Časť 1 Fenotypová diverzita a metabolická špecializácia endotelových buniek obličiek

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail: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. Rabelink⁵a Peter Carmeliet^1,4

Cistanche tubulosa zabraňuje ochoreniu obličiek, kliknite sem a získajte vzorku

Abstrakt |

Komplexný mnohobunkový život u cicavcov sa spolieha na funkčnú spoluprácu rôznych orgánov na prežitie celého organizmu. Theobličkyzohrávajú rozhodujúcu úlohu v tomto procese prostredníctvom udržiavania homeostázy objemu tekutín a zloženia, čo umožňuje iným orgánom plniť svoje úlohy. Renálny endotel vykazuje fenotypové a molekulárne znaky, ktoré ho odlišujú od endotelu iných orgánov. Okrem toho vaskulatúra obličiek dospelých obsahuje rôzne populácie prevažne pokojových, ale nie metabolicky neaktívnych endotelových buniek (EC), ktoré sa nachádzajú vobličkyglomeruly, kôra a dreň. Každá z týchto populácií podporuje špecifické funkcie, napríklad pri filtrácii krvnej plazmy, reabsorpcii a vylučovaní vody a rozpustených látok a koncentrácii moču. Transkripčné profilovanie týchto rôznych populácií EC naznačuje, že sa prispôsobili miestnym podmienkam mikroprostredia (hypoxia, šmykový stres, hyperosmolarita), čo im umožňuje podporovať funkcie obličiek. Vystavenie EC angiogénnym faktorom odvodeným od mikroprostredia ovplyvňuje ich metabolizmus a udržiava saobličkyvývoj a homeostáza, zatiaľ čo endokrinné faktory odvodené od EC zachovávajú odlišné výklenky v mikroprostredí. V kontexte ochorenia obličiek vykazujú renálne EC zmeny vo svojom metabolizme a fenotype v reakcii na patologické zmeny v lokálnom mikroprostredí, čo ďalej podporuje dysfunkciu obličiek. Pochopenie rozmanitosti a špecializácie obličkových EC by mohlo poskytnúť nové spôsoby liečby ochorení obličiek aobličkyregenerácia.

Cievny systém cicavcov pozostáva z dvoch prepojených a vysoko rozvetvených sietí, ktoré prechádzajú celým telom - každá so špecifickými úlohami. Krvný vaskulárny systém dodáva kyslík a živiny do parenchýmových tkanív a uľahčuje odstraňovanie odpadu, imunitný dohľad a obchodovanie s imunitnými bunkami, koaguláciu a produkciu endokrinných signálov na udržanie a regeneráciu tkaniva1. Naproti tomu lymfatický vaskulárny systém odvádza extravazovanú intersticiálnu tekutinu z priepustných krvných kapilár späť do žíl a uľahčuje transport imunitných buniek a transport lipidov.². Všetky krvné cievy sú lemované krvnými endotelovými bunkami (BEC, ďalej označované ako EC), zatiaľ čo lymfatické endotelové bunky (LEC) tvoria najvnútornejšiu vrstvu lymfatických ciev – pričom každá populácia podporuje svoje vaskulatúrne špecifické úlohy. Heterogenita endotelu však ďaleko presahuje široké rozdiely medzi krvným a lymfatickým endotelom. Najmä EC z rôznych orgánov vykazujú jedinečné molekulárne profily, ktoré podporujú špecifické funkcie orgánu^3–6. Theobličkyvýhodz vysoko špecializovanej vaskulatúry, ktorá je tesne spojená s obličkovým epiteliálnym systémom⁷. Konkrétne, fenotypicky odlišné populácie renálnych endotelových buniek (REC) koexistujú v troch anatomických a funkčných kompartmentochobličkyglomeruly, kôra a dreň – kde podporujú špecifické funkcie obličiek8,9. Dôležité je, že technologický pokrok umožnil štúdium heterogenity REC na úrovni jednotlivých buniek, čo poskytuje nový pohľad na ich špecializované úlohy v zdraví a chorobách obličiek.^6,10,11.

Theobličkyje rozhodujúci pre udržanie homeostázy organizmu, reguláciu objemu a zloženia telesných tekutín⁷. Obličky dostávajú 20–25 percent srdcového výdaja a vykazujú stereotypnú architektúru krvných ciev. Táto architektúra umožňuje nielen dodávanie kyslíka a živín doobličky, ale tiež umožňuje účasť na filtrácii krvnej plazmy, reabsorpcii iónov a metabolitov z filtrátu, sekrécii iónov a metabolitov v primárnom moči a koncentrácii moču^7,8. Tieto vysoko organizované procesy umožňujú jemné doladenie objemu extracelulárnej tekutiny, krvného tlaku, osmolality a koncentrácie iónov^7,8. Obličky tiež regulujú hladiny cirkulujúcich metabolitov, a to nielen vylučovaním metabolického odpadu, ale aj uvoľňovaním glukózy (prostredníctvom glukoneogenézy) a aminokyselín, napr.¹². Orgány cicavcov si neustále vymieňajú metabolity prostredníctvom obehu, pričom ich selektívne využívajú na podporu vlastných metabolických aktivít¹².

V súlade s tým metabolické funkcie EC v rôznych orgánoch pravdepodobne preukazujú orgánovo špecifické rozdiely, čo podporujú zistenia z analýz metabolických transkriptómov EC v rôznych orgánoch.⁶. Okrem toho, metabolická plasticita EC im umožňuje prispôsobiť sa a reagovať na zmeny prostredia s ohľadom na ich metabolické potreby a funkcie3,13. Nové dôkazy naznačujú, že špecializované REC zobličkyprispôsobiť svoj metabolický transkriptóm na podporu funkcie obličiek¹⁰.

REC dysfunkcia sprevádza akútnu alebo progresívnu stratuobličkyfunkciu^14,15. Táto dysfunkcia je spojená so zvýšením arteriálnej vazokonstrikcie a znížením prietoku krvi obličkami, získaním prozápalových a protrombotických fenotypov, ktoré podporujú adhéziu a infiltráciu imunitných buniek a tvorbou mikrotrombov, disociáciou nástenných pericytov od endotelu vrstva, rozpad endotelovej bariéry, čo vedie k intersticiálnemu edému, riedenie peritubulárnych kapilár (čím sa podporuje hypoxia obličiek) a prechod z endotelu na mezenchým, ktorý prispieva k fibróze obličiek16,17, čo naznačuje, že endotel by mohol byť zameraný na ochranu pred obličkami poranenia a/alebo na regeneráciu funkcie obličiek.

Táto recenzia sumarizuje naše súčasné chápanieobličkyvaskulatúry so zameraním na nedávny pokrok v našom chápaní fenotypovej, molekulárnej a metabolickej heterogenity REC vo vzťahu k ich mikroprostrediu. Diskutujeme tiež o potenciálnej aplikácii zacielenia metabolizmu REC ako terapeutickej stratégie vobličkychorobyalebo na regeneráciu obličiek.

Kľúčové body

• Endotel sa medzi rôznymi orgánmi líši, pravdepodobne preto, aby podporoval odlišné funkcie orgánov.

• V obličkových glomerulách, kôre a dreni koexistuje viacero špecializovaných fenotypov endotelových buniek; tieto funkcie podporujú glomerulárnu filtráciu, reabsorpciu a sekréciu iónov a metabolitov a koncentráciu moču.

• Rôzne miestne mikroprostredia vobličkyformovať molekulárnu a metabolickú heterogenitu endotelu obličiek; naopak, endokrinné faktory odvodené z endotelových buniek udržiavajú výklenky rôznychobličkymikroprostredí.

• Metabolizmus renálnych endotelových buniek môže byť zmenený v kontexteobličkyzranenia a choroby, čiastočne v dôsledku zmien v mikroprostredí.

• Väčšie pochopenie fenotypovej diverzity a metabolickej špecializácie endotelových buniek obličiek môže pomôcť pri identifikácii nových cieľov preliečbaobličkychorobyaobličkyregenerácia.

Heterogenita endotelu obličiek

Renálna vaskulárna anatómia

Theobličkyje zásobovaný krvou cez renálnu tepnu, ktorá po vstupe doobličkycez renálny hilum sa rozvetvuje do segmentálnych, interlobárnych, oblúkových a interlobulárnych artérií (obr. 1a) a nakoniec na aferentné arterioly, čo sú vysokorezistentné cievy zodpovedné za kontrolu prietoku krvi glomerulom a rýchlosť glomerulárnej filtrácie (GFR) 18. Z aferentných arteriol krv vstupuje do glomerulárneho chumáča - siete vysoko fenestrovaných glomerulárnych kapilár, kde dochádza k ultrafiltrácii krvnej plazmy rýchlosťou ~ 120 – 140 ml/min u dospelých ľudí, čo umožňuje rozpusteným látkam s nízkou molekulovou hmotnosťou prechádzať z glomerulu. kapilár do Bowmanovho priestoru¹⁹. Po prefiltrovaní časti plazmy krv opúšťa glomerulárny chumáč cez eferentné arterioly, aby vaskularizovala distálne a proximálne stočené tubuly, čím sa vytvorí kortikálna peritubulárna kapilárna sieť. Krv v peritubulárnych kapilárach je obohatená o rozpustené látky s vysokou molekulovou hmotnosťou a má nízky obsah tekutiny v dôsledku straty tekutiny počas glomerulárnej ultrafiltrácie. Peritubulárne kapiláry sú teda určené na reabsorpciu vody, iónov a základných živín z proximálneho^7,20a distálnych tubuloch²¹. Niekoľko iónov, ako je H plus (ref. 22) a K plus (ref. 23), ako aj molekuly, ako je kreatinín²⁴a metabolity liečiv²⁵— ktoré neboli úplne filtrované glomerulárnymi kapilárami, ale stále je potrebné ich z tela vylúčiť — presunúť sa z peritubulárnych kapilár do epiteliálnych buniek proximálnych20 alebo distálnych tubulov, ktoré majú byť vylučované a eliminované močom21. Eferentné arterioly z juxtamedulárnych nefrónov vedú k zostupnej vasa recta (DVR), ktorá sa prostredníctvom kapilárnych plexusov prepája s ascendentnou vasa recta (AVR). AVR a DVR bežia protiprúdovo k Henleovej slučke a podieľajú sa na medulárnej protiprúdovej výmene, ktorá, ako je opísané neskôr, je potrebná na udržanie gradientu osmolarity pre koncentráciu moču26. Nakoniec sa kortikálny a medulárny kapilárny systém spolu s AVR zlúčia do venózneho systému v kortikomedulárnom spojení. Presnejšie povedané, renálna venózna vaskulatúra odvádza krv z peritubulárnych kapilár a AVR do interlobulárnych a oblúkových žíl a potom do interlobárnych žíl, čím sa nakoniec vytvorí renálna žila, ktorá vystupuje zobličkyhilum a nakoniec sa vetví do dolnej dutej žily⁷.

Theobličkyje zásobovaná aj lymfatickými cievami, ktoré sledujú celkovú topografiuobličkykrvná vaskulatúra²⁷(obr. 1a). Sú prítomné hlavne v kôre obličiek, kde ich primárnou úlohou je odstraňovať tekutiny a makromolekuly (ako je albumín) z intersticiálneho priestoru medzi tubulmi a kapilárami.²⁸. Majú tiež úlohu pri infiltrácii imunitných buniek a následnom zápale²⁹. V glomerulách obklopujú Bowmanovu kapsulu bez toho, aby prenikli do glomerulárneho chumáča²⁸. Naproti tomu tradičné lymfatické cievy sú v dreni obličiek prítomné len zriedka; v tejto oblasti sa intersticiálna tekutina a makromolekuly odstraňujú pomocou AVR, čo predstavuje typ hybridnej krvnej cievy s lymfatickými vlastnosťami^28,30.

Fenotypy endotelových buniek obličiek

EC z rôznych orgánov sú fenotypovo heterogénne^3–6,31. Jedinečné vlastnosti REC, a najmä glomerulárnych EC, sú už dlho oceňované. Globálne transkripčné profilovanie EC z myší potvrdilo existenciu orgánovo špecifických transkriptómových podpisov^3,4,6. Treba poznamenať, že tieto štúdie preukázali, že REC sa najviac nepodobajú EK od iných orgánov vrátane mozgu, srdca, pľúc, svalov a semenníkov.⁴(obr. 1b) prostredníctvom ich expresie génov spojených s interferónovou signalizáciou, ako aj génov, ktoré kódujú endokrinné faktory FGF1 a IL-33 (odkazy^4,6). Orgánovo špecifická heterogenita EC je pravdepodobne základom ich molekulárnej adaptácie na splnenie špecifických funkčných úloh^3–6,31.

Heterogenita REC však presahuje organotypovú úroveň s pozoruhodnou rozmanitosťouobličkyvaskulatúra, ako sa spočiatku preukázalo elektrónovou mikroskopiou a štúdiami mikročipov a následne jednobunkovými analýzami^6,32,33. Theobličkykôra, glomeruly a dreň obsahujú jedinečné populácie EC (cREC, gREC a mREC). Táto rozmanitosť v populáciách ES môže vyplývať z vystavenia rôznym mikroprostrediam týchto regiónov. Napríklad glomerulárny endotel je vystavený vysokému vaskulárnemu tlaku a tesne interaguje s podocytmi na reguláciu ultrafiltrácie, zatiaľ čo mREC sú vystavené vysokej osmolarite a hypoxii, ktoré súvisia s udržiavaním gradientu osmolarity a koncentrácie moču.^6,9,10,32(obr. 1c). Okrem interkompartmentálnej heterogenity vykazujú REC aj vnútrokompartmentovú heterogenitu, ktorá je pravdepodobne určená množstvom genetických a environmentálnych faktorov vrátane typu cievneho riečiska (arteriálne, kapilárne, venózne), ich interakcií s inými typmi buniek (napr. bunky hladkého svalstva, pericyty, granulárne bunky, podocyty a tubulárne epitelové bunky) a ich vystavenie rôznym mikroprostrediam v rámci toho istého kompartmentu, ako je vystavenie rôznym typom toku alebo rôznym úrovniam osmolarity34 (obr. 1c). Vývoj v technológiách jednobunkovej transkriptomiky umožnil mapovanie heterogenity myších REC vo veľmi vysokom rozlíšení^6,10,11, čo odhalilo až 24 transkripčne odlišných populácií REC^6,10,11. Je potrebné poznamenať, že zistenia z jednobunkových štúdií RNA-seq zhrnuté nižšie je potrebné potvrdiť na úrovni proteínov, a to tak na komplexné overenie priestorovej lokalizácie predpovedaných proteínov a tiež na integráciu poznatkov o posttranslačných zmenách a/alebo signálne mechanizmy, ktoré môžu ovplyvňovať aktivitu proteínov. Za zmienku stojí aj skutočnosť, že relatívne obohatenie génu v rámci konkrétnej populácie REC, ako je určené jednobunkovým sekvenovaním, nevyhnutne neznamená, že expresia tohto génu je obmedzená na túto špecifickú bunkovú populáciu.

Heterogenita glomerulárnych renálnych endotelových buniek.Theobličkyglomerulus je vysoko špecializovaná štruktúra, ktorá je zodpovedná za filtráciu krvnej plazmy, aby sa vytvoril primárny filtrát moču, pričom zaisťuje, že základné plazmatické proteíny sú zadržané v krvi. Skladá sa z glomerulárnych kapilár, ktoré ležia medzi aferentnými a eferentnými arteriolami, čo sú odporové cievy, ktoré riadia kapilárny prietok krvi aj tlak. Arterioly nefrónu sú v čiastočnom kontakte s juxtaglomerulárnym aparátom (JGA) – špecializovanou štruktúrou, ktorá obsahuje macula densa distálneho stočeného tubulu, granulárne bunky produkujúce renín, ktoré sú spojené s aferentnou arteriolou a extraglomerulárnymi mezangiálnymi bunkami (obr. 2a). JGA reguluje GFR jedného nefrónu a krvný tlak prostredníctvom tubuloglomerulárnej spätnej väzby, myogénnej odpovede a uvoľňovania renínu^19,35–37.

Endotel glomerulárnych kapilár je zložený z unikátnych EC s nediafragmovanými fenestráciami, ktoré umožňujú filtráciu veľkých objemov tekutiny38 (obr. 2b).

Fenestrácie majú veľkosť 50 – 100 nm a zaberajú približne 20 percent plochy povrchu bunky a na zobrazovaní elektrónovým mikroskopom sa javia ako transcelulárne diery.³⁸. Priemer týchto fenestrácií je teoreticky dostatočne veľký na to, aby umožnil priechod tekutiny a veľkých bielkovín do tubulov. Avšak kapilárne gREC tiež produkujú hrubú vrstvu glykokalyxu, ktorá obsahuje negatívne nabité glykoproteíny a polysacharidy, ktoré pôsobia ako bariéra pri prechode proteínov.^39,40. Okrem toho sú zložky plazmy adsorbované v glykokalyxe a tvoria širší povlak nazývaný endoteliálna povrchová vrstva41, ktorý svojou vláknitou štruktúrou ďalej zvyšuje permselektivitu glomerulárnej endoteliálnej bariéry.⁴². Pri poškodení glykokalyx sa skutočne pozoruje albuminúria a proteinúria^39,43,44. Spolu s podocytmi kapilárne gREC tiež syntetizujú a zdieľajú spoločnú extracelulárnu matricu známu ako glomerulárna bazálna membrána (GBM), ktorá obsahuje hlavne kolagén typu IV, laminín a sulfátované proteoglykány42. Mutácie ovplyvňujúce syntézu ktorejkoľvek zo zložiek GBM vedú k proteinúrii45,46. Kapilárne gREC, podocyty a GBM teda tvoria účinnú glomerulárnu filtračnú bariéru. Je potrebné poznamenať, že glomerulárnemu kapilárnemu endotelu chýba membrána, a preto neexprimuje typ II transmembránový glykoproteín plazmalema asociovaný proteín 1 (PV1), ktorý je kódovaný Plvap10 a je typickým markerom fenestrovaných EC spojených s premosťujúcimi diafragmami endotelu. fenestrae a caveolae⁴⁷

Vývoj a udržiavanie kapilárnych gREC fenestrácií vyžaduje vaskulárny endoteliálny rastový faktor odvodený od podocytov (VEGF), ktorý pôsobí parakrinným spôsobom prostredníctvom endotelového VEGF receptora 2 (VEGFR2, tiež známy ako KDR).⁴⁸. Nadmerná expresia VEGF spôsobuje glomerulárny kolaps, rýchlu stratu kapilárnych gREC a masívnu proteinúriu⁴⁹. Preto je potrebná prísna regulácia podocytového VEGF na vytvorenie glomerulárnej vaskulatúry počas embryonálneho vývoja a na udržanie fenestrácií v zrelých glomerulárnych kapilárach^38,42. Podobne VEGF odvodený z tubulárnych epitelových buniek umožňuje udržiavanie siete peritubulárnych kapilár⁵⁰

Na rozdiel od iných kapilárnych EC sú gREC vystavené vysokému krvnému tlaku a vysokému prietoku krvi, čo poháňa proces glomerulárnej filtrácie a vystavuje gREC značnému šmykovému namáhaniu.⁵¹. V súlade s tým gREC exprimujú vysoké hladiny transkriptu Pi16 regulovaného šmykovým stresom (ref^6,10,11,52) (obr. 2c; doplnková tabuľka 1). Kapilárne gREC tiež exprimujú množstvo ďalších markerov^10,11,32,53vrátane Ehd3, ktorý kóduje člena rodiny proteínov EHD^{10,11,38,54,55}ktorý reguluje endocytickú recykláciu a predpokladá sa, že reguluje recykláciu VEGFR2 v kapilárnych gREC (obr. 2c), spolu s EHD4 (ref. 54). EHD3 teda môže prispieť k udržaniu glomerulárnych kapilárnych fenestrácií. Kapilárne gREC tiež vykazujú obohatenú expresiu génov spojených so signálnou dráhou TGF – BMP (Eng, Smad6, Smad7, Xiao a Hipk2 (refs10, 56–58)), ktorá sa podieľa na tvorbe glomerulárnych kapilár. Nadmerná expresia TGF indukuje proteinúriu a glomerulosklerózu⁵⁹, a teda prítomnosť inhibičných SMAD, ako sú tie, ktoré sú kódované Smad6 a Smad7 v gREC, môže zabrániť nadmernej signalizácii TGF a glomerulárnej dysfunkcii. Naproti tomu BMP odvodená z podocytov je rozhodujúca pre normálnu tvorbu glomerulárnych kapilár60. Kapilárne gREC tiež špecificky exprimujú Nostrin³², ktorého proteínový produkt viaže endoteliálnu syntázu oxidu dusnatého (eNOS), aby spustil jej translokáciu z plazmatickej membrány do vezikulárnych subcelulárnych štruktúr, a tlmí produkciu oxidu dusnatého (NO) – dôležitého regulátora GFR32. Okrem toho obmedzená expresia lipoproteínovej lipázy (Lpl) do kapilárnych gREC naznačuje, že glomerulárny endotel môže byť nevyhnutný na uvoľňovanie mastných kyselín do ultrafiltrátu, ktorý by sa následne mohol použiť ako zdroj energie tubulárnymi epitelovými bunkami alebo na reguláciu obsah lipidov v krvi alebo by mohli prispieť k akumulácii glomerulárnych lipidov, ako sa pozoruje v patologických súvislostiach^6,10,61,62. Je zaujímavé, že renálna expresia génov zapojených do metabolizmu lipidov koreluje s GFR a zápalom u pacientov sdiabetikobličkychoroba, zatiaľ čo defektná oxidácia mastných kyselín (FAO) v tubulárnych bunkách prispieva k rozvojuobličkyfibróza^61,62.

Transkripčné faktory, ako je SOX17 a COUP-TFII (kódovaný Nr2f2) v arteriálnych a venóznych REC, riadia transkriptomické podpisy a identitu špecifických vaskulárnych lôžok63, 64. Identita gREC závisí od aktivity aspoň dvoch transkripčných faktorov: GATA5 a TBX3 (refs10,11,32) (obr. 2c), ktoré sprostredkovávajú získanie profilu génovej expresie podobného gREC, keď sú spolu nadmerne exprimované v ľudskej pupočnej žile EC (HUVEC), bežne používaný model ES11. Regulón GATA5 je upregulovaný v gREC, ale nie v iných populáciách REC^10,11a selektívna delécia Gata5 v EC spôsobuje glomerulárne lézie65. Okrem toho EC-špecifická delécia Tbx3 spôsobuje morfogénne defekty, ako sú mikroaneuryzmy v podskupinách glomerulov, znížený počet kapilárnych fenestrácií gREC a deformované procesy podocytovej nohy, čo naznačuje úlohu tohto transkripčného faktora pri udržiavaní štruktúrnej organizácie glomerulárnych kapilár.¹¹. Okrem toho sa GATA5 aj TBX3 podieľajú na regulácii krvného tlaku. GATA5 ovplyvňuje typickú vaskulárnu funkciu, proteínkinázu A a signálne dráhy NO⁶⁵, zatiaľ čo sa predpokladá, že TBX3 moduluje krvný tlak prostredníctvom regulácie sekrécie renínu vobličky¹¹.

Regulácia vaskulárneho tonusu aferentných a eferentných arteriol je potrebná na udržanie konštantne vysokého glomerulárneho kapilárneho tlaku potrebného na glomerulárnu filtráciu¹⁸. Tento regulačný proces umožňuje udržiavať konštantnú GFR napriek zmenám v systémovom tlaku a srdcovom výdaji66. Aferentné arterioly majú jednu až tri vrstvy buniek hladkého svalstva ciev (VSMC), ktoré sú v blízkosti JGA čiastočne nahradené granulárnymi bunkami produkujúcimi renín67 (obr. 2d). Heterogenita EC existuje aj v aferentnej arteriole s nebránicovými fenestráciami endotelu najbližšie k JGA68,69 – podobne ako endotel glomerulárnej kapiláry – pravdepodobne na uľahčenie rýchleho transportu renínu do krvi18 (obr. 2d). Expresia Gja5 (kódujúca konexín 40) je obohatená o túto podskupinu gREC^10,70a má dôležitú úlohu v komunikácii medzi endotelom a granulárnymi bunkami v JGA na reguláciu uvoľňovania renínu^35,70,71. Tieto EC sú tiež obohatené o ďalšie gény zapojené do interakcie medzi bunkami, ako sú tie, ktoré súvisia so signálnymi dráhami Wnt a Notch, efrínom a cytokínmi a chemokínmi (obr. 2c), ktoré môžu sprostredkovať presluchy medzi mezangiálnymi bunkami a/ alebo granulárne bunky a gREC v JGA a potenciálne prispievajú k autoregulácii a modulácii krvného tlaku¹⁰.

Naproti tomu gREC v upstream (najvzdialenejšej) časti aferentných arteriol exprimujú gény zapojené do regulácie benzínu, ako je Edn1 (ktorý kóduje endotelín 1), Alox12 (arachidonát 12-lipoxygenáza) a S1pr1 (sfingozín{{6 }}fosfátový receptor 1)^10,72,73(obr. 2c). Signálna dráha S1P – S1PR1 účinne reguluje aferentný arteriolový benzín aktiváciou systému eNOS^74–76. V súlade s touto úlohou je receptor SIP obohatený o gREC v aferentných arteriolách a nie je detegovaný v eferentných arteriolách¹⁰.

Na rozdiel od gREC v aferentných arteriolách vykazujú gREC v eferentných arteriolách nižšiu expresiu konexínu77, najmä konexínu 37 a konexínu 40 (kódovaného Gja4 a Gja5, v tomto poradí)10. Podobne ako EC z aferentných arteriol, transkriptómové analýzy EC z eferentných arteriol však naznačujú prítomnosť dvoch populácií gREC: jedna pravdepodobne spojená s JGA (exprimujúca gény spojené s adhéziou a extravazáciou imunitných buniek a permeabilitou EC) a druhá čo zodpovedá distálnej časti eferentnej arterioly (obohatenej o gény podieľajúce sa na reakciách hyperosmolarity)10 (obr. 2c).

Tieto poznatky naznačujú, že fenotypová a funkčná diverzita gREC je základom schopnosti týchto endotelov udržiavať GFR prostredníctvom aktívnej modulácie prietoku glomerulárnej krvi a zabezpečením účinnosti glomerulárnej filtrácie. Prostredníctvom integrácie tubuloglomerulárnej spätnej väzby a myogénnych signálov sú najmä gREC spojené s JGA pravdepodobne kritickými regulátormi GFR.

Heterogenita kortikálnych renálnych endotelových buniek.Okrem glomerulárneho kapilárneho endotelu a preglomerulárnych a postglomerulárnych aferentných a eferentných arteriol,obličkykôra obsahuje lymfatické cievy a veľké tepny a žily spolu s ich vasa vasora, postkapilárnymi venulami a peritubulárnymi kapilárami. V súlade so svojou úlohou pri reabsorpcii a sekrécii rozpustených látok, iónov a vody sú kortikálne peritubulárne kapiláry tenkostenné kapiláry obsahujúce EC, ktoré sú funkčne spojené s tubulárnym epitelom9 (obr. 3a). V porovnaní s gREC a mREC exprimujú cREC – najmä peritubulárne kapilárne EC – vysoké hladiny Igfbp3 (kódujúceho proteín 3 viažuci rastový faktor podobný inzulínu) a Npr3 (kódujúci natriuretický peptidový receptor 3)10,11 (obr. 3b) .

Kortikálne peritubulárne kapiláry vychádzajú z eferentných arteriol a obklopujú proximálne a distálne stočené tubuly (obr. 3a), poskytujú kyslík a živiny a prispievajú k absorpcii rozpustených látok a reabsorpcii vody z tubulárneho lúmenu.⁹. Na rozdiel od glomerulárnych kapilár, peritubulárne kapilárne EC exprimujú Plvap, ktorého proteínový produkt (PV1) pokrýva peritubulárne kapilárne EC fenestrae. Tieto diafragmované otvory majú priemer 62–68 nm a pravdepodobne uľahčujúvýmena vody, iónov a malých rozpustených látok s proximálnymi a distálnymi tubulmi9,10

Glomeruli prefiltrujú približne 180 g glukózy denne78 a za fyziologických podmienok sa takmer všetka reabsorbuje v proximálnych tubuloch. Filtrovaná glukóza sa najskôr reabsorbuje z lumenu proximálnych tubulov vo vnútri epitelových buniek prostredníctvom sodíkovo-glukózových kotransportérov (SGLT). Akonáhle intracelulárna koncentrácia glukózy prekročí koncentráciu interstícia, difunduje do intersticiálneho priestoru prostredníctvom špecifických uľahčených transportérov glukózy (GLUT), odkiaľ sa reabsorbuje do krvného obehu79. V súlade so svojou úlohou v tomto procese peritubulárne kapilárne EC exprimujú vyššie hladiny Slc2a1 (kódujúce GLUT1) ako EC iných renálnych vaskulárnych lôžok11 (obr. 3b), čo naznačuje, že reabsorpciu glukózy môže uľahčiť GLUT1 v peritubulárnych kapilárnych EC.

Kortikálne peritubulárne kapiláry zahŕňajú dve populácie EC — jednu, ktorá exprimuje vysoké hladiny Apoe (kódujúceho apolipoproteín E) a jednu, ktorá exprimuje málo alebo žiadnu Apoe10 (obr. 3b). Populácia s vysokým Apoe vykazuje obohatenú expresiu iných génov súvisiacich s metabolizmom lipidov, ako sú Plpp3 a Thrsp10,80,81. Naproti tomu populácia s nízkym obsahom Apoe exprimuje gény kódujúce receptory VEGF (Kdr, Flt1 a Nrp1, kódujúce VEGFR2, VEGFR1 a neuropilín 1), proteíny viažuce rastový faktor podobný inzulínu a receptor (Igfbp5, Igfbp3 a Insr) a Npr3, ktorý kóduje receptor pre natriuretický peptid, ktorý reguluje objem krvi a vylučovanie sodíka10,82–85. V súčasnosti nie je známe, či tieto dve populácie EC existujú v oddelených kapilárach, ktoré interagujú s proximálnymi stočenými tubulmi alebo distálnymi tubulmi, alebo či existujú v rovnakých kapilárach.

Prekvapivo boli v myšej renálnej kôre opísané aj dve ďalšie kapilárne EC populácie – angiogénna EC populácia a populácia, ktorá je charakterizovaná expresiou interferónom stimulovaných génov a génov zapojených do spracovania a prezentácie antigénu10 (obr. 3b). . Angiogénne EC môžu zohrávať úlohu pri regenerácii poškodených REC, zatiaľ čo EC aktivované interferónom sa môžu podieľať na imunitnom dohľade, hoci na preskúmanie týchto možností sú potrebné ďalšie štúdie10.

cREC vo veľkých tepnách sú charakterizované expresiou génu arteriálneho transkripčného faktora Sox17 a génu tesného spojenia Cldn5 (claudin 5), zatiaľ čo cREC vo veľkých žilách sú charakterizované expresiou transkripčného faktora Nr2f2 (COUP-TFII) a fenestračný marker Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(obr. 3b).

Arteriálne cREC exprimujú gén Sema3g kódujúci semaforín, ktorý má autokrinné a parakrinné účinky na EC a VSMC, gény kódujúce konexín Gja4 a Gja5, ktoré sú zložkami myoendotelových spojení, a člena rodiny Notch Jag1 (refs6,10, 11,87–90) (obr. 3b). Veľké tepny sú vystavené vysokému krvnému tlaku a ich cievny tonus je modulovaný v reakcii na zmeny krvného tlaku. Ich schopnosť reagovať na mechanické signály je umožnená prítomnosťou elastickej vrstvy v tunica media, ktorá je bohatá na elastické vlákna^9,91a prostredníctvom expresie génov súvisiacich so zostavou elastických vlákien, ako sú Eln (elastín), Ltbp4 (latentný transformačný rastový faktor - -viažuci proteín 4), Fbln5 (fibulín 5) a Bmp4 (refs6,10,11,92 -95). Exprimujú tiež vysoké hladiny Mgp (matrix Gla proteín)6,10, ktorý potláča vaskulárnu kalcifikáciu pravdepodobne prostredníctvom inhibície BMP2 a BMP4 signalizácie96. V súlade s ich úlohou pri regulácii prietoku krvi obličkami, cREC veľkých tepien tiež exprimujú gény, ktoré sú zodpovedné za reguláciu benzínu, ako sú Ace, Edn1 a S1pr1 (refs6,10,97-99) (obr. 3b).

Dodávanie kyslíka a živín a odstraňovanie odpadových produktov uvoľnených v cievnej stene veľkých tepien a žíl uľahčuje vasa vasora100. Vasa vasora REC neboli identifikované v publikovaných štúdiách myších jednobunkových REC, pravdepodobne preto, že cievy s priemerom lúmenu<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Uskutočnenie takýchto štúdií na väčších zvieratách alebo ľuďoch, ktorí majú väčšie obličkové cievy, môže zvýšiť pravdepodobnosť zachytenia REC vasa vasora. V súčasnosti nie sú opísané žiadne markery pre REC odvodené z vasa vasora.

Okrem krvného cievneho systému obsahuje obličková kôra aj dve sady obličkových lymfatických ciev. Obidve vznikajú ako zaslepené kapiláry v obličkovom laloku, odkiaľ jedna sada sleduje tepny smerom k hilu, aby spojila hilový a kapsulárny systém, a druhá preniká do kapsuly, aby sa pripojila k kapsulárnym lymfatickým systémom28,101 (obr. 1a). Obličkové lymfatické kapiláry možno odlíšiť od kapilár krvných ciev, pretože sú prítomné hlavne v interstíciu, sú zaslepené a nemajú pericyty^28,29. Renálne lymfatické kapiláry pozostávajú z jednovrstvových, čiastočne prekrývajúcich sa LEC v tvare „dubového listu“28,29, ktoré možno odlíšiť od BEC expresiou niekoľkých markerov⁶, z ktorých najznámejšie sú Pdpn (podoplanín)102, gén kódujúci hyalurónový receptor Lyve1 (ref. 103), Flt4 (ktorý kóduje VEGFR3)104 a gén transkripčného faktora Prox1 (ref. 105) (obr. 3b) . Aj keď sú tieto markery exprimované aj v iných typoch buniek, možno ich použiť na rozlíšenie dvoch hlavných typov EC29. V ľudskomobličkybol podoplanín opísaný ako najspoľahlivejší marker LEC^28,29. Ani jeden z nich však nie je známyobličkyPopulácie LEC boli identifikované v publikovaných štúdiách jednobunkovej RNA-seq^6,10,11pravdepodobne v dôsledku ich straty počas technických krokov spracovania (napríklad počas enzymatickej digescie alebo čistenia EC) a/alebo preto, že predstavujú príliš malú frakciu EC v porovnaní s populáciou obličkových BEC. Na charakterizáciu heterogenity renálneho lymfatického endotelu sú preto potrebné ďalšie štúdie.

Heterogenita medulárnych renálnych endotelových buniek.Primárnou úlohou obličkovej drene je koncentrácia moču⁹. Anatomické usporiadanie vasa recta a nízky prietok krvi obličkovou dreňou (10 percent celkového prietoku krvi obličkami9) zabraňujú vymývaniu rozpustených látok, ako je močovina a NaCl, čím sa vytvára gradient osmolarity od vonkajšej drene k obličkovej papile , ktorý je nevyhnutný pre koncentráciu moču26,106. Tento gradient sa mení podľa stavu hydratácie106.

Renálny medulárny endotel je charakterizovaný expresiou Igfbp7 (refs10,11), močového markeraobličkyporanenie, ktoré predpovedá zotavenie obličiek po akútnom poškodení obličiek (AKI)107, a Cd36 (refs10,32), ktorý kóduje vychytávací receptor, ktorý je zodpovedný za príjem mastných kyselín s dlhým reťazcom z obehu108 (obr. 3c). Lipidy sa teda môžu presúvať spôsobom závislým od CD36- cez medulárny endotel k medulárnym intersticiálnym bunkám, populácii buniek podobnej fibroblastom, ktorá je charakterizovaná lipidovými kvapôčkami, ktorých množstvo koreluje so stavom diurézy109. Delécia Cd36 u myší bola spojená so zvýšeným rizikom spontánnej hypertenzie závislým od obličiek^10,110, ale utlmili rozvojobličkyfibróza ako odpoveď na diétu s vysokým obsahom tukov111 (obr. 3c), čo naznačuje ochrannú aj patologickú úlohu transportu lipidov v týchto procesoch.

Rovnako ako kortikálny a glomerulárny endotel, obličkový medulárny endotel vykazuje rozsiahlu vnútrokompartmentovú heterogenitu^10,11. DVR sú cievy podobné artériám, ktoré obsahujú kontinuálny endotel obklopený pericytmi podobnými hladkému svalstvu alebo VSMC, ktoré reagujú na vazoaktívne stimuly na kontrolu obličkového medulárneho prietoku krvi. V súlade s fenotypom podobným arteriolám exprimujú DVR EC Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 a Cxcl12 (CXCL12, tiež známy ako SDF1 - chemokínový proteín ktorý pôsobí ako ligand pre CXCR4 a CXCR7 exprimované VSMC a pericytmi)^10,63,113. DVR EC tiež exprimujú Slc14a1 a Aqp1, ktoré kódujú transportér močoviny B (UTB)^10,11,112a vodný kanál aquaporín 1 (ref^10,11,55), obe sú potrebné na koncentráciu moču114,115 (obr. 3c,d). Tieto EC tiež exprimujú Scin, ktorý kóduje škváru – proteín, ktorý viaže akvaporín 2 v multiproteínovom komplexe pri zbere epiteliálnych buniek kanálikov, pravdepodobne na uľahčenie obchodovania s akvaporínom 2116. Spoločná expresia Aqp1 a Scin v DVR EC naznačuje podobnú interakciu v medulárnom endoteli¹⁰.

Gradient osmolarity vytvára nepriateľské prostredie pre bunky obličkovej drene, najmä pre bunky v obličkovej papile, kde je osmolarita najvyššia (zodpovedá stavu fyziologickej hyperosmolarity, v ktorej je osmolarita vyššia ako v systémovej plazme)117. Myšie DVR EC môžu byť rozdelené do dvoch hlavných fenotypov podľa ich umiestnenia v obličkovej papile alebo vo vonkajšej alebo vnútornej dreni10 a odlíšené expresiou génov indukovaných hyperosmolaritou a vazotónových regulačných génov10 (obr. 3c). EC DVR obličkovej papily exprimujú gény reagujúce na hyperosmolaritu, vrátane cieľových génov transkripčného faktora NFAT5 indukovateľného hyperosmolaritou, ako sú S100a4 a S100a6 (refs10,118), zatiaľ čo EC DVR z vnútornej a vonkajšej drene vykazujú obohatenú expresiu Hpgd, ktorý kóduje hlavný enzým zapojený do katabolizmu vazoaktívnych prostaglandínov, Edn1, ktorý kóduje vazokonstrikčný endotelín 1, a Adipor2, ktorý kóduje receptor pre adiponektín, ktorý indukuje vazodilatačné účinky119,120 (obr. 3c). Tento vzor expresie je v súlade s výraznejšou prítomnosťou pericytov podobných hladkému svalstvu vo vonkajšej medulárnej časti DVR, a teda väčšou citlivosťou tejto oblasti na vazoaktívne faktory v porovnaní s nižšími časťami DVR9,121.

Na rozdiel od DVR sú AVR fenestrované venózne cievy (obr. 3d). Tieto cievy reabsorbujú vodu z obličkového medulárneho interstícia, ktorá sa hromadí počas koncentrácie moču zbernými kanálikmi, Henleho slučkou a DVR, a zbierajú ju späť do celkového obehu spôsobom podobným funkcii lymfatických ciev30. V súlade s touto úlohou AVR EC exprimujú venózny transkripčný faktor Nr2f2 (refs10,11,64) a Plvap - pravdepodobne na udržanie ich úlohy pri reabsorpcii vody^10,11,47,122(obr. 3c). AVR EC tiež exprimujú Tek, kódujúci angiopoetínový Tie2 receptor, ktorý je nevyhnutný na tvorbu AVR počas vývoja. Delécia Tek u myší spúšťa rýchlu akumuláciu tekutiny a cýst v medulárnom interstíciu a stratu medulárnych cievnych zväzkov a vedie k zníženej schopnosti koncentrovať moč³⁰.

Podobne ako DVR, AVR môže byť rozdelená do dvoch transkriptomicky odlišných EC populácií lokalizovaných v papile a vo vonkajšej a vnútornej dreni. Tie v papile sú charakterizované expresiou génov reagujúcich na hyperosmolaritu (Cryab, Fxyd2 a Cd9 (refs10,123,124)), glykolytických génov (Ldha, Aldoa a Gapdh10,125,126) a Car2, ktorý kóduje enzým karboanhydrázu 2 , ktorých absencia zhoršuje koncentráciu moču a spúšťa polyúriu u myší127 (obr. 3c). Papilárne AVR EC špecificky exprimujú gén kódujúci podjednotku Na plus / K plus ATPázu Fxyd2, zatiaľ čo alternatívny gén kódujúci podjednotku Fxyd6 je upregulovaný v AVR EC vo vonkajšej a vnútornej dreni¹⁰ (obr. 3c).

Papilárne časti AVR a DVR vykazujú odlišné profily génovej expresie, ale zdieľajú expresiu niekoľkých génov reagujúcich na hyperosmolaritu, vrátane Akr1b3, ktorý kóduje aldózoreduktázu – enzým obmedzujúci rýchlosť polyolovej dráhy, ktorý je zodpovedný za premenu glukózy na sorbitol, inertný organický osmolyt, ktorý je dôležitý pre udržanie objemu buniek v podmienkach hyperosmolarity117. Exprimujú tiež S100a6, ako aj ďalšie gény – ako napríklad Fxyd5 (ktorý kóduje ďalšiu podjednotku Na plus / K plus ATPázu), Nrgn (ktorý kóduje proteín neurogranín viažuci kalmodulín) a Crip1 (ktorý kóduje proteín 1 bohatý na cysteín) 10 118 — čo môže byť potenciálne spojené s hyperosmotickým prostredím (obr. 3c).

Renálny medulárny kapilárny plexus, ktorý spája DVR a AVR (obr. 3a), sa vyznačuje Plvap-pozitívnym fenestrovaným endotelom a obohatenou endotelovou expresiou génov, ktoré kódujú receptory VEGF, ako sú Kdr, Flt1 a Nrp1. ako gény zapojené do transportu a metabolizmu mastných kyselín (Cd36 a Plpp3)10 (obr. 3c). mREC zahŕňajú aj EC z postkapilárnych venul, ako aj angiogénne a interferónom aktivované EC populácie, podobne ako kapiláry renálnej kôry10.

Heterogenita REC a ochorenie obličiek

Za fyziologických podmienok je endotel v kľude - stav, ktorý je udržiavaný z veľkej časti prostredníctvom S-nitrozylácie proteínov a transkripčných faktorov pomocou NO128,129 odvodeného od eNOS. Samotná aktivita eNOS je regulovaná šmykovým napätím¹³⁰a intracelulárne metabolity, ako je substrát eNOS, l-arginín a jeho kofaktor, tetrahydrobiopterín¹³¹. Za určitých podmienok - napríklad v reakcii na infekciu - môže byť tento pokojový stav vypnutý, čo vedie k aktivácii EC a náboru imunitných buniek. Pre tento aktivačný proces je rozhodujúca redoxná signalizácia a najmä odpojenie enzýmu eNOS, ktoré vedie k produkcii superoxidu namiesto NO. Odpojenie eNOS uvádza do pohybu kaskádu, ktorá vedie k remodelácii povrchovej vrstvy endotelu a indukuje expresiu receptorov, ktoré môžu interagovať s krvnými doštičkami a imunitnými bunkami¹³². Hoci aktivácia endotelu tvorí súčasť obranného systému hostiteľa, tento molekulárny mechanizmus môže byť nevhodne aktivovaný pri chorobných stavoch, ako je autoimunitné ochorenie alebo pri kardiovaskulárnych rizikových faktoroch alebo infekcii. Je potrebné poznamenať, že v reakcii REC na škodlivé signály existuje heterogenita¹³³. Napríklad pri atypickom hemolyticko-uremickom syndróme sú mutácie v komplementovom inhibičnom faktore H spojené so zníženou väzbou faktora H na glomerulárny endotelový heparan sulfát134, čo vyvoláva glomerulárnu trombotickú mikroangiopatiu. Ďalším príkladom je chronické odmietnutie humorálneho aloštepu, pri ktorom sa zdá, že primárnym cieľom poranenia sú peritubulárne kapiláry¹³⁵; súvisiaca strata peritubulárnej kapilárnej siete predpovedá výskytobličkyzlyhanie136. V kontexte pandémie COVID-19 je potrebné poznamenať, že AKI sa často pozoruje u pacientov so závažným ochorením (postihuje až 50 percent pacientov na jednotkách intenzívnej starostlivosti)¹³⁷, u ktorých by rozšírená dysfunkcia EC mohla podporovať eskaláciu ochorenia v dôsledku presakovania ciev, koagulopatie a exacerbovaného zápalu^138,139.

Okrem heterogenity v reakcii aktivácie endotelu môže byť reakcia REC na environmentálne podnety z obehu miestne špecifická. Napríklad gREC od pacientov s diabetom typu 1 Mellitus demonštrujú dysregulovanú angiogénnu odpoveď vedúcu k glomerulárnemu rastu a sekundárnej podocytopatii^140,141. Pri ischemickom poškodení – najmä v peritubulárnych kapilárach – má aktivácia endotelu a odlupovanie EC za následok takzvaný fenomén „no-reflow“, pri ktorom sa perfúzia neobnoví ani po obnovení priechodnosti, čo vedie k poškodeniu tubulárnych epiteliálnych buniek a AKI¹⁴². Klinická patológia indukovaná aktiváciou REC je podrobne diskutovaná inde.

Objavenie sa techník s vysokým rozlíšením, ako je napríklad jednobunková RNA-seq, poskytlo nový pohľad na molekulárnu reguláciu endotelovej fenotypovej heterogenity a procesov zapojených doobličkyzranenie. Niekoľko štúdií z našej skupiny a iných za posledných niekoľko rokov posunulo koncepciu, že heterogenita endotelu je prepojená s intracelulárnym metabolizmom.^{3,6,10,143–145}. Ako je opísané nižšie, rôzne mikroprostredia, ktorým sú REC vystavené, pomáhajú stanoviť ich fenotypovú diverzitu aj metabolickú špecializáciu.

Metabolická špecializácia REC

EC vykazujú aktívny metabolizmus, aj keď sú v kľude, aby udržali procesy, ako je produkcia energie, syntéza biomasy a redoxná homeostáza, ktoré sú potrebné na udržanie integrity vaskulárnej bariéry, vazoregulačnej funkcie, transportu rozpustenej látky a inhibície trombózy a vaskulárneho zápalu. Napríklad pokojové EC udržujú vysoké hladiny FAO, čo pomáha udržiavať integritu vaskulárnej bariéry čiastočne prostredníctvom regenerácie NADPH, ktorá poskytuje ochranu proti reaktívnym druhom kyslíka (ROS)146. V súlade s touto úlohou inhibícia FAO v EC zvyšuje oxidačný stres, permeabilitu endotelovej bariéry, infiltráciu leukocytov146 a prechod z endotelu na mezenchým¹⁴⁷, čo naznačuje, že FAO je potrebná na udržanie endotelovej funkcie a fenotypu. REC vykazujú rôzne metabolické profily a transkriptómy na EC izolované z iných orgánov u myší^3,6. Vyznačujú sa najmä zvýšenou reguláciou génov zapojených do biosyntézy aminokyselín a pyrimidínu, ako aj metabolizmu glukózy⁶. Okrem toho sú niektoré metabolické gény selektívne obohatené o arteriálne, kapilárne alebo venózne EC, čo svedčí o intraorgánovej metabolickej heterogenite⁶. Ako je uvedené nižšie, rôzne mikroenvironmentálne podmienky, ktorým sú vystavené rôzne populácie REC, môžu tiež ovplyvniť ich metabolické profily a podporovať fenotypovú heterogenitu REC, ako aj ich reakciu na podnety choroby.

REC reakcie na zmeny v napätí kyslíka

Hociobličkysú najviac prekrvené orgány v tele, pri prechode krvi sa spotrebuje menej ako 10 percent cirkulujúceho kyslíka.obličky¹⁴⁸. Theobličkydreň je vystavená nízkemu tlaku kyslíka s pO2 10–20 mmHg (hypoxia) v porovnaní s 50 mmHg v kôre obličiek117 (obr. 4a). Kyslíkový gradient, ktorý sleduje kortikopapilárnu os, je dôsledkom niekoľkých faktorov, vrátane arteriovenózneho skratu kyslíka, ktorý je výsledkom paralelného usporiadania AVR a DVR v dreni, obmedzeného prietoku krvi do drene a vnútri drene, aby sa minimalizovalo vymývanie rozpustených látok. a použitie oxidačnej fosforylácie na produkciu vysokých úrovní energie potrebnej na to, aby Na plus/K plus ATPáza reabsorbovala Na plus a umožnila správne fungovanie iných transportérov rozpustených látok bunkovej membrány117. Hypoxia je teda súčasťou mechanizmu koncentrácie moču v dreni^10,117.

Vyžaduje sa tiež pre vhodnéobličkyrozvoj149. Hypoxia však môže byť škodlivá a považuje sa za hlavnú príčinu AKI150 a za rizikový faktor pre chronické ochorenie obličiek (CKD)151 (obr. 4a). Hypoxia obličiek môže byť výsledkom ischemických príhod, ktoré sa môžu vyskytnúť počas transplantácie obličky alebo v dôsledku abnormálnej renálnej perfúzie v dôsledku riedenia peritubulárnych kapilár, poškodenia glomerulov, aterosklerózy, dysregulácie arteriálneho vaskulárneho tonusu, anémie a zhoršenej difúzie kyslíka v dôsledku fibrózy152 ( Obr. 4a). V rámci cievneho systému spôsobuje krátkodobá expozícia hypoxii reverzibilnú moduláciu vaskulárneho tonusu a prietoku krvi, zatiaľ čo dlhodobá expozícia vedie k ireverzibilnej remodelácii vaskulatúry a okolitých tkanív s proliferáciou a fibrózou VSMC.¹⁵³. Bunková odpoveď na hypoxiu závisí od inaktivácie oxygenáz závislých od Fe2 plus a oxygenáz závislých od 2-oxoglutarátu (2-OG)152 a následnej aktivácie transkripčného faktora indukovateľného hypoxiou (HIF) závislého a HIF-nezávislé cesty. Vystavenie hypoxii spúšťa aktiváciu HIF1 aj HIF2 v ECs154 (obr. 4b). VobličkyREC široko exprimujú HIF2 pri hypoxii, zatiaľ čo proteínová expresia HIF1 je obmedzená na mREC v papile155–157, kde pravdepodobne stimuluje glykolýzu (obr. 4b). Aktivácia HIF2 v REC vo všeobecnosti sprostredkúva ochranu a zotavenie z ischemického poškodenia obličiek podporou erytropoézy a potlačením zápalu obličiek, zriedenia kapilár a fibrózy156 (obr. 4b). Vystavenie REC hypoxii v kontexteobličkyochorenie môže preto indukovať odlišné reakcie v gREC a cREC ako v mREC. Napríklad hypoxia podporuje HIF{0}}závislú proliferáciu a migráciu kultivovaných EC158,159; v nesplývajúcich podmienkach však kultivované gREC podstupujú apoptózu závislú od mitochondrií po vystavení hypoxii155, 160, 161, čo naznačuje maladaptáciu gREC na hypoxiu. Hoci sa zdá, že gREC sú celkom odolné voči hypoxii in vivo, pravdepodobne v dôsledku parakrinného účinku VEGF161 odvodeného z podocytov, hypoxia môže vyvolať progresívnu stratu proteínov s tesným spojením okludínu a ZO-1 v gREC v HIF{{{101} 11}}závislým spôsobom, čo v konečnom dôsledku zvyšuje permeabilitu endotelovej bariéry162. O reakcii mREC na hypoxiu je známe len málo. Najmä mREC v AVR a DVR sú za fyziologických podmienok vystavené nízkemu napätiu kyslíka v papile a regulón Epas1 (kódujúci HIF2 ) je upregulovaný v mREC po nedostatku vody, pravdepodobne v reakcii na zvýšenie hypoxie spôsobenej proces koncentrácie moču¹⁰.

Metabolická adaptácia EC na zmeny napätia kyslíka.V normoxických podmienkach sa EC spoliehajú predovšetkým na glykolýzu pri produkcii ATP a nie na mitochondriálnu oxidačnú fosforyláciu163. V reakcii na hypoxiu sú tieto metabolické reakcie zosilnené, s ďalším zvýšením glykolýzy a potlačením mitochondriálneho dýchania (obr. 4b), čo vysvetľuje, prečo sú EC odolné voči hypoxii, pokiaľ je glukóza dostupná164. Po vystavení akútnej hypoxii, ako je ischemická príhoda, EC vykazujú rýchly nárast mitochondriálneho a/alebo NAD(P)H oxidázy odvodeného ROS, ktorý stabilizuje HIF1 a umožňuje vyšší glykolytický tok164 – odpovede, ktoré sú v súlade s HIF{{6 }} indukoval upreguláciu metabolizmu glukózy a downreguláciu mitochondriálnej aktivity^164,165 (obr. 4b). Okrem toho analýzy metabolických dráh EC vystavených chronickej hypoxii, aká sa môže vyskytnúť v dreni alebo v kontexte CKD, odhalili zvýšenú reguláciu glykolytických génov závislú od HIF{1}¹⁶⁶. Je zaujímavé, že niektoré glykolytické gény, ako napríklad Eno1 a Aldoa, ktoré kódujú enzýmy enolázu 1 a aldolázu A, ktoré sú potrebné na produkciu ATP a pyruvátu z glukózy, boli upregulované vo väčšej miere v mREC ako v cREC a gREC10. Konkrétnejšie, mREC z papilárnej časti AVR – to je časť renálneho vaskulárneho lôžka, ktorá je najviac vystavená hypoxii – vykazovali najvyššiu expresiu glykolytických génov Aldoa, Ldha a Gapdh spomedzi všetkých mREC u myší10. Papilárne mREC teda môžu vykazovať vyšší anaeróbny glykolytický tok ako iné REC v dôsledku ich hypoxického mikroprostredia. Podobne medulárne epitelové bunky majú vyššiu kapacitu na produkciu anaeróbneho glykolytického ATP ako proximálne tubulárne bunky¹¹⁷. mREC tiež upregulujú niekoľko glykolytických génov po nedostatku vody, súčasne so zvýšenou aktivitou HIF2 uvedenou vyššie¹⁰.

V EC je HIF2 upregulovaný čiastočne po aktivácii mitochondriálnej NAD plus závislej deacetylázy sirtuínu 3 (SIRT3) (ref. 167) (obr. 4b). Strata SIRT3 zhoršuje hypoxickú signalizáciu v EC a vedie k defektnej angiogenéze a mikrovaskulárnej dysfunkcii, sekundárne po metabolickom prepnutí z glykolýzy nezávislej od kyslíka na mitochondriálne dýchanie. Tento metabolický prepínač je spojený so znížením expresie 6-fosfofrukto-2-kinázy (PFKFB3), enzýmu, ktorý pôsobí ako pozitívny regulátor glykolýzy a tvorby ROS¹⁶⁷(obr. 4b). Pri hypoxii SIRT3 upreguluje mitochondriálne antioxidačné enzýmy spôsobom závislým od FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — transkripčný faktor, ktorý je tiež upregulovaný HIF1¹⁶⁹ (obr. 4b). Je zaujímavé, že antioxidačná dráha SIRT3-FOXO3 funguje v gREC, čím zabraňuje prechodu endotelu na mezenchymálny aobličkyfibróza na zvieracom modeli hypertenzie indukovanej angiotenzínom II¹⁷⁰(obr. 4b). Farmakologické prístupy, ktoré zvyšujú SIRT3, tiež obmedzujú AKI indukovanú cisplatinou tým, že chránia pred tubulárnym poškodením a zlepšujúobličkyfunkciu¹⁷¹. Naproti tomu Sirt{0}}knockout myši vykazujú závažnejšie AKI, hoci podiel REC na týchto účinkoch nebol stanovený¹⁷¹. Zostáva určiť, či sa táto antioxidačná dráha SIRT3 – FOXO3 podieľa aj na fyziologickej odpovedi mREC na hypoxiu v dreni.

Metabolizmus mastných kyselín je tiež ovplyvnený dostupnosťou kyslíka, pretože hypoxia spúšťa zvýšenie expresie a aktivity syntázy mastných kyselín (FAS), kľúčového enzýmu regulujúceho rýchlosť biosyntézy mastných kyselín, čo vedie k zníženiu malonylu. -CoA pool a zvýšenie hladín palmitátu v ECs172 (obr. 4b). V EC ľudských pľúcnych artérií vedie inhibícia FAS k narušeniu stabilizácie HIF1 a následným zmenám v transporte glukózy a metabolizme sprostredkovaných HIF a k obnoveniu funkcie eNOS, čo naznačuje, že inhibícia syntézy mastných kyselín môže byť prospešná pre funkciu EC pri hypoxii¹⁷²(obr. 4b). Vobličky, Fans – ktorý kóduje FAS – bol upregulovaný v experimentálnom modeli chronického zlyhania obličiek a prispel k hypertriglyceridémii¹⁷³. Upregulácia ventilátorov a iných génov reagujúcich na hypoxiu bola tiež pozorovaná vobličkykôra myšacieho modelu kosáčikovitej anémie, ktorá vykazovala progresívne glomerulárne a tubulárne poškodenie¹⁷⁴. Zmenený metabolizmus lipidov je charakteristický pre proteinurickú CKD a klinické aj experimentálne dôkazy podporujú názor, že zmenený metabolizmus lipidov môže prispieť k patogenéze a progresii ochorenia obličiek¹⁷⁵. Napriek tomu úloha REC v dysregulovanom metabolizme mastných kyselín v kontexteobličkychorobaje potrebné ďalej objasniť.

Hypoxia tiež indukuje upreguláciu arginázy II spôsobom závislým od aktivácie HIF2¹⁷⁶alebo HIF1¹⁷⁷a znižuje syntézu a transport svojho substrátu, arginínu, v EC^178,179(obr. 4b). Argináza II je metaloenzým, ktorý sa exprimuje najmä vobličkya katalyzuje hydrolýzu l-arginínu na močovinu a l-ornitín. Zvýšenie aktivity arginázy II znižuje biologickú dostupnosť arginínu, čo tlmí aktivitu eNOS, znižuje produkciu endotelového NO a spúšťa odpojenie eNOS, čo v konečnom dôsledku vedie k produkcii ROS a nitrozatívnemu stresu¹⁷⁶. Tieto kroky sú rozhodujúce pri podpore endoteliálnej dysfunkcie, diabetickej choroby obličiek aobličkyzápal v kontexte obezity spôsobenej diétou^180,181. Za fyziologických podmienok sa argináza II exprimuje hlavne vo vonkajšej dreni, čo naznačuje, že táto metabolická adaptácia sa pravdepodobne nevyskytuje v mREC, ktoré sú najviac vystavené hypoxii¹⁸¹.

Nakoniec, vystavenie papilárnych mREC akútnej hypoxii spúšťa uvoľňovanie purínov a ATP spolu s UTP a UDP v extracelulárnom priestore^182–184. ATP aktivuje endotelové receptory P2Y, čo vedie k produkcii NO, vazodilatácii a zvýšeniu perfúzie tkaniva¹⁸⁵. ATP tiež tvorí adenozín po metabolizácii ATP ektoenzýmami^185,186. Dôležité je, že hypoxia spúšťa HIF2 -závislú reguláciu adenozínového A2a receptora (kódovaného ADORA2A) v EC^187,188, ktorého aktivácia zvyšuje syntézu proteínu HIF1, čím ďalej podporuje expresiu glykolytického génu a glykolytický tok¹⁸⁷(obr. 4b). Vo väčšine prípadov aktivácia receptorov A2a a A2b exprimovaných EC a VSMC sprostredkúva vazodilatačné účinky adenozínu uvoľňovaného počas hypoxie185. VobličkyV rôznych častiach vaskulatúry sú prítomné rôzne adenozínové receptory¹⁸⁹a extracelulárny ATP a adenozín zohrávajú kľúčovú úlohu pri regulácii renálnej hemodynamiky a mikrocirkulácie^185,190. V dreni sa adenozín produkuje v medulárnom hrubom vzostupnom ramene Henleho slučky (TALH) po oxidačnom strese¹⁹¹a pôsobí ako vazodilatátor, indukuje zvýšenie medulárneho prietoku krvi mechanizmom, ktorý môže zahŕňať DVR mREC¹⁹². Avšak na rozdiel od svojich účinkov vo väčšine iných ciev, adenozínom sprostredkovaná aktivácia receptorov A2a, ktoré sú exprimované najmä v aferentných arteriolách, spúšťa vazokonstrikciu renálnej vaskulatúry, čím potenciálne ovplyvňuje prietok krvi obličkami a glomerulárnu filtráciu^185,193. Je potrebné poznamenať, že bola identifikovaná úloha purinergných receptorov v progresii CKD¹⁹⁴.