Come riparare e trattare una lesione renale acuta?

Contatto: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Approcci multiomici al danno renale acuto e alla riparazione

Louisa MS Gerhardt e Andrew P. McMahon

Astratto

Il rene ha una notevole capacità rigenerativa. In risposta a lesioni ischemiche o tossiche, le cellule dei tubuli prossimali possono proliferare per ricostruire i tubuli danneggiati e ripristinare la funzione renale. Tuttavia, severodanno renale acuto(AKI) o AKI ricorrente (danno renale acuto) gli eventi possono portare a una riparazione disadattiva e alla progressione della malattia da AKI (danno renale acuto) amalattia renale cronica(CKD). L'applicazione delle tecnologie unicellulari ha identificato gli stati delle cellule del tubulo prossimale danneggiato settimane dopo AKl (danno renale acuto), contraddistinto da una firma molecolare senescente proinfiammatoria. Studi epigenetici hanno evidenziato cambiamenti dinamici nel paesaggio della cromatina del rene a seguito di AKI (danno renale acuto)e hanno descritto i fattori chiave di trascrizione legati all'AKI (danno renale acuto) risposta. L'integrazione di tecnologie multi-omiche apre nuove possibilità per migliorare la nostra comprensione dell'AKI (danno renale acuto) e le forze trainanti dietro l'AKl (danno renale acutotransizione da ) a CKD, con l'obiettivo finale di progettare strategie diagnostiche e terapeutiche su misura per migliorare l'AKI (danno renale acuto) risultati e preveniremalattie renaliprogressione.

Parole chiave: Danno renale acuto, Multi-omica, Epigenomica, sequenziamento dell'RNA unicellulare, sequenziamento ATAC.

introduzione

Danno renale acuto(AKI), diagnosticata da un improvviso aumento della creatinina sierica e/o dalla diminuzione del volume delle urine, è una condizione altamente prevalente associata a un aumento della morbilità e della mortalità, nonché a costi sanitari significativi [1e4]. Ad esempio, le prove attuali suggeriscono che almeno il 25% di tutti i pazienti COVID{3}} ospedalizzati sviluppa AKI (danno renale acuto) e che questi pazienti hanno un rischio di mortalità significativamente più alto rispetto ai pazienti COVID{0}} senza AKI (danno renale acuto) [5]. Pazienti sopravvissuti ad AKI (danno renale acuto) sono ad aumentato rischio di transizione verso malattie renali croniche e allo stadio terminale [3,4,6]. Secondo il rapporto annuale 2018 US Renal Data System, solo il 52,6% dei pazienti ricoverati in Veteran Affairs, che hanno incontrato l'AKI (danno renale acuto)criteri diagnostici, è stata data la diagnosi AKI (danno renale acuto), chiedendo una maggiore consapevolezza per l'AKI (danno renale acuto) nella routine ospedaliera [7]. Inoltre, una diagnosi precoce di AKI (danno renale acuto)è limitato dalla mancanza di biomarcatori sensibili e dalle opzioni di trattamento disponibili per l'AKI (danno renale acuto) continuano a fare affidamento sull'ottimizzazione emodinamica, sull'evitamento della nefrotossicità e sulla terapia sostitutiva renale.

Le cellule del tubulo prossimale, il tipo cellulare più abbondante nel rene, sono responsabili di gran parte del fluido renale e del riassorbimento dei soluti e sono emerse come attori principali nelle risposte adattative e disadattive all'AKI (danno renale acuto) [8]. A causa della loro elevata attività metabolica e della dipendenza dal metabolismo ossidativo, l'ischemia porta rapidamente all'esaurimento dell'ATP, all'accumulo di specie reattive dell'ossigeno e, infine, all'apoptosi o alla necrosi delle cellule dei tubuli prossimali (Figura 1). Le cellule dei tubuli prossimali che sopravvivono a un evento ischemico hanno la capacità di dedifferenziare, proliferare e ricostruire i tubuli danneggiati, svolgendo così un ruolo essenziale nel processo di riparazione adattativa per ripristinare la funzione renale [9-11]. Tuttavia, anche le cellule del tubulo prossimale disadattive, caratterizzate da un fenotipo proinfiammatorio e profibrotico, sono state implicate nella progressione della malattia da AKI.danno renale acuto) alla malattia renale cronica (CKD), un processo complesso che coinvolge infiammazione, rarefazione vascolare e produzione di matrice extracellulare da parte di periciti e miofibroblasti attivati ​​(Figura 1)[8,12]. Le tecnologie omiche che esaminano l'organizzazione genomica, l'espressione genica e i prodotti proteici, come il test per la cromatina accessibile alla trasposasi utilizzando il sequenziamento (ATAC-seq), il sequenziamento dell'mRNA e la spettrometria di massa, rispettivamente, hanno notevolmente migliorato la comprensione molecolare delle risposte cellulari avviate dall'AKI (danno renale acuto). Più recentemente, le applicazioni unicellulari di questi approcci hanno consentito lo studio di eventi cellulari a una risoluzione senza precedenti. Questi e altri approcci multi-omici promettono una comprensione completa dei meccanismi regolatori che governano le malattie renali, aprendo nuove strade per la scoperta di biomarcatori e farmaci. Questo manoscritto esamina le recenti scoperte che applicano la tecnologia omica adanno renalee riparazione e considera le future applicazioni degli approcci multi-omici per migliorare la comprensione e il trattamento didanno renaleemalattie renali.

Figura 1:Panoramica dell'AKI e dei processi.

Le cellule del tubulo prossimale sono altamente suscettibili all'ischemia, che può portare alla morte cellulare per apoptosi e regolata (piroptosi, ferroptosi, necroptosi), nonché a necrosi non regolata e desquamazione di cellule morte e vitali nel lume tubulare. Le cellule del tubulo prossimale (PTC) sopravvissute possono dedifferenziarsi e proliferare per ripristinare l'architettura e la funzione del rene; tuttavia, una riparazione disadattiva può anche portare alla progressione della malattia verso la malattia renale cronica (CKD). Questo processo è caratterizzato da rarefazione vascolare, differenziazione da periciti a miofibroblasti, deposizione aumentata di matrice extracellulare fibrosa (ECM), perdita tubulare e infiammazione cronica. Nfkb1 più le PTC a riparazione fallita, caratterizzate da un fenotipo secretorio associato alla senescenza (SASP), giocano probabilmente un ruolo importante nell'AKI (danno renale acuto)transizione da -a CKD.

Genomica

Gli studi genomici mirano a identificare le basi genetiche della malattia mediante il sequenziamento mirato guidato da ipotesi di geni candidati o il sequenziamento dell'intero genoma privo di ipotesi. Qui, ci concentreremo sugli studi di associazione dell'intero genoma (GWAS) che utilizzano un approccio imparziale per mappare le varianti di sequenza nell'intero genoma su caratteristiche fenotipiche come i tratti della malattia e consentire l'identificazione del gene candidato per studi meccanicistici (Figura 2). Rispetto ad altri tratti della malattia, il numero disponibile di GWAS che interroga il background genetico dell'AKI (danno renale acuto) è scarso. Ciò è in parte dovuto alla natura complessa ed eterogenea dell'AKI (danno renale acuto) come tratto patologico. AKI (danno renale acuto) può essere causato da una moltitudine di fattori diversi come ischemia, sepsi, farmaci nefrotossici e nefropatia ostruttiva. L'evidenza attuale suggerisce che i meccanismi molecolari e cellulari sottostanti dell'AKI (danno renale acuto) hanno componenti causa-specifiche [13,14], ma la definizione consensuale di AKI (danno renale acuto) — una variazione della creatinina sierica e della produzione di urina — non tiene conto di un diverso AKI (danno renale acuto) cause.

Viene illustrato un flusso di lavoro semplificato per uno studio di associazione dell'intero genoma (GWAS) (in alto a sinistra). Per studiare un'associazione tra varianti genetiche e un tratto specifico, il sequenziamento o la genotipizzazione dell'intero genoma utilizzando array di polimorfismo a singolo nucleotide (SNP) viene eseguito su una popolazione e vengono utilizzati test di associazione statistica per identificare gli SNP associati al tratto di interesse. Per il sequenziamento dell'RNA unicellulare (in alto a destra), viene preparata una sospensione unicellulare, le singole cellule vengono isolate e le molecole di mRNA dalla cellula (o nucleo) vengono catturate su sfere per le successive conversioni in cDNA. Il cDNA viene amplificato e le sequenze determinate dal sequenziamento di nuova generazione (NGS) e dalla mappatura delle sequenze nel genoma. Per l'analisi epigenomica (in basso a destra), un test per la cromatina accessibile alla trasposasi (ATAC) è seguito da NGS e mappatura delle sequenze per visualizzare l'accessibilità della cromatina a livello del genoma. La trasposasi iperattiva Tn5 (Tn5) viene utilizzata per scindere in modo specifico i siti di cromatina aperta e inserire contemporaneamente adattatori di sequenziamento per NGS. Le regioni di maggiore accessibilità della cromatina sono mostrate come picchi ATAC. Per l'analisi proteomica mediante spettrometria di massa (in basso a sinistra), le proteine ​​vengono estratte, digerite in peptidi e ionizzate. Nello spettrometro di massa, gli ioni vengono accelerati, soggetti a un campo magnetico e il loro rapporto massa-carica viene misurato, consentendo l'identificazione e la quantificazione delle proteine.

Ad oggi, due GWAS più grandi hanno interrogato il background genetico di AKI (danno renale acuto). Il primo studio ha mostrato un'associazione di polimorfismi nucleari singoli (SNP) nel locus GRM7 LMCD1-AS1 e BBS9 con AKI correlato alla chirurgia dell'innesto di bypass coronarico (danno renale acuto) in una coorte di scoperta di 873 pazienti e una coorte di replicazione [15]. Il secondo ha combinato i pazienti di due coorti distinte per formare una popolazione scoperta di 1429 pazienti in condizioni critiche e ha identificato quattro AKI (danno renale acuto)-associati SNP in stretta prossimità del fattore di regolazione dell'interferone 2 (IRF2) o del fattore di trascrizione T-box 1 (TBX1)[16]. È interessante notare che IRF2 è stato collegato alla piroptosi e ha un ruolo regolatore nel sistema immunitario[17,18] e TBX1 fa parte della famiglia del gene T box, un gruppo di fattori di trascrizione con ruoli importanti nel destino cellulare e nella regolazione dello stato cellulare [19] ]. Tuttavia, l'associazione tra AKI (danno renale acuto) e questi loci non potevano essere riprodotti in una coorte prospettica di pazienti critici, che erano stati specificatamente genotipizzati per gli SNP identificati[20]. Ciò sottolinea la necessità di campioni ancora più grandi per il futuro AKI (danno renale acuto) GWAS e illustra la difficoltà nell'identificare robusti fattori di rischio genetici per malattie eterogenee come l'AKI (danno renale acuto).

Inoltre, le analisi quantitative dei loci dei tratti di espressione (eQTL) probabilmente aiuteranno la traduzione delle intuizioni acquisite da GWAS nei meccanismi della malattia. Le analisi OTL mirano a identificare i loci che spiegano una frazione della varianza dell'espressione genica nel tessuto e possono essere utilizzati per collegare gli SNP nel genoma non codificante all'espressione genica bersaglio. Ad esempio, un approccio integrativo che combina GWAS, eOTL e esperimenti funzionali ha portato all'identificazione di geni coinvolti nella patogenesi della CKD [21-23].

Figura 2:Schema di tecnologie omiche selezionate.

Trascrittomica

L'avvento di nuove tecnologie scalabili per studiare il trascrittoma delle cellule all'interno del rene danneggiato ha rivoluzionato la nostra comprensione delle risposte cellulari all'AKI (danno renale acuto), scoprendo nuovi stati cellulari ed evidenziando il paesaggio trascrizionale in cambiamento dinamico del rene riparatore. Sequenziamento dell'mRNA della massa renale nel corso di un anno dopo l'AKI (danno renale acuto) hanno dimostrato cambiamenti dell'espressione genica temporale specifici correlati a danno tubulare, proliferazione, riparazione, fibrosi e immunità [24]. Questo mouse AKI (danno renale acuto) i dati della biobanca hanno mostrato che i geni associati all'infiammazione erano ancora sovraregolati un anno dopo l'AKI (danno renale acuto), suggerendo un'infiammazione persistente come fattore determinante della progressione della malattia verso l'insufficienza renale cronica. Il sequenziamento di massa dell'mRNA delle biopsie di trapianto renale di routine ha consentito la profilazione dei cambiamenti trascrizionali a breve e lungo termine nei trapianti di rene umano innescati dal danno da ischemia/riperfusione (IRI) durante il trapianto [25]. Tutte le biopsie renali sono state eseguite nelle prime ore dopo la riperfusione hanno mostrato un profilo trascrizionale simile caratterizzato dall'attivazione di geni a risposta immediata e precoce, molti dei quali codificano per fattori regolatori trascrizionali.

A 3 e 12 mesi dopo il trapianto, tuttavia, è stato possibile delineare due traiettorie divergenti associate al recupero o alla progressione verso l'insufficienza renale cronica. La traiettoria simile a CKD ha mostrato una downregulation nell'espressione dei geni correlati alla biogenesi mitocondriale e una sovraregolazione dei geni associati all'infiammazione e alla fibrosi, come osservato nel modello murino di AKI (danno renale acuto) [24,25]. Sia gli studi sui topi che quelli sull'uomo suggeriscono un ruolo di primo piano per l'attività dei linfociti T e B e la comparsa di centri del tessuto linfoide terziario negli esiti a lungo termine dell'AKI (danno renale acuto) [25,26]. Analisi dell'AKI del topo (danno renale acuto) i set di dati di bio-banca e trapianto di rene umano sostengono un'attività delle cellule B auto-antigene, promuovendo la progressione della malattia attraverso una risposta immunitaria sostenuta, un anno dopo l'AKI (danno renale acuto) [27].

Sebbene il sequenziamento dell'mRNA di massa si sia dimostrato altamente informativo nell'AKI (danno renale acuto) studi, le risposte specifiche del tipo cellulare non sono differenziate da questa tecnica. Gli approcci genetici all'etichettatura di tipi cellulari distinti aggiungono maggiore precisione e ulteriori informazioni. Ad esempio, la purificazione dell'affinità ribosomiale di traduzione (TRAP) utilizza un tagging eGFP della subunità ribosomiale L10a per identificare il sottoinsieme di mRNA specifico nei singoli tipi di cellule in fase di traduzione attiva [28]. Il primo studio TRAP in AKI (danno renale acuto) la ricerca ha utilizzato un modello genetico dell'attivazione mediata dalla ricombinasi CRE della cassetta eGFP-L10a specificamente all'interno di tipi di cellule nefroniche, stromali, vascolari o immunitarie e ha mostrato cambiamenti trascrizionali distinti legati a ciascun compartimento cellulare dopo AKI (danno renale acuto) [29]. Molti geni correlati alla funzione tubulare renale sono stati sottoregolati 24 h dopo l'AKI (danno renale acuto). Al contrario, i geni coinvolti nell'attività della via anti-apoptotica, nella proliferazione cellulare e nel movimento cellulare erano notevolmente sovraregolati. L'analisi TRAP delle cellule del tubulo prossimale evidenziate dal marker di lesione Kim-1(codificato da Hazel) ha mostrato che la maggior parte delle cellule Kim-1-positive è stata riparata con successo due settimane dopo l'AKI (danno renale acuto), sebbene il 15 percento abbia mantenuto l'espressione di Kim-1 e del marker di lesione Sox9 [10], evidenziando uno stato cellulare persistentemente danneggiato [30]. L'analisi clonale ha rivelato che l'espansione dei cloni Kim-1 positivi ha ripopolato i tubuli prossimali danneggiati, supportando un modello di riparazione attraverso la dedifferenziazione delle cellule dei tubuli prossimali, piuttosto che attraverso una specifica popolazione di cellule staminali/progenitrici [30]. La trascrizione FoxMI è stata altamente sovraregolata nelle cellule del tubulo prossimale Kim-1-positivo e ha dimostrato di guidare la proliferazione del tubulo prossimale in zitro in modo dipendente dal recettore del fattore di crescita epidermico [30]. Gli approcci di sequenziamento dell'mRNA a cellula singola ad alto rendimento, che esaminano i profili di sequenziamento dell'mRNA a cellula intera (scRNA-seq) o i trascritti di mRNA localizzati nel nucleo (snRNA-seq), hanno notevolmente migliorato l'AKI (danno renale acuto) studi. Questi approcci forniscono una profonda comprensione molecolare dell'espressione genica a livello cellulare quando combinati con potenti approcci computazionali, identificando tipi cellulari variabili e stati cellulari in tutto l'organo [31,32]. scRNA-seq inizia da una sospensione di singole cellule o singoli nuclei, che sono etichettati con tag molecolari univoci e lisati (Figura 2). L'mRNA viene successivamente trascritto, amplificato e sequenziato inversamente. Uno studio snRNA-seq su reni soggetti a ostruzione ureterale unilaterale (UUO) ha identificato due nuovi cluster di cellule del tubulo prossimale 14 giorni dopo l'UUO, uno dei quali aveva una forte firma proliferativa, mentre l'altro esprimeva geni coinvolti nell'infiammazione e nei movimenti cellulari, come Ccl2, II34, Cxcll e Dock10 [33].

Una popolazione cellulare simile è evidente in uno studio snRNA-seq che profila il rene danneggiato dopo IRI [34]. Nelle prime ore dopo l'IRI, c'è una downregulation della normale espressione genica del tubulo prossimale e una marcata risposta trascrizionale che include geni precoci immediati e i noti marker di danno HuverI e Krt20 [24,25,34]. Entro il secondo giorno dopo l'IRI, una grande frazione di cellule del tubulo prossimale ha mostrato un profilo proliferativo o ha riguadagnato la firma trascrizionale t caratteristica per le cellule differenziate del tubulo prossimale. Tuttavia, una piccola popolazione di cellule proinfiammatorie e profibrotiche, caratterizzate dall'espressione di Vcaml nella maggior parte delle cellule e dalla coespressione di Cal2 in un sottoinsieme, ha previsto l'attività della famiglia di fattori di trascrizione NF-KB. Mentre le cellule dei tubuli prossimali proliferanti sono diminuite due settimane dopo l'AKI (danno renale acuto), le cellule del tubulo prossimale pro-infiammatorio e profibrotico sono aumentate, suggerendo un collegamento tra la riparazione tubulare fallita e la popolazione di cellule pro-infiammatorie e profibrotiche osservate (Figura 1). È interessante notare che l'analisi di deconvoluzione degli studi di sequenziamento dell'RNA di massa ha suggerito che una popolazione simile aumentava con l'invecchiamento del rene normalmente e dopo il trapianto.

In linea con il suddetto studio [34], un focus geneticamente selettivo sulle cellule dei tubuli prossimali lese quattro settimane dopo un AKI più lieve (danno renale acuto), utilizzando topi Krt20-T2A-CRE-ERT2 per etichettare e purificare le cellule del tubulo prossimale lese, ha mostrato un fenotipo cellulare danneggiato simile: una popolazione di cellule del tubulo prossimale VcamI/Cal2 più lesa che si distingueva ulteriormente per un forte proinfiammatorio( es. Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) e firma trascrizionale profibrotica (egPdgfb, ColAal), con marcata attivazione della segnalazione NF-KB, TNF e AP-1 [35]. Queste cellule del tubulo prossimale danneggiato condividevano le caratteristiche di un fenotipo secretorio associato alla senescenza (SASP) identificato in altri organi danneggiati (Figura 1)[35,36]. A differenza del precedente AKI (danno renale acuto) studi [12], in questa popolazione non è stato osservato alcun arresto significativo del ciclo cellulare G2/M. Ulteriori esperimenti di mappatura del destino di cellule cicliche hanno mostrato che la maggior parte delle cellule del tubulo prossimale VcamI più /Cal2 più, localizzate al confine corticomidollare, risalivano alle cellule del tubulo prossimale che proliferavano nei primi giorni dopo l'AKI (danno renale acuto). Tuttavia, le cellule del tubulo prossimale Vuamt più /Cu2 corticali probabilmente rappresentavano siti secondari di lesione, non correlati alla riparazione del tubulo prossimale associata alla replicazione precoce.

atlante completo della risposta alla lesione a una riperfusione ischemica unilaterale (UIR) che esegue scRNA-seq in più punti temporali dal primo al giorno 14 dopo che l'UIR ha rivelato un'elevata espressione nelle cellule danneggiate di Sox4 e Cd24a, geni identificati per ruoli nello sviluppo renale [37]. È stata anche segnalata una nuova popolazione cellulare, "cellule di identità miste", che mostrava la coespressione del tubulo prossimale (Sl34a7), dell'arto ascendente spesso (Umod) o dei marcatori del condotto di raccolta (Agp2). I dati scRNA-seq dalla nefropatia dell'acido folico del topo e dai modelli UUO hanno mostrato che la ridotta espressione di marcatori di differenziazione come i portatori di soluti nelle cellule dei tubuli prossimali danneggiate è associata alla downregulation dei geni coinvolti nei processi metabolici, come l'ossidazione degli acidi grassi [38]. Il recettore nucleare Esrra è stato identificato come un importante collegamento tra la differenziazione e il metabolismo del tubulo prossimale perché regolava direttamente l'espressione dei geni metabolici e specifici del tubulo prossimale. Questo e altri studi scRNA-seq hanno anche evidenziato una diversità precedentemente non apprezzata di cellule immunitarie nel rene malato [38,39].

Un importante limite di tutte le tecniche di trascrittomica discusse è l'assenza di informazioni spaziali. Nuove piattaforme di trascrittomica ora consentono di visualizzare l'espressione spaziale dell'mRNA ricotturando e fissando sezioni di tessuto direttamente su sonde con codice a barre univoco, imaging della sezione di tessuto ed eseguendo la trascrizione inversa in situ seguita da rilascio e sequenziamento della sonda [40]. I trascrittomi sequenziati possono essere successivamente mappati nuovamente sulla sezione di tessuto dell'immagine. Questa tecnologia di trascrittomica spaziale ha consentito la localizzazione specifica dei due tipi cellulari trascrizionalmente distinti del segmento tubulo prossimale S3 [41] nella corteccia e nella striscia esterna del midollo esterno [42]. In diversi AKI murini (danno renale acuto) modelli, la deconvoluzione di singole macchie trascrittomiche spaziali utilizzando dati scRNA-seq ha rivelato AKI (danno renale acuto) modelli specifici del modello di infiltrazione delle cellule immunitarie e ha consentito l'identificazione di una distinta popolazione di cellule del tubulo prossimale che esprime Af3-, colocalizzandosi con i neutrofili dopo IRI [43]. Questi studi illustrano il potenziale per l'omica spazio-temporale di predire i controlli microambientali sulle risposte cellulari dopo AKI (danno renale acuto).

Epigenomica

I programmi specifici del tipo cellulare di espressione genica differenziale dipendono dalla modifica epigenetica della cromatina (ad esempio, metilazione dell'istone e acetilazione) e del DNA (ad esempio, mediante metilazione della citosina ai residui di CpG) in risposta ai regolatori trascrizionali che legano il DNA e ai fattori associati. Un numero crescente di prove suggerisce un importante ruolo regolatorio per i meccanismi epigenetici nell'AKI (danno renale acuto) e riparazione renale [44-46]. Alla luce di eccellenti revisioni approfondite[44-47], si evidenziano solo brevemente recenti studi di epigenomica selezionati sull'AKI (danno renale acuto) ricerca.

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 per cento dopo UUO. È interessante notare che sono state riportate modifiche complementari in diversi segni sullo stesso amminoacido, suggerendo una risposta coordinata all'AKI (danno renale acuto) [48].

I promotori evidenziati con H3K4me3-sono stati confrontati con i potenziatori contrassegnati da H3K27ac dopo l'AKI (danno renale acuto) utilizzando l'immunoprecipitazione della cromatina e il sequenziamento di nuova generazione (ChIP-seq)[49]. I siti potenziatori attivi hanno mostrato un cambiamento più dinamico in risposta all'AKI (danno renale acuto). Le modificazioni della cromatina nei siti potenziatori attivi erano associate a un legame alterato di fattori di trascrizione come Hnf4a, Gr e Stat3. Hnf4a è un fattore di trascrizione chiave nella specifica e differenziazione delle cellule dei tubuli prossimali [50]. Hnf4a si lega agli elementi potenziatori attivi nella norma le cellule del tubulo prossimale sono diminuite in risposta all'AKI (danno renale acuto) [49]. Questo probabilmente contribuisce all'AKI (danno renale acuto)-indotta dedifferenziazione delle cellule del tubulo prossimale danneggiate. Stat3 è un regolatore trascrizionale chiave in una rete infiammatoria con NF-KB e fattori regolatori della proteina attivatrice-1(AP-1)[51].L'attivazione del percorso AP-1 è altamente conservata come inizio risposta all'AKI del mouse (danno renale acuto) e IRI associato al trapianto di rene umano [24,25]. Impegno Stat3 nel locus Junb in risposta all'AKI (danno renale acuto) suggerisce un ruolo per l'inattivazione Stat3 dei componenti trascrizionali AP-1[49]. Inoltre, l'inibizione del bromodominio e dell'attivazione del potenziatore extra-terminale (BET)-dipendente ha compromesso il recupero dopo AKI (danno renale acuto), evidenziando l'importante ruolo delle dinamiche di potenziamento nell'AKI (danno renale acuto)riparazione[49].

ATAC-seq è diventata la metodologia più utilizzata per valutare l'apertura della cromatina e l'attività di inferenza delle regioni genomiche regolatorie e trascritte. Rapidamente, la tecnologia ATAC-seq è passata dai saggi sui tessuti sfusi sensibili con solo 500 cellule, all'analisi del singolo nucleo e, più recentemente, all'analisi parallela dello stato della cromatina e dell'espressione genica nella stessa cellula [41,52-54]. ATAC-seq utilizza la trasposasi Tn5 iperattiva per tagliare la cromatina aperta e taggare il DNA tagliato con adattatori di DNA per facilitare la costruzione della libreria e il sequenziamento del DNA (Figura 2). Dati solo due siti target in ciascun genoma, i dati ATAC sono scarsi e gli studi snATAC utilizzano approcci computazionali per raggruppare cellule con profili snATAC simili e per integrarsi con set di dati sc o snRNA-seq generati in modo indipendente. Uno studio recente ha profilato l'eterogeneità cellulare in campioni di rene umano adulto sano con set di dati snATAC-seq e snRNA-seq integrati computazionalmente [55]. È interessante notare che lo studio ha identificato una sottopopolazione di cellule del tubulo prossimale che esprimono VCAM1-, che mostravano una ridotta attività di HNF4A e una maggiore attività dei membri della famiglia NF-KB, somiglianti in parte a cellule del tubulo prossimale proinfiammatorio e profibrotico, identificate nel rene del topo diversi settimane dopo l'AKI (danno renale acuto) [34,35,55]. L'abbondanza di questa popolazione cellulare è aumentata nel tempo nei topi anziani ed era maggiore nei reni diabetici umani rispetto ai controlli sani. Pertanto, alcune risposte cellulari sembrano essere conservate tra diverse malattie renali e tra specie. Tuttavia, in che misura questa popolazione cellulare contribuisce alla perdita della funzione renale correlata all'età emalattie renalila progressione richiede ulteriori indagini.

Il rilevamento del tipo cellulare e le previsioni regolatorie sono migliorati coanalizzando snRNA-seq e snATAC-seq nello stesso nucleo[41]. Questa tecnica è stata recentemente utilizzata per caratterizzare il tessuto renale umano sano e l'AKI (danno renale acuto) e biopsie di CKD che rivelano una nuova diversità cellulare nel rene normale ed evidenziano stati di lesione comparabili nel topo e nell'AKI umano (danno renale acuto), così come stati alterati delle cellule degli arti ascendenti spessi caratterizzati dall'espressione di Proml e Dcd2[56]. Inoltre, la trascrittomica spaziale ha localizzato miofibroblasti e cellule immunitarie nei campioni di CKD in siti di lesione del tubulo prossimale [56].

Cistanche ripristinano la funzionalità renale compromessa

Proteomica e metabolomica

Lo studio delle proteine ​​e dei metaboliti nel plasma, nelle urine e nel tessuto renale mediante elettroforesi su gel e spettrometria di massa completa gli strumenti trascrittomici ed epigenomici. La spettrometria di massa può identificare e quantificare macromolecole (es. proteine) e metaboliti cellulari all'interno di un tessuto complesso, misurando proprietà di carica di massa molecolarmente distinte delle molecole quando ionizzate e sottoposte a un campo magnetico o elettrico (Figura 2)[57]. Molti studi di proteomica sono stati diretti all'identificazione di biomarcatori per AKI (danno renale acuto)(completamente recensito altrove[57-59]). Ad esempio, è stato dimostrato che i livelli di metalloproteinasi-2(TIMP2) e di proteina legante l'IGF-7(IGFBP7) dell'inibitore del tessuto urinario sono predittivi di morte e insufficienza renale in pazienti critici con AKI (danno renale acuto) [60]. Trattamento di pazienti copositivi TIMP2 e IGFBP7 con misure di terapia di supporto secondo le linee guida Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) per pazienti ad alto rischio di AKI(danno renale acuto) AKI ridotto (danno renale acuto) sviluppo nelle prime 72 ore dopo la cardiochirurgia, ma non ha influenzato la mortalità e la necessità di terapia sostitutiva renale [61]. Questi risultati e i risultati di altri studi sui biomarcatori sono incoraggianti; tuttavia, il biomarcatore ideale o più probabilmente il pannello di biomarcatori per AKI (danno renale acuto)valutazione del rischio, AKI mirato (danno renale acuto)la prevenzione, la diagnosi predittiva e forse anche la guida terapeutica nella pratica clinica di routine devono ancora essere identificate.

Oltre alla spinta per un AKI efficace (danno renale acuto) biomarcatori, la proteomica può essere utilizzata anche per interrogare l'AKI (danno renale acuto) fisiopatologia [62]. Uno studio preclinico di AKI indotto da cisplatino (danno renale acuto)ha rivelato una debole correlazione tra trascrittoma e proteoma nel rene danneggiato [63]. Lo studio ha suggerito che la discrepanza tra i due approcci fosse determinata da cambiamenti proteici nel compartimento extracellulare, ad esempio nel sistema del complemento [63]. È interessante notare che l'entità della dissociazione tra l'RNA e l'espressione proteica era fortemente correlata alla gravità della lesione, come indicato dalla creatinina sierica e dai livelli di azoto ureico nel sangue [63]. Ciò evidenzia la rilevanza dei cambiamenti post-trascrizionali nell'AKI (danno renale acuto)risposta.

Recentemente, il profilo proteomico quasi unicellulare, che consente misurazioni proteomiche quantitative da un minimo di 10 a 100 cellule renali microdissezionate con cattura laser, è stato utilizzato per identificare proteine ​​specifiche del compartimento glomerulare e tubulare prossimale nel rene sano [64] . Alcune delle proteine ​​specifiche del compartimento più arricchite si correlavano bene con l'espressione del gene corrispondente nel podocita e nel cluster del tubulo prossimale di un set di dati scRNA-seq, rispettivamente. Inoltre, più di 40 marcatori proteici possono essere rilevati simultaneamente su una singola sezione di tessuto mediante imaging di citometria di massa (IMC), consentendo così lo studio del proteoma nel contesto spaziale [65]. L'IMC del rene umano sano ha rivelato un'eterogeneità cellulare inaspettata e ha identificato un raro tipo cellulare positivo per megalina/acquaporina-1/vimentina (Lrp2/Aqp1/Vim) che riflette potenzialmente un tubulo prossimale danneggiato (Vim plus )(Lrp2 plus /Aqp1 più )stato della cella [65]. L'applicazione di queste tecnologie all'AKI (danno renale acuto) la ricerca fornirà informazioni critiche sul panorama proteomico delle lesioni e delle riparazioni.

Lo studio del metaboloma renale (molecole più piccole di 1500 Da [62]) ha ulteriormente migliorato la comprensione dell'AKI (danno renale acuto) fisiopatologia.

Metabolomico

la profilazione del tessuto renale danneggiato mediante cromatografia liquida-spettrometria di massa ha portato alla scoperta che la sintesi di de neo nicotinamide adenina dinucleotide (NAD plus) è compromessa nell'AKI (danno renale acuto) [66]. Downregulation del regolatore della biogenesi mitocondriale PGCla in AKI (danno renale acuto) ha provocato una deplezione di NAD locale più, mentre la sovraespressione di PGC1 ha aumentato i livelli di NAD più renale e ha ridotto l'AKI (danno renale acuto) [66]. Gli screening imparziali delle urine hanno anche dimostrato un aumento dei livelli di NAD più precursore chinolina nelle urine dei topi dopo IRI [67] risultante da una riduzione della chinolina fosforibosiltransferasi renale (QPRT), un enzima chiave nella sintesi de novo NAD più [67]. Livelli ridotti di QPRT renale erano associati a un AKI più elevato(danno renale acuto) suscettibilità [67]. Il trattamento orale con nicotinamide ha salvato l'AKI (danno renale acuto)-indotta renale NAD più deficit biosintetico nei topi, e un piccolo studio clinico di fase 1 ha suggerito un potenziale beneficio renale del trattamento con nicotinamide nei pazienti sottoposti a chirurgia cardiaca [67]. Uno studio metabolomico di biopsie di trapianto di rene umano, prima e dopo la riperfusione, ha mostrato un profilo metabolico nettamente diverso dei trapianti con futura funzione dell'innesto ritardata rispetto ai trapianti senza funzione dell'innesto ritardata [68]. I trapianti con una futura funzione dell'innesto ritardata erano caratterizzati da un catabolismo persistente di ATP/GTP, suggerendo il ripristino precoce dell'omeostasi energetica come obiettivo terapeutico nell'AKI.danno renale acuto) prevenzione [68]. La spettrometria di massa (MSI) è una potente tecnica utilizzata per visualizzare la distribuzione spaziale di metaboliti, proteine ​​o lipidi, con risoluzione cellulare e subcellulare [69]. L'analisi MSI dei reni feriti ha mostrato che l'e utilizzato ch coll .x7rr per differenziare tra ischemia lieve e grave già 2 ore dopo la lesione [70,71].

Conclusioni e prospettiva

Le tecnologie omiche disponibili hanno spinto la nostra comprensione dell'AKI (danno renale acuto) e riparare. L'integrazione o l'acquisizione simultanea di diversi set di dati omici migliorerà ulteriormente le informazioni sull'AKI (danno renale acuto), e i risultati corroboranti degli approcci ortogonali daranno ulteriore sicurezza ai meccanismi identificati. Nuove intuizioni, strumenti e risorse informative stanno accumulando con l'investimento del NIDDK in diversi grandi consorzi tra cui il Kidney Precision Medicine Project e il Rebuilding a Kidney Program. La grande sfida di questa era di "big data" è dedurre meccanismi biologicamente rilevanti da set di dati altamente complessi per democratizzare l'accesso a questi dati attraverso piattaforme di visualizzazione e analisi dei dati di facile utilizzo e, in definitiva, tradurre le nostre crescenti intuizioni fisiopatologiche in diagnostiche e strategie terapeutiche che migliorano la cura del paziente e AKI (danno renale acuto) risultati.

Dichiarazione di interesse concorrente

Gli autori dichiarano i seguenti interessi finanziari/relazioni personali che possono essere considerati potenziali interessi in competizione: AP è un consulente scientifico sugli approcci relativi ai reni alle malattie umane per Novartis, eGenesis, Aviva e Trestle Biotherapeutics.

Ringraziamenti

Ci scusiamo con tutti i ricercatori il cui lavoro non può essere discusso a causa di limiti di spazio. Si ringrazia il Dott. Pietro E.Cippà per la lettura critica del manoscritto. LMS Gerhardt è stato sostenuto dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG), in Germania, con una borsa di studio post-dottorato (GE 3179/1-1). Il lavoro nel laboratorio di AP McMahon è supportato da sovvenzioni del NIDDK, Stati Uniti (DK126024,54364,126925) e della ChanZuckerberg Initiative, Stati Uniti(CZIF2019-002430).

Riferimenti

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