58U UUO modelu, apoptoza endotelnih ćelija i gubitak peritubularne kapilare razvijaju se zajedno s progresijom fibroze.61 Osim toga, peritubularne kapilare su fibroznebubrezipokazuju morfološke abnormalnosti, kao što su formiranje kaveola i vakuolizacija, a njihova permeabilnost je povišena, što je vidljivo u povećanoj ekstravazaciji u dvofotonskim mikroskopskim slikama.62 Zaista, smanjena opskrba bubrežnom krvlju uzrokovana gubitkom peritubularnih kapilara i razrjeđivanjem detektira se u modelima miša s CKD mikrokompjuterskom tomografijom s pojačanom kontrastom.63 Zajedno s razvojem fibroze i relativnim nedostatkom EPO, gubitak peritubularnih kapilara doprinosi smanjenju opskrbe kisikom u bubrežnih tubula i intersticijuma, što pogoršava oštećenje bubrega i stvara začarani krug napredovanja CKD.64
4|FUNKCIONALNA HETEROGENENOST FIBROBLASTA IZVAN FIBROZE
Nedavne studije koje su koristile scRNAseq analizu su otkrile fenotipsku heterogenost fibroblasta u patološkim stanjima u različitim organima i shodno tome pokazale raznovrsne funkcije fibroblasta. Fibroblasti ne samo da imaju štetne efekte, već imaju i korisne funkcije na način ovisan o kontekstu. U ovom odjeljku razmatramo trenutno razumijevanje različitih funkcija fibroblasta, osim razvoja fibroze.
4.1|Upalne funkcije
Fibroblasti potiču upalu tkiva u nekoliko konteksta.65 Na primjer, u mišjem modelu infarkta miokarda, rezidentni fibroblasti izazivaju ne samo fibrozu srca nego i lokalnu upalu do pogoršanja srčane funkcije. Nakon infarkta miokarda, srčani fibroblasti u fibrotičnom području pojačavaju Sox9,66,67koji je transkripcijski faktor odgovoran za taloženje ECM u hondrocitima.68 Fibroblast-specifična delecija Sox9 in vivo ublažava srčanu upalu i fibrozu u kroničnoj fazi nakon infarkta miokarda, što dovodi do poboljšane disfunkcije lijeve komore i ožiljaka na miokardu. RNAseq srčanog ožiljnog tkiva otkrio je da brisanje Sox9 u fibroblastima negativno reguliše proinflamatorne gene, kao što je IL-6, kao i gene kolagena. ChIPseq na hondrocitima sisara otkrio je da su neki od ovih proinflamatornih gena direktno vezani za Sox9 na leziji pojačivača.69 Uzeti zajedno, iako bi uzvodne signale za regulaciju SOX9 trebalo dalje istražiti, ovi nalazi sugeriraju da Sox9 u srčanim fibroblastima reguliše i fibrozu i nakon fibroze. infarkt miokarda i može se smatrati novom terapijskom metom.
Proinflamatorni fenotipovi subpopulacija fibroblasta su takođe intenzivno istraženi kod reumatoidnog artritisa (RA). Croft i saradnici su istraživali mišje modele popuštanja i perzistentnog artritisa i otkrili da se fibroblasti pozitivni na protein-a (FAPa) akumuliraju u upaljenom zglobu.70 Brisanje FAPa plus fibroblasta ublažava lokalnu upalu i deformitet zglobova, što ukazuje na njihove patološke funkcije. Zanimljivo je da su FAPa plus fibroblasti podijeljeni u dvije različite subpopulacije pomoću scRNAseq-a: FAPa plus THY1 plus fibroblasti i FAPa plus THY1- fibroblasti. FAPa plus THY1 plus fibroblasti su lokalizirani u sloju sinovijalne podloge, dok se FAPa plus THY1- fibroblasti nalaze u sloju sinovijalne obloge. Pored svoje prostorne razlike, ovi fibroblasti su funkcionalno različiti; usvojeni prijenos FAPa plus THY1 plus fibroblasta u zglob izaziva ozbiljnu lokalnu upalu sa povećanom infiltracijom leukocita, dok prijenos FAPa plus THY1- fibroblasta rezultira povećanom aktivnošću osteoklasta i deformacijom zgloba bez pogoršanja upale. Ovi funkcionalno različiti fibroblasti su također uočeni u ljudskim zglobovima s RA. Zaista, FAPa plus THY1 plus fibroblasti su zastupljeniji u zglobovima pacijenata sa RA nego pacijenata sa osteoartritisom (OA),70 što je primjer njihovog inflamatornog potpisa. Druga studija istraživala je ljudska sinovijalna tkiva pomoću bulk RNAseq-a i scRNA-seq-a i identificirala tri glavne podskupine fibroblasta s jasnom ekspresijom površinskih proteina.71 Među njima, Pdpn plus THY1 plus CD34− fibroblasti se šire u perivaskularnoj zoni upaljene sinovije i pozitivno koreliraju sa težinom sinovijalne upale kod RA. Pdpn plus THY1 plus CD34− fibroblasti pokazuju visoke migratorne i proliferativne profile in vitro. Zanimljivo je da većina ovih Pdpn plus THY1 plus CD34- fibroblasta eksprimira kadherin-11, koji leži u osnovi patoloških karakteristika mišjih sinovijalnih fibroblasta.72 Osnovni mehanizam za regulaciju proinflamatornih fibroblasta u RA je također istražen. Wei i saradnici su otkrili da Notch3 signalizacija upravlja diferencijacijom THY1 plus sublimirajućih fibroblasta koji su u osnovi sinovijalne upale RA.73 Genetsko iscrpljivanje ili farmakološka blokada Notch3 signalizacije ublažava upalu zglobova i eroziju kostiju u mišjem modelu RA. Sve u svemu, ovi nalazi ukazuju da specifično ciljanje na upalne fibroblaste može biti obećavajuća terapijska strategija u RA.
Fibroblasti takođe deluju kao urođene imune ćelije. Periciti/fibroblasti eksprimiraju nekoliko receptora za prepoznavanje uzoraka, kao što su Toll-like receptori (TLR), i promoviraju lokalnu upalnu kaskadu. Leaf i saradnici su otkrili da bubrežni periciti osjećaju molekularne obrasce povezane s oštećenjem (DAMP) koji se oslobađaju iz oštećenih stanica na način ovisan o TLR i MyD88-74. Na isti način kao i klasične imunološke ćelije, periciti aktiviraju NLRP3 inflamazom, što dovodi do lučenja IL-1 i IL-18. Ovi nalazi pokazuju da intersticijska lokalizacija pericita/fibroblasta omogućava im da odmah osjete početnu ozljedu i funkcioniraju kao propagator lokalne upale. Kao još jedan mehanizam za propagiranje lokalne upale, intravitalno mikroskopsko posmatranje otkrilo je da periciti mijenjaju svoju morfologiju tijekom upale i formiraju praznine između susjednih pericita, što olakšava transmigraciju neutrofila i puzanje.75
Fibroblasti takođe doprinose stvaranju TLT-a u starim oštećenim bubrezima.4,76 Lučenjem homeostatskih hemokina kao što su CXCL13 i CCL19, fibroblasti koji se nalaze u TLT-ima regrutuju 202|ARAI et al. limfociti i pružaju funkcionalnu skelu za TLT, kao što je objašnjeno u sljedećem odjeljku.
4.2|Regulacija progresije tumora
U tumorskom mikrookruženju (TME), fibroblasti povezani s rakom (CAF) čine najveću ćelijsku komponentu u stromi TME i igraju važnu ulogu u patogenezi raka.77 CAF podstiču progresiju raka putem više mehanizama, kao što je remodeliranje ECM-a i lučenje faktora rasta i proinflamatornih citokina. CAF takođe regulišu regrutaciju imunih ćelija i potiskuju antitumornu imunološku reakciju.77,78CAF-ovi pokazuju visoku funkcionalnu i regionalnu raznolikost u zavisnosti od njihovih rezidentnih organa. Na primjer, kod duktalnog adenokarcinoma pankreasa (PDAC), identificirana su dva različita podtipa CAF-a: jedna podskupina CAF-a nalazi se u susjedstvu tumorskih stanica s povišenom ekspresijom SMA, dok je druga podskupina udaljena od tumorskih ćelija i luči upalne citokine, kao npr. IL-6.79Kod karcinoma dojke, CAFs su klasifikovane u tri subpopulacije prema njihovom porijeklu, od kojih svaka ima nezavisne prognostičke sposobnosti.80 Zanimljivo je da su studije sugerirale da se ove heterogene subpopulacije CAF-a mogu podijeliti u dva funkcionalno različita podtipa: CAF-ovi koji promovišu rak (pCAFs ) i CAF-ove koji sputavaju rak (rCAF).77,81 Postojanje rCAF-ova sugerirano je opažanjem da genetsko iscrpljivanje ili funkcionalna intervencija proliferirajućih CAF-ova ne inhibira, već promoviše progresiju raka.82-84Iako specifični marker za rCAF tek treba da bude određen, nedavna studija je otkrila da rCAF u PDAC karakteriše ekspresija Mifflina,85koji je prvi put identificiran kao glikozilfosfatidilinozitol usidreni protein koji specifično obilježava mezenhimalne stromalne/matične ćelije.86 Kod pacijenata sa PDAC, infiltracija Meflina plus CAFs je u pozitivnoj korelaciji sa povoljnim ishodima. U analizi mišjeg modela potkožnog ksenotransplantata, transfer meflina izazvan lentivirusom u tumorske stromalne ćelije oslabio je rast tumora i infiltraciju SMA plus CAF. Stroma tumora Mifflin nokaut miševa pokazuje ravnije i šire strukture kolagena, a nivo ekspresije Mifflina u humanom PDAC-u povezan je sa izmijenjenim strukturama kolagena. S obzirom da je progresija raka usko povezana s remodeliranjem matriksa,87 ovi nalazi sugeriraju da Meflin plus CAFs suzbijaju progresiju tumora inhibirajući remodeliranje kolagena. Iako su potrebne daljnje studije o osnovnom mehanizmu razvoja Meflina plus CAF, regulacija rCAF-a mogla bi biti nova terapijska strategija u terapiji protiv raka.
4.3|Regenerativne funkcije
Iako su štetni efekti fibroblasta privukli istraživački interes kao što je opisano u prethodnom odjeljku, fibroblasti također pospješuju regeneraciju tkiva od ozljeda. Zaista, inhibicija funkcije fibroblasta ne mora nužno dovesti do boljeg ishoda. Na primjer, delecija Postn plus miofibroblasta u srcu ometa formiranje odgovarajućeg ožiljka, što dovodi do rupture ventrikula i većeg mortaliteta.32
Nedavne studije su otkrile da, kod ozljeda i popravka tkiva, specifična subpopulacija fibroblasta ispoljava regenerativne efekte u više mehanizama. U koži se fibroblasti dijele u dvije kategorije prema lokalizaciji: papilarni fibroblasti u gornjem dermisu i retikularni fibroblasti u donjem dermisu.88 Nakon ozljede, retikularni fibroblasti se regrutuju u leziju prije migracije papilarnih fibroblasta i izlučuju kolagen koji je odgovoran za stvaranje ožiljaka. . Nasuprot tome, papilarni fibroblasti, koji se aktiviraju kasnije nakon ozljede, doprinose regeneraciji folikula dlake. Ovi nalazi ukazuju da prostorno i funkcionalno različiti podtipovi fibroblasta doprinose regeneraciji kožnih rana na koordiniran način. Nedavna analiza scRNAseq također je otkrila da fibroblasti u ranama na koži pokazuju visoku heterogenost i da se mogu klasificirati u dvanaest subklastera.89 Pseudovremenska analiza i analiza brzine RNK pokazala je da neki od ovih klastera predstavljaju stanja diferencijacije prema kontraktilnim fenotipovima dok drugi dobijaju regenerativne fenotipove. Zanimljivo je da je identifikovana jedinstvena subpopulacija kožnih fibroblasta specijalizovanih za popravku tkiva od povreda. Nakon ozljede kože, fibroblasti koji se nalaze u fasciji, koja je želatinozna membranska struktura koja razdvaja kožu i krutu strukturu ispod, uzdižu se do površine kože.90 Kao odgovor na duboke ozljede, fibroblasti fascije usmjeravaju svoj okolni kompozitni matriks u ranu i formiraju provizorna matrica. Većina ovih "fascija fibroblasta" označena je ugraviranom oznakom 1 (En1), koja je prvi put identificirana kao marker ćelija fibrogene loze u dorzalnoj koži miševa.91 Obilje fibroblasta fascije u rani je u pozitivnoj korelaciji sa dubinom ožiljka. Zaista, genetsko iscrpljivanje fibroblasta fascije sprječava usmjeravanje matriksa u ranu i dovodi do defektnih ožiljaka. Implantacija nepropusnog filma ispod kože sprečava migraciju fibroblasta fascije i rezultira otvorenim ožiljkom. Doprinos još jedne jedinstvene podskupine fibroblasta, ćelija prekursora adipocita (APS), takođe je prijavljen; AP stupaju u interakciju sa CD301b plus makrofagima i doprinose regeneraciji kože nakon ozljede.92 Sve u svemu, ovi nalazi sugeriraju da heterogene subpopulacije fibroblasta sa specijaliziranim funkcijama doprinose regeneraciji kože nakon ozljede.
Ovi "regenerativni fibroblasti" se takođe primećuju ububreg. Ultramikroskopsko posmatranje otkrilo je da miofibroblasti migriraju oko oštećenih tubula i strukturno ih podržavaju u modelu oštećenja bubrega, sugerirajući da bi miofibroblasti mogli olakšati regeneraciju tubularnih stanica.93 Korištenjem P0-Cre: DTR miševa, kod kojih se daje toksin difterije (DT) iscrpljuje rezidentne fibroblaste označene P0-Cre linijom u bubregu, otkrili smo da iscrpljivanje fibroblasta u ranoj fazi ozljede umanjuje regeneraciju tubula i pogoršava povredu bubrega.94 Zanimljivo je da kao odgovor na ozljedu, fibroblasti pojačavaju ekspresiju retinaldehid dehidrogenaze 2 (RALDH2), enzima koji ograničava brzinu sinteze retinoične kiseline. Receptor retinoične kiseline (RAR) eksprimiran je na proksimalnim tubularnim stanicama, a B-kristalin, proizvod ciljnih gena RAR, pojačan je isključivo u ozlijeđenim proksimalnim tubularnim stanicama. Inverzni agonist RAR-a smanjuje proliferaciju tubularne ćelije in vitro. S obzirom na to da retinoičnu kiselinu luči stromalni mezenhim u embrionububrezineophodan je za razvoj ureternog pupoljka,95,96ovi nalazi sugeriraju da RALDH2 plus miofibroblasti mogu igrati važnu ulogu u regeneraciji ozlijeđenih proksimalnih tubula putem signalizacije retinoinske kiseline u ranoj fazi ozljede.
