Časť 2 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

Kliknite sem pre časť 1

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 kontexteobličkyzraneniea choroby, čiastočne v dôsledku zmien v mikroprostredí.

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

Cistanche tubulosa zabraňuje ochoreniu obličiek, kliknite sem a získajte vzorku

Reakcie REC na zmeny v šmykovom napätí EC sú neustále vystavené sile natiahnutia vyvolanej pulzáciou prietoku krvi a trecej sily rovnobežnej so stenou cievy, šmykového napätia tekutiny¹⁹⁵. Tieto bunky sú vybavené na snímanie týchto síl a na ich premenu na biochemické signály, ktoré môžu ovplyvniť homeostázu ciev reguláciou cievneho tonusu a prestavbou EC, ktorá upravuje prietok krvi tak, aby spĺňal požiadavky tkaniva195. Je zaujímavé, že EC z rôznych častí vaskulárneho lôžka sú vystavené špecifickým typom prietoku a zodpovedajúcim spôsobom reagujú195 (obr. 5a). V artériách a arteriolách je prietok krvi vysoko pulzačný, zatiaľ čo v kapilárach má podobnú veľkosť, ale menej pulzuje, a vo venulách a žilách je prietok krvi asi trikrát až desaťkrát nižší a pulzatilita je minimálna195. Vobličky, the vasculature of the cortex receives >94 percent prietoku krvi obličkami¹⁹⁶čo naznačuje, že medulárna vaskulatúra je vystavená relatívne nízkemu šmykovému namáhaniu. Na rozdiel od toho sú gREC vystavené relatívne vysokému šmykovému napätiu (odhaduje sa od 1 dyn/cm2 až po 95 dyn/cm2), v dôsledku vysokého prietoku krvi a tlaku v kombinácii so zvýšenou viskozitou krvi v dôsledku filtrácie. proces197 (obr. 5b). Vystavenie gREC šmykovému stresu je kritické, pretože zabraňuje agregácii krvných doštičiek, čiastočne tým, že indukuje konformačné rozvinutie krvného glykoproteínu von Willebrandovho faktora (vWF), čo zvyšuje jeho náchylnosť na štiepenie ADAMTS13 metaloproteázou.^198,199. Dôležitosť tohto javu pre zdravie gREC demonštruje protrombotický fenotyp pozorovaný pri hemolyticko-uremickom syndróme spojenom s toxínom Shiga. Shiga toxín podporuje sekréciu vWF pomocou gREC a tvorbu ultra veľkých multimérov vWF, ktoré sú odolné voči štiepeniu pomocou ADAMTS13 a indukujú trombotickú mikroangiopatiu v glomerulách aobličkymikrovaskulatúra200, čo nakoniec vedie k AKI. Pri trombotickej trombocytopenickej purpure vedie nízka aktivita ADAMTS13 k podobnému výsledku¹⁹⁹.

Dôležitosť šmykového napätia je tiež ilustrovaná vývojom aterosklerotických lézií v renálnych artériách, ktoré môžu viesť k stenóze renálnej artérie – jedinej najväčšej príčine sekundárnej hypertenzie201,202. Tieto lézie sa vyvíjajú v ateroprónových oblastiach v artériách a arteriolách, ktoré sú vystavené nižšiemu laminárnemu šmykovému namáhaniu ako iné oblasti, ako sú oblasti arteriálnej bifurkácie, kde je zvyčajne narušený prietok krvi201 (obr. 5c).

Účinky laminárneho šmykového napätia na EC.Laminárne šmykové napätie indukuje upreguláciu transkripčných faktorov Krüppelovho faktora 2 (KLF2) a KLF4 v EC, čiastočne prostredníctvom uvoľňovania ATP a následnej aktivácie purinergných receptorov P2X4203 a čiastočne prostredníctvom aktivácie signalizácie MEK5–ERK5–MEF2 chodník^204,205(Obr. 5d). Vobličky, Klf2 a Klf4 spolu s cieľovým génom KLF4, Thbd (ktorý kóduje trombomodulín), boli hlásené ako markery gREC odvodených z eferentných arteriol u dospelých myší^10,11(obr. 3b). Umiestnenie týchto markerov reagujúcich na prietok je v súlade so skutočnosťou, že REC umiestnené na bezprostrednom výstupnom mieste glomerulov sú vystavené vysokému laminárnemu šmykovému namáhaniu, ktoré potenciálne súvisí s vysokou viskozitou krvi v tejto oblasti. Upregulácia a aktivácia KLF2 sprostredkúva pokoj EC, charakterizovaný zvýšením expresie VE-kadherínu a -katenínu na pomoc pri udržiavaní tesnej vaskulárnej bariéry206, zarovnanie EC v smere toku207, inhibíciu zápalu a udržiavanie antiaterogénneho fenotypu, upregulácia antioxidantov a zníženie vaskulárneho tonusu sekundárne k endoteliálnej produkcii NO a prostacyklínov208–210 (obr. 5d). Aktivácia KLF2 v gREC ich chránila pred poranením a progresiou ochorenia na zvieracích modeloch CKD^211,212. V súlade s tým je KLF2 upregulovaný v glomerulárnom endoteli v reakcii na šmykový stres in vitro, kde podporuje antikoagulačný a protizápalový fenotyp a spúšťa endotelovo závislý pokles odolnosti podocytovej bariéry, ktorý je potrebný pre správnu funkciu filtrácie204. Zvýšená regulácia gREC KLF2 sekundárne po glomerulárnej hyperfiltrácii poskytla ochranu pred dysfunkciou EC a zmiernila progresiu CKD v modeli jednostrannej nefrektómie212. Naopak, strata endotelového KLF2 zhoršila glomerulárnu hypertrofiu a proteinúriu v modeli streptozotocínom indukovanejdiabetikobličkychoroba²¹¹. Endoteliálny KLF4 je tiež renoprotektívny v AKI213. EC-špecifická strata KLF4 exacerbovala poškodenie obličiek v modeli ischemickej AKI podporou získania EC prozápalového fenotypu²¹³. Je však potrebné poznamenať, že KLF2 a KLF4 majú v endoteli špecifické úlohy214. Napríklad môžu podporovať aktiváciu EC a tvorbu lézií vedúcich k cerebrálnym kavernóznym malformáciám vo vývoji^214,215.

Vystavenie laminárnemu šmykovému namáhaniu znižuje príjem glukózy²¹⁶a stimuluje mitochondriálnu biogenézu v EC^217–219. Aktivácia KLF2 znižuje expresiu PFKFB3 spolu s expresiou iných glykolytických génov, ako je HK2 (ktorý kóduje hexokinázu 2) a PFK1 (ktorý kóduje fosfofruktokinázu 1 (PFK1)), čo má za následok zníženie glykolýzy216 a presun dostupných skorých glykolytických medziproduktov k biosyntetickej dráhe hexozamínu a kyseliny glukurónovej pre syntézu UDP-GlcUA a UDP-GlcNAc, ktoré sú limitnými substrátmi hyalurónansyntázy (HAS2)^{133,220–222}. KLF2 tiež indukuje expresiu a membránovú translokáciu HAS2 a následnú syntézu glykokalyxnej zložky hyaluronanu^133,222. EC vystavené laminárnemu toku teda vykazujú oveľa hrubšiu glykokalyx ako EC vystavené narušenému toku133 (obr. 5d, e). EC-špecifická delécia Has2 má hlboké účinky naobličkyvrátane poškodenia glykokalyxovej štruktúry kapilárnych gREC, narušenia glomerulárnych endotelových fenestrácií40, albuminúrie naznačujúcej dysfunkciu filtračnej bariéry, narušenej signalizácie angiopoetínu 1 závislej od glykokalyxy a abnormálnych štruktúr podocytov v dôsledku abnormálneho presluchu glomerulov EC-podocytov zriedenie kapilár a glomeruloskleróza⁴⁰.

Mitochondriálne dýchanie a tvorba ATP sú tiež zvýšené v EC pri jednosmernom toku v porovnaní s tými, ktoré sú vystavené narušenému toku223, 224. Blokáda tvorby mitochondriálneho ATP inhibuje uvoľňovanie ATP vyvolané šmykovým stresom, zatiaľ čo naopak inhibícia glykolýzy nemá žiadny účinok, čo naznačuje, že mitochondriálne dýchanie EC je potrebné na aktiváciu purinergného receptora, čo zase indukuje expresiu KLF2 v reakcii na šmykový stres^203,218,224. Okrem toho je mitochondriálna biogenéza upregulovaná v reakcii na šmykový stres v dôsledku aktivácie signálnej kaskády SIRT1 – PGC1a – TFAM217, 219, zatiaľ čo expresia antioxidačných génov, ako je hem oxygenáza 1 a glutaredoxín 1, je zvýšená, aby sa chránili EC pred ROS225,226 (obr. 5d). Inhibícia elektrónového transportného reťazca v EC vystavených laminárnemu toku viedla k zápalu EC, čo naznačuje, že mitochondriálne dýchanie zabraňuje aktivácii EC²²³. Vobličky, aktivácia 5-HT1F receptora na stimuláciu mitochondriálnej biogenézy v REC môže znížiť vaskulárnu zriedkavosť a podporiť zotavenie z poranenia, ako sa ukázalo na modeli AKI227.

KLF4 tiež indukuje upreguláciu cholesterol-25-hydroxylázy (CH25H) a pečeňového X receptora po vystavení ateroprotektívnemu pulznému šmykovému namáhaniu²²⁸. CH25H katalyzuje produkciu 25-hydroxycholesterolu, ktorý zabraňuje aktivácii proteínu 2 viažuceho sterolový regulačný element (SREBP2), dôležitého mediátora v odozve EC na narušený prietok krvi (pozri nižšie)229,230. Preto modulácia expresie a aktivácie KLF2 a KLF4 laminárnym šmykovým stresom a ich následné metabolické reakcie môžu mať rozhodujúcu úlohu pri udržiavaní pokoja REC a glomerulárnej filtrácie (obr. 5d).

Účinky narušeného prietoku krvi na EC.EC vystavené narušenému prietoku krvi, ako napríklad v arteriálnych bifurkáciách alebo zakriveniach, sú aktivované a vykazujú prozápalový a aterogénny fenotyp231 (obr. 5e). Aktivácia arteriálnych a aferentných arteriolárnych REC lokalizovaných v takýchto ateroprónových oblastiach by teda mohla podporovať rozvoj aterosklerotickej stenózy renálnej artérie.

Expresia KLF4 je potlačená narušeným prietokom krvi so zvýšenou metyláciou oblasti promótora KLF4, ktorá bráni väzbe MEF2 a následnej transkripcii KLF4²³². Okrem toho mikroRNA (miR){0}}a, ktorá je indukovaná v ateroprónových oblastiach v reakcii na nízky šmykový stres, potláča endoteliálnu expresiu KLF2, KLF4 a SIRT1 a downreguluje fosfatázu kyseliny fosfatidovej typu 2B (PPAP2B)216,233,234. V podmienkach normálneho laminárneho šmykového napätia PPAP2B defosforyluje cirkulujúcu kyselinu lyzofosfatidovú (LPA), čím bráni jej väzbe na LPAR1 receptor, ktorý inak indukuje prozápalovú signalizáciu233 (obr. 5e). Strata endotelu PPAP2B vedie k exacerbovanému lokálnemu a systémovému zápalu spojenému so zvýšením permeability endotelu235. Zúčastňuje sa LPA signalizáciaobličkyochorenia prostredníctvom indukcie ROS, zápalových cytokínov a fibrózy236

Expozícia endotelu nízkemu šmykovému namáhaniu a narušenému toku indukuje expresiu glykolytických enzýmov a pyruvátdehydrogenázovej kinázy 1 (PDK1), čím oddeľuje glykolýzu od mitochondriálneho metabolizmu a znižuje mitochondriálne dýchanie v EC^223,237(obr. 5e). Mechanicky narušený tok indukuje produkciu ROS odvodenej od NAD(P)H oxidázy 4 (NOX4) a aktivuje NF-κB, čo vedie k upregulácii a stabilizácii HIF1 zabránením jeho degradácii.^223,237. Aktivácia dráhy NF-KB bola spojená s aktivitou heparinázy a následnou degradáciou glykokalyx^238.V súlade s týmito zisteniami je aktivácia NF-KB potláčaná chronickým šmykovým stresom v glomerulárnom endoteli239. Aktivácia HIF1 v reakcii na narušený prietok zvyšuje arteriálnu proliferáciu EC a expresiu zápalových markerov, zatiaľ čo inhibícia glykolýzy zabraňuje týmto reakciám223, 237. Okrem toho aktivácia mitochondriálnej oxidačnej fosforylácie zabraňuje prozápalovému fenotypu indukovanému narušeným prietokom v arteriálnych EC²²³.

Poruchy pri nízkom šmykovom napätí tiež indukujú aktiváciu prozápalových transkripčných faktorov YAP a TAZ, zatiaľ čo laminárne šmykové napätie ich inhibuje spôsobom závislým od integrínu^240,241. Aktivácia YAP a TAZ moduluje metabolizmus EC stimuláciou glykolýzy a mitochondriálnej aktivity spôsobom závislým od MYC²⁴²a zvýšením regulácie glutaminolýzy²⁴³. Naopak, glykolytický enzým PFK1 stimuluje aktivitu YAP a TAZ v slučke pozitívnej spätnej väzby244. YAP a TAZ sú mechanoregulátory signálnej dráhy TGF – SMAD vobličky. Ukázalo sa, že podporujú fibrózu obličiek v experimentálnom modeli jednostrannej ureterálnej obštrukcie, hoci úloha REC v tejto fibrotickej odpovedi v dôsledku prechodu endotelu na mezenchým bola nedostatočne preskúmaná.^245,246

Zaujímavé je, že EC vystavené narušenému prietoku krvi tiež vykazujú aktiváciu SREBP2, ktorý upreguluje gény zapojené do syntézy cholesterolu vrátane enzýmu obmedzujúceho rýchlosť mevalonátovej dráhy HMG-CoA reduktázy (obr. 5e) a znižuje eflux cholesterolu^230,247zvýšenie intracelulárnej hladiny cholesterolu v EC^230,247. Je zaujímavé, že inhibícia HMG-CoA reduktázy statínmi indukuje endoteliálne zvýšenie expresie KLF2 a znižuje prozápalovú signalizáciu prostredníctvom NF-KB, HIF1 a YAP-TAZ, čím indukuje odozvu podobnú EC na laminárny tok^241,248,249. Okrem toho aktivácia SREBP2 podporuje transkripciu miR{1}}a, upreguluje expresiu NOX2, čo indukuje produkciu ROS, a zvyšuje expresiu zápalu NLRP3, čo v konečnom dôsledku podporuje endoteliálny zápal a aterosklerózu216,230. SREBP2 teda môže byť jedným z kľúčových faktorov v renálnej arteriálnej a aferentnej arteriolárnej endoteliálnej odpovedi na narušený prietok.

REC reakcie na zmeny osmolarity

Theobličkymôže produkovať moč s veľmi rôznou osmolaritou v závislosti od stavu hydratácie. Protiprúdový multiplikátor Henleho slučky generuje medulárny gradient osmolarity, ktorý je základom mechanizmu koncentrácie moču a určuje konečnú osmolaritu moču. Stručne povedané, TALH - segment tubulov, ktorý je väčšinou nepriepustný pre vodu - aktívne premiestňuje NaCl z filtrátu do medulárneho interstícia, čím sa vytvára rozdiel osmolality 20 mOsm/kg H2O naprieč vzostupným a zostupným tokom.²⁵⁰ (obr. 6a). Ako osmotická reakcia sa voda reabsorbuje cez tenkú zostupnú Henleho končatinu (TDLH), čím sa zvyšuje osmolarita filtrátu250. Ako tento filtrát postupuje z TDLH do TALH, aktívna reabsorpcia NaCl pomocou TALH obnovuje rozdiel osmolality 20 mOsm/kg H2O medzi TALH a interstíciom, čím sa ďalej zvyšuje osmolarita medulárneho interstícia250. Násobenie týchto malých rozdielov osmolality medzi protiprúdovými tokmi vedie k veľkému kortikomedulárnemu gradientu osmolality (protiprúdový multiplikátor)²⁵⁰. Na úrovni vasa recta dochádza k odtoku vody uľahčovanému akvaporínmi súbežne s reabsorpciou močoviny a NaCl v DVR, čo je spôsobené rozdielom medzi osmolaritou krvi a medulárnou osmolaritou, čo vedie k zvýšenej osmolarite krvi smerom k papile.²⁵⁰(obr. 6a). Naproti tomu vysoko fenestrovaný AVR reabsorbuje medulárnu vodu a uvoľňuje NaCl do interstícia, pretože krv prichádzajúca z papily má vyššiu osmolaritu ako medulárne interstícium.²⁵⁰(obr. 6a). Táto protiprúdová výmena medzi DVR a AVR udržuje medulárny gradient osmolarity vytvorený protiprúdovým multiplikačným systémom (obr. 6a). Vysoká osmolarita drene je tiež udržiavaná zbernými kanálikmi, ktoré aktívne exportujú močovinu do vnútorného medulárneho interstícia, zatiaľ čo moč koncentrujú podľa gradientu dreňovej osmolarity prostredníctvom transportu vody uľahčeného akvaporínom. V dôsledku toho sú medulárne bunky vrátane mREC vystavené extrémnym úrovniam hyperosmolarity, najmä v podmienkach dehydratácie, kedy osmolalita môže u ľudí vzrásť až na 1 400 mOsm/kg.²⁵⁰(obr. 6a). Ako je uvedené nižšie, dostupné dôkazy naznačujú, že mREC sa prispôsobili týmto extrémnym podmienkam aktiváciou ochranných mechanizmov a vyvinutím špecifického metabolického profilu10. Je potrebné poznamenať, že iné (R)EC môžu byť vystavené hyperosmolárnym stavom v dôsledku hyperglykémie v kontexte diabetes mellitus²⁵¹.

Reakcia EC na podmienky hyperosmolarity bola nedostatočne preskúmaná, pričom väčšina výskumu v tejto oblasti sa zameriavala na renálne epiteliálne bunky, v ktorých hyperosmolarita spúšťa zastavenie bunkového cyklu, produkciu ROS a poškodenie DNA.²⁵². Konkrétne je epiteliálna odpoveď na hyperosmolaritu charakterizovaná reorganizáciou cytoskeletálneho aktínu prostredníctvom procesu závislého od integrínov a rodiny Rho GTPáz253, aktivácie Na plus kanálov NHE4 (ref. 254), NKCC1 a NKCC2 (ref. 255 ) a výsledný prítok iónov Na plus na udržanie objemu buniek. Tieto reakcie spúšťajú expresiu proteínov tepelného šoku, aby sa zachovalo správne skladanie proteínov a aktivácia transkripčného faktora TonEBP citlivého na hyperosmolaritu (tiež známeho ako NFAT5); v podmienkach predĺženej hyperosmolarity, ako napríklad v papile, tieto reakcie nakoniec vedú k akumulácii inertných organických osmolytov²⁵².

Dôkazy zo štúdie transkriptómu u myší vystavených nedostatku vody naznačujú, že podobný proces sa vyskytuje v renálnom medulárnom endoteli10 (obr. 6b). Tieto mREC demonštrujú zvýšenú expresiu génov súvisiacich s glykolytickými a oxidačnými fosforylačnými dráhami10 (obr. 6b). Okrem toho analýzy transkriptómu naznačili, že tieto bunky využívajú enzymatické a transportné procesy, aby pomohli akumulácii inertných organických osmolytov – ako sú deriváty cukrov, polyoly (najmä sorbitol, ktorý je odvodený z polyolovej dráhy a myo-inozitol, ktorý môže byť prijímané alebo syntetizované z glykolytických medziproduktov), ​​aminokyselín (najmä taurínu) a prípadne metylamínov, ako je betaín a glycerofosfocholín – aby sa vyrovnala osmolarita medzi intracelulárnym a extracelulárnym kompartmentom10 (obr. 6b). Po dlhšom nedostatku vody mREC tiež upregulujú Na plus/K plus ATPázu, pravdepodobne na obmedzenie intracelulárnej akumulácie Na plus (obr. 6b). V tomto prostredí by oxidatívna fosforylácia, ktorá poskytuje 32 molekúl ATP na molekulu glukózy, predstavovala efektívnejšiu stratégiu ako anaeróbna glykolýza, ktorá uvoľňuje iba dve molekuly ATP na molekulu glukózy, aby sa udržala vyššia aktivita Na plus / K plus ATPázy. Okrem toho niektoré medziprodukty glykolýzy, ktoré sa akumulujú v EC vystavených hyperosmolárnym podmienkam, sa pravdepodobne odchýlia od svojho glykolytického osudu a vstúpia do dráh syntézy osmolytov, najmä polyoly, sorbitol a myo-inozitol¹⁰. Spoločne by tieto metabolické adaptácie mREC na zmeny osmolarity umožnili ich prežitie v extrémnych hyperosmolárnych prostrediach a umožnili by im udržaťobličkyfunkciu^10,256.

EC adaptácia v tkanivovej homeostáze

EC sú inštruované signalizáciou angiogénneho rastového faktora z podporných buniek, ako sú pericyty, epitelové bunky a podocyty. Naopak, endotel dáva pokyn svojim priamym susedným bunkám prostredníctvom autokrinnej signalizácie.

REC vystavenie angiogénnym faktorom

Aj keď sú EC za fyziologických podmienok v dospelosti považované za pokojové, jedným z najzaujímavejších zistení získaných z dostupných jednobunkových štúdií RNA-seq na REC je prítomnosť niektorých typických angiogénnych EC vobličkykôra a dreň u zdravých dospelých myší6,10. Tieto REC sa vyznačujú genetickým programom podobným programu angiogénnych migrujúcich EC (známych aj ako hrotové bunky) (obr. 7a). Tieto bunky sú pravdepodobne vystavené angiogénnym rastovým faktorom a môžu prispievať k vaskulárnej regenerácii vo vaskulatúre dospelých, hoci ich úloha je stále neznáma. Bunky v obličkách môžu produkovať angiogénne rastové faktory buď konštitutívnym spôsobom (napríklad v prípade VEGFA odvodeného z podocytov) alebo ako odpoveď na zmeny v podmienkach mikroprostredia, ako je hypoxia, oxidačný stres, šmykový stres alebo zápal. Angiogénne rastové faktory riadia vaskularizáciu glomerulov a tubulov počasobličkyvývoj v procese, ktorý závisí najmä od spolupráce klíčenia a intususceptívnej angiogenézy257 (obr. 7a,b). Napríklad angiopoetíny a ich príbuzný endoteliálny receptor Tie2 podporujú lymfangiogenézu a sú rozhodujúce pre rozvoj AVR u myších embryí a sú nevyhnutné pre schopnosť koncentrácie moču30. Signalizácia VEGF je tiež potrebná pre správny vývoj glomerulárnej architektúry. Napríklad protilátkou sprostredkovaná neutralizácia VEGF u novorodených myší zhoršuje tvorbu ciev v povrchovej obličkovej kôre a glomeruloch a v konečnom dôsledku zhoršuje vývoj nefrónov258, zatiaľ čo postnatálna delécia VEGFR2 poškodzuje glomerulárny endotel48. Okrem toho strata VEGFA derivovaného z podocytov zabraňuje glomerulárnej vaskularizácii a vedie k perinatálnej smrti, zatiaľ čo heterozygotná strata Vegfa vedie k glomerulárnym endotelínom a proteinúrii49. VEGF odvodený z podocytov je preto kritickým podnetom na vytvorenie glomerulárneho endotelu a jeho udržanie v dospelosti257. Podobne VEGFA odvodená z tubulárnych epitelových buniek je potrebná na vývoj a udržiavanie peritubulárnych kapilár⁵⁰.

Rovnako ako pri aktivácii endotelu pri imunitnej aktivácii, fyziologická odpoveď REC na angiogénnu signalizáciu sa môže stať dysregulovanou pri chorobných stavoch²⁵⁹. Napríklad dysregulovaná angiogenéza sa pozoruje u odmietnutýchobličkyaloštepy²⁶⁰. Okrem toho strata angiogénnych faktorov, hlavne VEGF, sa podieľa na strate kapilár po AKI261; naopak, upregulácia VEGF sa zlepšujeobličkya podávanie VEGF znižuje kapilárnu vzácnosť v kontexte ischemicko-reperfúzneho poškodenia^262,263. Experimentálne a klinické dôkazy naznačujú, že pri CKD je narušená rovnováha medzi proangiogénnymi a antiangiogénnymi faktormi^259,264. Hoci CKD je charakterizované riedením peritubulárnych kapilár, čo podporujeobličkyhypoxia, zabraňuje rediferenciácii regenerujúcich sa tubulov a je pravdepodobné, že je spojená s prechodom endotelu na mezenchým, ktorý prispieva k fibróze obličiek, proangiogénna signalizácia v kapilárnych gREC podporuje narušenie filtračnej bariéry259. Napríklad dôkazy zo zvieracích modelov naznačujú, že v skorých fázach diabetickej obličkovej choroby glomerulárny endotel a EC nachádzajúce sa v blízkosti glomerulu podliehajú abnormálnej angiogenéze sprostredkovanej VEGF; blokáda angiogenézy v týchto modeloch zlepšuje funkciu obličiek²⁶⁵.

Zatiaľ čo o raste intususceptívnych ciev je málo známe, angiogenéza klíčenia bola intenzívne charakterizovaná1. Proces klíčenia je riadený aktiváciou EC povrchových receptorov a downstream signálnych dráh angiogénnymi rastovými faktormi a objavením sa dvoch hlavných angiogénnych EC fenotypov – proliferujúcich EC (známych aj ako stonkové bunky) a migrujúcich EC (známych aj ako hrotové bunky); podrobne popísané inde^1,266,267). Na metabolickej úrovni má každý angiogénny typ EC špecifické potreby (nároky na energiu a biomasu) podľa ich proliferatívnych alebo migračných fenotypov a podľa toho prispôsobuje svoj metabolizmus144 (box 1). Zostáva určiť, či angiogénne REC, identifikované jednobunkovými štúdiami RNA-seq u zdravých dospelých myší, vykazujú fenotypovú a metabolickú aktivitu podobnú tej, ktorú majú tipové bunky. Okrem toho potenciálna schopnosť metabolických stratégií, ako je metabolická suplementácia, podporovať angiogenézu alebo lymfangiogenézu preobličkyoprava a regenerácia si tiež vyžaduje ďalšie skúmanie.

Angiokrinná signalizácia v obličkách

EC tiež priamo inštruujú svoje susedné bunky prostredníctvom uvoľňovania rastových faktorov a cytokínov a expresie adhéznych molekúl268. Vobličkyvaskulatúra vytvára medzeru, ktorá podporuje rozvoj a udržiavanieobličkyštruktúra a funkcia4,11. Priamy dôkaz tohto konceptu poskytujú štúdie indukovaných pluripotentných obličkových organoidov odvodených z kmeňových buniek, v ktorých je možné vyvolať dozrievanie glomerulárnych a tubulárnych štruktúr podporou vaskularizácie a prietoku krvi prostredníctvom transplantácie organoidu pod obličkové puzdro myší269. Okrem toho narušenie glomerulárneho endotelu v obličkách embryonálnych myší zabraňuje dozrievaniu podocytov, najmä akvizícii výbežkov chodidiel a štrbinových membrán⁴⁹. Je zaujímavé, že vaskulatúra obličiek vo vývoji aj v dospelosti preukazuje priestorové rozdiely v expresii endokrinných faktorov. Zdá sa, že počas vývoja glomerulu matricová metaloproteináza 2 odvodená od EC reguluje interakciu EC s podocytmi pre glomerulárne zostavenie²⁷⁰, zatiaľ čo expresia PDGFB stimuluje nábor mezangiálnych buniek^271,272. Vyvíjajúci sa glomerulárny endotel tiež exprimuje gény rastových faktorov, ako sú Fgf1 a Vegfa, Notch ligand DII4, neurónový vodiaci prvok Sema5a a antagonista Wnt Dkk2 (odkazy 4, 11); Dkk2 je tiež obohatený o aferentné arteriolové gREC, ktoré sú spojené s JGA v dospelosti10. Vyvíjajúce sa renálne artérie a arterioly tiež exprimujú rastové faktory, vrátane Pdgfb, Tgfb2 a Ltbp4 (odkaz 11); expresia Tgfb2 a Ltbp4 zostáva v dospelosti obohatená o rovnaké podskupiny REC10. Je pozoruhodné, že signalizačný systém rastového faktora podobného inzulínu vykazuje v dospelosti jasnú zonáciuobličkyvaskulatúra: Igf1 je exprimovaný hlavne vobličkymedulla pomocou RECs AVR v papile, Igfbp7 sa považuje za široký marker mREC, Igfbp4 sa nachádza v aferentných arteriolárnych gREC, Igfbp3 je väčšinou exprimovaný peritubulárnymi kapilárnymi cREC a Igfbp5 je obohatený v kortikálnych peritubulárnych a glomerulárnych glomerulároch1010 Mnoho ďalších endokrinných faktorov tiež vykazuje heterogénnu expresiu medzi rôznymi fenotypmi EC v obličkách dospelých myší10. Ich úlohy pri údržbeobličkytkaniva a funkcií ešte treba preskúmať.

Angiokrinná signalizácia je tiež rozhodujúca pre reparačné procesy po poškodení obličiek. Napríklad REC môžu prispieť k obnove obličiek po AKI reguláciou zápalových reakcií alebo poskytovaním protubulogénnych signálov²⁷³. V kokultúrach bunky renálneho proximálneho tubulu stimulujú REC, aby exprimovali množstvo angiokrinných faktorov, vrátane VEGF, TGF, jeho antagonistu 2-makroglobulínu a hepatocytového rastového faktora, čo zase podporuje prežitie, proliferáciu a diferenciáciu proximálneho tubulu bunky274. Je pravdepodobné, že zriedenie kapilár indukuje procesy „chronického poškodenia – dysregulovanej opravy“, ktoré vedú k zhoršenej regenerácii epitelu, strate nefrónov a prozápalovým a fibrotickým signálom, pravdepodobne v dôsledku nedostatočných angiokrinných signálov273. Na podporu tejto hypotézy sú dôkazy preukazujúce, že extrakty endotelových progenitorových buniek majú renoprotektívnu aktivitu na zvieracích modeloch AKI tým, že zabraňujú strate kapilár a znižujú fibrózu, pričom endokrinné faktory, ako je inhibičný faktor leukémie, zabraňujú a zvrátia prechod fibroblastov na myofibroblasty²⁷⁵.

Je potrebné ďalšie skúmanie fyziologických a patologických mikroprostredí, ktoré formujú endokrinné profily REC. Okrem toho je potrebné určiť mechanizmy, ktorými sa metabolické procesy REC spájajú s týmito odlišnými endokrinnými podpismi. Je zaujímavé, že štúdia z roku 2020 opísala komunikáciu endokrinných metabolitov pri regenerácii svalov po ischémii. Táto štúdia preukázala, že laktát odvodený od EC indukuje makrofágy, aby prijali proregeneračný fenotyp podobný M2-, čo vyvolalo otázku, či by sa podobný mechanizmus mohol vyskytnúť vobličkyna podporu regenerácie po ischemických inzultoch²⁷⁶.

Závery

Cievny systém cicavcov sa dlho považoval za pasívne potrubie na dodávanie kyslíka a živín do rôznych orgánov, ako aj na odstraňovanie odpadu, pričom endotel slúži ako bariéra medzi krvou a tkanivom. Táto paradigma už neplatí, pretože intenzívny výskum v vaskulárnej oblasti odhalil aktívnu úlohu endotelu nielen pri regulácii vazotónu a zápalu, ale aj pri dozrievaní orgánov prostredníctvom produkcie endokrinných mediátorov, imunity a funkcie orgánov. Dôležitosť EC pre tieto procesy dokazuje skutočnosť, že každý orgán ťaží z jedinečného endotelu, prispôsobeného jeho špecifickým potrebám a formovaného bunkovým a nebunkovým mikroprostredím.

Endotel vobličkyje jedinečný pre tento orgán a vykazuje obrovskú heterogenitu na udržanie viacerých aktivít obličiek pri homeostáze tekutín a krvného tlaku. Dôležité je, že dysfunkcia REC nie je spojená len s ochorením obličiek, ale môže viesť k progresii ochorenia, pričom identifikuje endotel obličiek ako relevantný terapeutický cieľ. V poslednom desaťročí rozsiahle analýzy odhalili, že metabolizmus EC je prísne regulovaný na bunkovej a subcelulárnej úrovni a že rôzne fenotypy EC vykazujú jedinečné metabolické profily. Plasticita metabolizmu EC poskytuje mechanizmus na organizáciu fenotypového správania EC, čo umožňuje EC aktívne reagovať na zmeny v ich mikroprostredí, ale tiež poskytuje potenciálnu príležitosť na terapeutické zacielenie. Napríklad inhibícia endotelového PFKFB3 v nádorových EC normalizovaných glykolytický tok a zlepšené dozrievanie ciev sú spojené so zníženou aktiváciou endotelu a utiahnutím endotelovej bariéry²⁷⁷. Okrem toho suplementácia EC s prekurzorom acetyl-CoA, acetátom, podporuje (lymfa)angiogenézu in vitro a in vivo^278–280. Špecifické diéty môžu tiež ponúknuť nové terapeutické možnosti: štúdia z roku 2019 preukázala, že ketogénna diéta podporuje lymfangiogenézu zvýšením zásoby acetyl-CoA v LEC a znížením lymfedému na zvieracom modeli.²⁸¹

Podobne vobličkyPredpokladá sa, že fenotypová heterogenita REC je poháňaná metabolickými adaptáciami na bunkové potreby a signálmi z mikroprostredia v zdraví aj chorobe. Metabolické zacielenie endotelovej dysfunkcie, ako aj angiogenéza a lymfangiogenéza, sú potenciálne stratégie na zlepšenie funkcie obličiek v kontexte ochorenia obličiek. Organoidy obličiek boli navrhnuté ako regeneračný prístup, ktorý treba nahradiťobličkyich funkciu, ale ich nedostatok rozvinutej vaskulatúry je hlavným obmedzením^282–284. Stratégie (vrátane metabolických stratégií) na stimuláciuobličkyvaskularizácia organoidov a podpora dozrievania EC môžu podporiť dozrievanie týchto organoidov a v konečnom dôsledku uľahčiť ich terapeutické použitie²⁶⁹. Napriek potrebe ďalšieho skúmania špecifík endotelu obličiek dostupné dôkazy podporujú kľúčovú úlohu týchto buniek vobličkyfyziologických procesov a naznačuje, že (metabolické) zacielenie na REC by mohlo byť veľmi prospešnou stratégiou na podporu obnovy a regenerácie obličiek.

1. Carmeliet, P. & Jain, RK Molekulárne mechanizmy a klinické aplikácie angiogenézy. Nature 473, 298–307 (2011).

2. Wong, BW, Zecchin, A., Garcia-Caballero, M. & Carmeliet, P. Vznikajúce koncepty v orgánovo špecifických lymfatických cievach a metabolická regulácia vývoja lymfy. Dev. Cela 45, 289-301 (2018).

3. Marcu, R. a kol. Heterogenita endotelových buniek špecifická pre ľudské orgány. iScience 4, 20–35 (2018).

4. Nolan, DJ a spol. Molekulárne podpisy tkanivovo špecifickej heterogenity mikrovaskulárnych endotelových buniek pri udržiavaní a regenerácii orgánov. Dev. Cela 26, 204-219 (2013).

5. Augustin, HG & Koh, GY Organotypová vaskulatúra: od deskriptívnej heterogenity k funkčnej patofyziológii. Science 357, eaal2379 (2017).

6. Kalucka, J. a kol. Jednobunkový transkriptómový atlas myších endotelových buniek. Cela 180, 764–779.e20(2020).

7. Herzlinger, D. & Hurtado, R. Vzorovanie renálneho cievneho riečiska. Semin. Cell Dev. Biol. 36, 50 – 56 (2014).

8. Jourde-Chiche, N. a kol. Štruktúra a funkcia endotelu pri zdraví a chorobe obličiek. Nat. Nephrol. 15, 87 – 108 (2019).

9. Molema, G. & Aird, WC Cievna heterogenita v obličkách. Semin. Nephrol. 32, 145 – 155 (2012).

10. Dumas, SJ a kol. Jednobunkové sekvenovanie RNA odhaľuje heterogenitu renálneho endotelu a metabolickú adaptáciu na nedostatok vody. J. Am. Soc. Nephrol. 31, 118 – 138 (2020).

11. Barry, DM a kol. Molekulárne determinanty vaskulárnej špecializácie nefrónov v obličkách. Nat. komun. 10, 5705 (2019).

12. Jang, C. a kol. Výmena metabolitov medzi orgánmi cicavcov kvantifikovaná u ošípaných. Cell Metab. 30, 594–606.e3 (2019).

13. Wong, BW, Marsch, E., Treps, L., Baes, M. & Carmeliet, P. Metabolizmus endotelových buniek v zdraví a chorobe: vplyv hypoxie. EMBO J. 36, 2187–2203 (2017).

14. Makris, K. & Spanou, L. Akútne poškodenie obličiek: definícia, patofyziológia a klinické fenotypy. Clin. Biochem. Rev. 37, 85–98 (2016).

15. Levey, AS a kol. Definícia a klasifikácia chronického ochorenia obličiek: stanovisko k ochoreniam obličiek: Zlepšenie globálnych výsledkov (KDIGO). Kidney Int. 67, 2089-2100 (2005).

16. Verma, SK & Molitoris, BA Renálne poškodenie endotelu a mikrovaskulárna dysfunkcia pri akútnom poškodení obličiek. Semin. Nephrol. 35, 96-107 (2015).

17. Goligorsky, MS Patogenéza dysfunkcie endotelových buniek pri chronickom ochorení obličiek: retrospektíva a čo môže priniesť budúcnosť. Kidney Res. Clin. Prax. 34, 76 – 82 (2015).

18. Rosivall, L. & Peti-Peterdi, J. Heterogenita aferentnej arterioly – korelácie medzi morfológiou a funkciou. Nephrol. Vytočiť. Transpl. 21, 2703 – 2707 (2006).

19. Guerci, P., Ergin, B. & Ince, C. Makro- a mikrocirkulácia obličiek. Najlepšia prax. Res. Clin. Anesthesiol. 31, 315 – 329 (2017).

20. Wang, K. & Kestenbaum, B. Proximálny tubulárny sekrečný klírens: zanedbávaný partner funkcie obličiek. Clin. J. Am. Soc. Nephrol. 13, 1291 – 1296 (2018).