Com reparar i tractar la lesió renal aguda?

Contacte: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Enfocaments multiòmics per a la lesió renal aguda i la reparació

Louisa MS Gerhardt i Andrew P. McMahon

Resum

El ronyó té una capacitat regenerativa notable. En resposta a lesions isquèmiques o tòxiques, les cèl·lules del túbul proximal poden proliferar per reconstruir els túbuls danyats i restaurar la funció renal. No obstant això, greulesió renal aguda(AKI) o AKI recurrent (lesió renal aguda) els esdeveniments poden provocar una reparació inadaptada i una progressió de la malaltia a partir de l'IRA (lesió renal aguda) amalaltia renal crònica(ERC). L'aplicació de tecnologies unicel·lulars ha identificat estats de cèl·lules del túbul proximal lesionats setmanes després de l'AKl (lesió renal aguda), distingit per una signatura molecular senescent proinflamatòria. Els estudis epigenètics han posat de relleu canvis dinàmics en el paisatge de la cromatina del ronyó després de l'IRA (lesió renal aguda)i han descrit factors clau de transcripció relacionats amb l'AKI (lesió renal aguda) resposta. La integració de tecnologies multiòmiques obre noves possibilitats per millorar la nostra comprensió de l'AKI (lesió renal aguda) i les forces impulsores de l'AKl (lesió renal aguda)-a-CKD, amb l'objectiu final de dissenyar estratègies diagnòstiques i terapèutiques a mida per millorar l'IRA (lesió renal aguda) resultats i prevenirmalaltia de ronyóprogressió.

Paraules clau: Lesió renal aguda, Multiòmica, Epigenòmica, seqüenciació d'ARN unicel·lular, seqüenciació ATAC.

Introducció

Lesió renal aguda(AKI), diagnosticada per un augment sobtat de la creatinina sèrica i/o una disminució del volum d'orina, és una condició altament prevalent associada a un augment de la morbiditat i mortalitat, així com uns costos sanitaris significatius [1e4]. Per exemple, l'evidència actual suggereix que almenys el 25 per cent de tots els pacients hospitalitzats amb COVID-19 desenvolupen AKI (lesió renal aguda) i que aquests pacients tenen un risc de mortalitat significativament més elevat que els pacients amb COVID-19 sense AKI (lesió renal aguda) [5]. Pacients que sobreviuen a AKI (lesió renal aguda) tenen un major risc de transició a la malaltia renal crònica i terminal [3,4,6]. Segons l'informe anual del Sistema de dades renals dels EUA de 2018, només el 52,6 per cent dels pacients hospitalitzats d'Afers Veterans que van complir l'AKI (lesió renal aguda)criteris de diagnòstic, se'ls va donar el diagnòstic AKI (lesió renal aguda), demanant més conscienciació sobre AKI (lesió renal aguda) a les rutines hospitalàries [7]. A més, un diagnòstic precoç d'IRA (lesió renal aguda)està limitat per la manca de biomarcadors sensibles i les opcions de tractament disponibles per a l'IRA (lesió renal aguda) continuen confiant en l'optimització hemodinàmica, l'evitació de la nefrotoxicitat i la teràpia de substitució renal.

Les cèl·lules dels túbuls proximals, el tipus cel·lular més abundant al ronyó, són les responsables d'una gran part de la reabsorció de líquids renals i soluts i s'han convertit en els principals actors de les respostes adaptatives i inadaptades a l'IRA.lesió renal aguda) [8]. A causa de la seva alta activitat metabòlica i dependència del metabolisme oxidatiu, la isquèmia condueix ràpidament a l'esgotament d'ATP, acumulació d'espècies reactives d'oxigen i, finalment, apoptosi o necrosi de les cèl·lules del túbul proximal (figura 1). Les cèl·lules dels túbuls proximals que sobreviuen a un esdeveniment isquèmic tenen la capacitat de desdiferenciar, proliferar i reconstruir els túbuls danyats, jugant així un paper essencial en el procés de reparació adaptativa per restaurar la funció renal [9-11]. Tanmateix, les cèl·lules del túbul proximal inadaptades, caracteritzades per un fenotip proinflamatori i profibròtic, també s'han implicat en la progressió de la malaltia a partir de l'IRA (lesió renal aguda) a la malaltia renal crònica (ERC), un procés complex que implica inflamació, rarefacció vascular i producció de matriu extracel·lular per pericits i miofibroblasts activats (Figura 1)[8,12]. Les tecnologies òmiques que examinen l'organització genòmica, l'expressió gènica i els productes proteics, com ara l'assaig de cromatina accessible a la transposasa mitjançant la seqüenciació (ATAC-seq), la seqüenciació d'ARNm i l'espectrometria de masses, respectivament, han millorat dràsticament la visió molecular de les respostes cel·lulars iniciades per AKI.lesió renal aguda). Més recentment, les aplicacions unicel·lulars d'aquests enfocaments han permès l'estudi d'esdeveniments cel·lulars a una resolució sense precedents. Aquests i altres enfocaments multiòmics prometen una comprensió integral dels mecanismes reguladors que regeixen la malaltia renal, obrint noves vies per al descobriment de biomarcadors i fàrmacs. Aquest manuscrit revisa les troballes recents aplicant la tecnologia òmicalesió renali reparar i considera aplicacions futures dels enfocaments multiòmics per avançar en la comprensió i el tractamentlesió renalimalaltia de ronyó.

Figura 1:Visió general d'AKI i processos.

Les cèl·lules dels túbuls proximals són altament susceptibles a la isquèmia, la qual cosa pot provocar la mort cel·lular mitjançant apoptosi i regulada (piroptosi, ferroptosi, necroptosi), així com la necrosi no regulada i la desaparició de cèl·lules mortes i viables al lumen tubular. Les cèl·lules del túbul proximal (PTC) supervivents poden desdiferenciar-se i proliferar per restaurar l'arquitectura i la funció renal; tanmateix, una reparació inadaptada també pot conduir a la progressió de la malaltia a la malaltia renal crònica (ERC). Aquest procés es caracteritza per la rareficació vascular, la diferenciació de pericits a miofibroblasts, la deposició millorada de la matriu extracel·lular fibrosa (ECM), la pèrdua tubular i la inflamació crònica. Nfkb1 més els PTC de reparació fallida, caracteritzats per un fenotip secretor associat a la senescència (SASP), probablement tenen un paper important en l'AKI. (lesió renal aguda)Transició a ERC.

Genòmica

Els estudis genòmics tenen com a objectiu identificar la base genètica de la malaltia mitjançant la seqüenciació dirigida a hipòtesis de gens candidats o la seqüenciació del genoma sencer sense hipòtesis. Aquí, ens centrarem en els estudis d'associació a tot el genoma (GWAS) que utilitzen un enfocament imparcial per mapar variants de seqüències de tot el genoma a característiques fenotípiques com ara trets de malaltia i permeten la identificació de gens candidats per a estudis mecanicistes (figura 2). En comparació amb altres trets de la malaltia, el nombre disponible de GWAS que interroga el fons genètic de l'AKI (lesió renal aguda) és escassa. Això es deu en part a la naturalesa complexa i heterogènia de l'AKI (lesió renal aguda) com a tret de la malaltia. AKI (lesió renal aguda) pot ser causada per multitud de factors diferents com la isquèmia, la sèpsia, els fàrmacs nefrotòxics i la nefropatia obstructiva. L'evidència actual suggereix que els mecanismes moleculars i cel·lulars subjacents de l'AKI (lesió renal aguda) tenen components específics de la causa [13,14], però la definició consensuada d'AKI (lesió renal aguda) - un canvi en la creatinina sèrica i la producció d'orina - no té en compte diferents AKI (lesió renal aguda) causes.

S'il·lustra (a dalt a l'esquerra) un flux de treball simplificat per a un estudi d'associació a tot el genoma (GWAS). Per estudiar una associació entre variants genètiques i un tret específic, es realitza una seqüenciació o genotipat de genoma sencer mitjançant matrius de polimorfisme d'un sol nucleòtid (SNP) en una població i s'utilitzen proves d'associació estadística per identificar els SNP associats al tret d'interès. Per a la seqüenciació d'ARN unicel·lular (a dalt a la dreta), es prepara una suspensió unicel·lular, s'aïllen cèl·lules individuals i les molècules d'ARNm de la cèl·lula (o nucli) es capturen en perles per a les posteriors conversions en ADNc. L'ADNc s'amplifica i les seqüències es determinen mitjançant la seqüenciació de nova generació (NGS) i el mapeig de seqüències al genoma. Per a l'anàlisi epigenòmica (a la part inferior dreta), un assaig per a la cromatina accessible a la transposasa (ATAC) és seguit de NGS i mapes de seqüències per visualitzar l'accessibilitat de la cromatina a tot el genoma. La transposasa hiperactiva Tn5 (Tn5) s'utilitza per escindir específicament llocs de cromatina oberta i inserir simultàniament adaptadors de seqüenciació per a NGS. Les regions amb una major accessibilitat de la cromatina es mostren com a pics ATAC. Per a l'anàlisi de proteòmica mitjançant espectrometria de masses (a baix a l'esquerra), les proteïnes s'extreuen, es digereixen en pèptids i s'ionitzen. A l'espectròmetre de masses, els ions s'acceleren, se sotmeten a un camp magnètic i es mesura la seva relació massa-càrrega, permetent la identificació i quantificació de proteïnes.

Fins ara, dos GWAS més grans van interrogar els antecedents genètics d'AKI (lesió renal aguda). El primer estudi va mostrar una associació de polimorfismes nuclears únics (SNP) en el GRM7 LMCD1-AS1 i el locus BBS9 amb AKI relacionada amb la cirurgia d'empelt de bypass coronari (lesió renal aguda) en una cohort de descobriment de 873 pacients i una cohort de replicació [15]. El segon va combinar pacients de dues cohorts diferents per formar una població descoberta de 1429 pacients crítics i va identificar quatre AKI (lesió renal agudaSNPs associats ) molt a prop del factor regulador de l'interferó 2 (IRF2) o del factor de transcripció T-box 1 (TBX1) [16]. Curiosament, IRF2 s'ha relacionat amb la piroptosi i té un paper regulador en el sistema immunitari [17,18] i TBX1 forma part de la família de gens de la caixa T, un grup de factors de transcripció amb papers importants en el destí cel·lular i la regulació de l'estat cel·lular [19] ]. Tanmateix, l'associació entre AKI (lesió renal aguda) i aquests loci no es van poder reproduir en una cohort prospectiva de pacients crítics, que van ser genotipats específicament per als SNP identificats [20]. Això subratlla la necessitat de mides de mostra encara més grans per al futur AKI (lesió renal aguda) GWAS i il·lustra la dificultat d'identificar factors de risc genètics robusts per a malalties heterogènies com l'IRA (lesió renal aguda).

A més, les anàlisis de loci de trets quantitatius d'expressió (eQTL) probablement ajudaran a traduir els coneixements obtinguts per GWAS als mecanismes de la malaltia. Les anàlisis OTL tenen com a objectiu identificar els loci que expliquen una fracció de la variància de l'expressió gènica al teixit i que es poden utilitzar per enllaçar SNPs del genoma no codificant a l'expressió gènica. Per exemple, un enfocament integrador que combina GWAS, eOTL i experiments funcionals va conduir a la identificació de gens implicats en la patogènesi de la CKD [21-23].

Figura 2:Esquema de les tecnologies òmiques seleccionades.

Transcriptòmica

L'arribada de noves tecnologies escalables per estudiar el transcriptoma de cèl·lules dins del ronyó lesionat ha revolucionat la nostra comprensió de les respostes cel·lulars a l'AKI (lesió renal aguda), descobrint nous estats cel·lulars i destacant el paisatge transcripcional que canvia dinàmicament del ronyó reparador. Seqüenciació de l'ARNm a granel del ronyó al llarg d'un any després de l'AKI (lesió renal aguda) van demostrar canvis en l'expressió gènica temporal específics relacionats amb lesions tubulars, proliferació, reparació, fibrosi i immunitat [24]. Aquest ratolí AKI (lesió renal agudaLes dades del biobanc van mostrar que els gens associats a la inflamació encara estaven regulats un any després de l'AKI (lesió renal aguda), cosa que suggereix una inflamació persistent com a factor impulsor de la progressió de la malaltia cap a la CKD. La seqüenciació d'ARNm a granel de biòpsies rutinàries de trasplantament de ronyó va permetre perfilar els canvis transcripcionals a curt i llarg termini en els trasplantaments de ronyó humà provocats per la lesió d'isquèmia/reperfusió (IRI) durant el trasplantament [25]. Totes les biòpsies renals es van prendre en les primeres hores després de la reperfusió mostraven un perfil transcripcional similar caracteritzat per l'activació de gens de resposta immediata a primerenca, molts dels quals codifiquen factors reguladors de la transcripció.

Als 3 i 12 mesos després del trasplantament, però, es podrien delimitar dues trajectòries divergents associades amb la recuperació o la progressió a la CKD. La trajectòria semblant a la CKD va mostrar una regulació a la baixa en l'expressió de gens relacionats amb la biogènesi mitocondrial i una regulació positiva dels gens associats a la inflamació i la fibrosi, tal com s'observa en el model de ratolí d'AKI (lesió renal aguda) [24,25]. Tant els estudis en ratolí com en humans suggereixen un paper destacat per a l'activitat de les cèl·lules T i B i l'aparició de centres de teixit limfoide terciari en els resultats a llarg termini de l'IRA.lesió renal aguda) [25,26]. Anàlisi de l'AKI del ratolí (lesió renal aguda) els conjunts de dades de trasplantament de ronyó humà i de biobanc argumenten una activitat de cèl·lules B impulsada per auto-antigen, que promou la progressió de la malaltia mitjançant una resposta immune sostinguda, un any després de l'AKI. (lesió renal aguda) [27].

Tot i que la seqüenciació d'ARNm a granel ha demostrat ser molt informativa en AKI (lesió renal aguda), les respostes específiques del tipus cel·lular no es diferencien amb aquesta tècnica. Els enfocaments genètics per etiquetar diferents tipus de cèl·lules afegeixen una major precisió i una visió addicional. Per exemple, la traducció de la purificació per afinitat del ribosoma (TRAP) utilitza un etiquetatge eGFP de la subunitat ribosòmica L10a per identificar el subconjunt d'ARNm específic en tipus de cèl·lules individuals que es troben en traducció activa [28]. El primer estudi TRAP en AKI (lesió renal aguda) la investigació va utilitzar un model genètic d'activació mediada per la recombinasa CRE del casset eGFP-L10a específicament dins dels tipus de cèl·lules nefrones, estromals, vasculars o immunitàries i van mostrar diferents canvis transcripcionals relacionats amb cada compartiment cel·lular després d'AKI (lesió renal aguda) [29]. Molts gens relacionats amb la funció tubular renal es van regular a la baixa 24 hores després de l'AKI (lesió renal aguda). En canvi, els gens implicats en l'activitat de la via anti-apoptòtica, la proliferació cel·lular i el moviment cel·lular estaven marcadament regulats. L'anàlisi TRAP de les cèl·lules del túbul proximal destacades pel marcador de lesió Kim-1(codificada per Hazel) va mostrar que la majoria de les cèl·lules positives de Kim-1-es van reparar amb èxit dues setmanes després de l'AKI (lesió renal aguda), tot i que el 15 per cent va retenir l'expressió de Kim-1 i el marcador de lesions Sox9 [10], posant de manifest un estat de les cèl·lules persistents [30]. L'anàlisi clonal va revelar que l'expansió dels clons positius Kim-1 va repoblar els túbuls proximals danyats, donant suport a un model de reparació mitjançant la desdiferenciació de cèl·lules del túbul proximal, en lloc d'una població específica de cèl·lules mare/progenitores [30]. La transcripció FoxMI va ser altament regulada a les cèl·lules del túbul proximal Kim-1-positiu i es va demostrar que impulsava la proliferació del túbul proximal a zitro d'una manera dependent del receptor del factor de creixement epidèrmic [30]. Els enfocaments de seqüenciació d'ARNm d'una sola cèl·lula d'alt rendiment, examinant els perfils de seqüenciació d'ARNm de cèl·lules senceres (scRNA-seq) o les transcripcions d'ARNm localitzades nuclearment (snRNA-seq), han millorat dràsticament l'AKI (lesió renal aguda) estudis. Aquests enfocaments proporcionen una visió molecular profunda de l'expressió gènica a nivell cel·lular quan es combinen amb enfocaments computacionals potents, identificant tipus de cèl·lules variables i estats cel·lulars a tot l'òrgan [31,32]. scRNA-seq parteix d'una suspensió de cèl·lules individuals o nuclis únics, que s'etiqueten amb etiquetes moleculars úniques i es lisen (figura 2). Posteriorment, l'ARNm es transcriu inversament, s'amplifica i seqüencia. Un estudi snRNA-seq sobre ronyons sotmesos a obstrucció ureteral unilateral (UUO) va identificar dos nous cúmuls de cèl·lules del túbul proximal 14 dies després de l'UUO, un dels quals tenia una forta signatura proliferativa, mentre que l'altre expressava gens implicats en la inflamació i els moviments cel·lulars, com ara Ccl2, II34, Cxcll i Dock10 [33].

Una població cel·lular similar és evident en un estudi snRNA-seq que perfila el ronyó lesionat després de l'IRI [34]. En les primeres hores després de l'IRI, hi ha una baixada de l'expressió gènica del túbul proximal normal i una resposta transcripcional marcada que inclou gens primerencs immediats i els coneguts marcadors de lesions HuverI i Krt20 [24,25,34]. Al segon dia després de l'IRI, una gran fracció de cèl·lules del túbul proximal va mostrar un perfil proliferatiu o va recuperar la característica de la signatura transcripcional t per a les cèl·lules del túbul proximal diferenciades. Tanmateix, una petita població de cèl·lules proinflamatòries i profibròtiques, caracteritzades per l'expressió de Vcaml a la majoria de cèl·lules i la coexpressió de Cal2 en un subconjunt, va predir l'activitat de la família de factors de transcripció NF-KB. Mentre que les cèl·lules del túbul proximal proliferaven van disminuir dues setmanes després de l'AKI (lesió renal aguda), les cèl·lules del túbul proximal proinflamatòries i profibròtiques van augmentar, cosa que suggereix un enllaç entre la reparació tubular fallida i la població de cèl·lules proinflamatòries i profibròtiques observades (figura 1). Curiosament, l'anàlisi de deconvolució dels estudis de seqüenciació d'ARN a granel va suggerir que una població similar augmentava a mesura que el ronyó envelleix amb normalitat i després del trasplantament.

D'acord amb l'estudi esmentat [34], un enfocament selectiu genèticament en cèl·lules del túbul proximal lesionades quatre setmanes després d'una IRA més lleu (lesió renal aguda), utilitzant ratolins Krt20-T2A-CRE-ERT2 per etiquetar i purificar cèl·lules del túbul proximal lesionades, van mostrar un fenotip cel·lular lesionat similar: un VcamI/Cal2 més una població de cèl·lules del túbul proximal lesionat que es va distingir encara més per un fort proinflamatori ( per exemple, Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) i signatura transcripcional profibròtica (per exemple, Pdgfb, ColAal), amb una activació marcada de la senyalització NF-KB, TNF i AP-1 [35]. Aquestes cèl·lules del túbul proximal lesionades compartien característiques d'un fenotip secretor associat a la senescència (SASP) identificat en altres òrgans lesionats (figura 1) [35,36]. A diferència de l'AKI anterior (lesió renal aguda) [12], no es va observar cap aturada significativa del cicle cel·lular G2/M en aquesta població. Experiments addicionals de mapeig del destí de cèl·lules ciclades van mostrar que la majoria de cèl·lules del túbul proximal VcamI més / Cal2 més, localitzades al límit corticomedular, es remunten a les cèl·lules del túbul proximal que proliferaven els primers dies després de l'AKI (lesió renal aguda). Tanmateix, les cèl·lules corticals Vuamt més /Cu2 del túbul proximal probablement representaven llocs secundaris de lesió, no relacionats amb la reparació primerenca del túbul proximal associada a la replicació.

atles complet de la resposta a lesions a una reperfusió d'isquèmia unilateral (UIR) que realitza scRNA-seq en diversos moments des del dia 1 fins al dia 14 després que la UIR revelés una expressió elevada a les cèl·lules lesionades de Sox4 i Cd24a, gens identificats per a funcions en el desenvolupament renal. [37]. També es va informar d'una nova població cel·lular, "cèl·lules d'identitat mixta", que presentava coexpressió del túbul proximal (Sl34a7), extremitat ascendent gruixuda (Umod) o marcadors de conductes col·lectors (Agp2). Les dades de scRNA-seq dels models de nefropatia d'àcid fòlic de ratolí i UUO van mostrar que la reducció de l'expressió de marcadors de diferenciació com els portadors de soluts a les cèl·lules del túbul proximal lesionades s'associa amb la regulació a la baixa dels gens implicats en processos metabòlics, com l'oxidació d'àcids grassos [38]. El receptor nuclear Esrra es va identificar com un enllaç important entre la diferenciació del túbul proximal i el metabolisme perquè regulava directament l'expressió dels gens metabòlics i específics del túbul proximal. Aquest i altres estudis de scRNA-seq també han posat de relleu una diversitat de cèl·lules immunitàries abans no apreciada al ronyó malalt [38,39].

Una limitació important de totes les tècniques de transcriptòmica discutides és l'absència d'informació espacial. Les noves plataformes de transcriptòmica ara permeten visualitzar l'expressió d'ARNm espacialment recuit i fixant seccions de teixit directament a sondes de codi de barres úniques, imatge de la secció de teixit i realitzant la transcripció inversa in situ seguida de l'alliberament i la seqüenciació de la sonda [40]. Els transcriptomes seqüenciats es poden mapejar posteriorment a la secció de teixit de la imatge. Aquesta tecnologia de transcriptòmica espacial va permetre la localització específica dels dos tipus de cèl·lules transcripcionalment diferents del segment del túbul proximal S3 [41] a l'escorça i la franja externa de la medul·la externa [42]. En diferents AKI murí (lesió renal aguda), la desconvolució de punts transcriptòmics espacials individuals mitjançant dades de scRNA-seq va revelar AKI (lesió renal aguda) patrons específics del model d'infiltració de cèl·lules immunitàries i van permetre la identificació d'una població diferent de cèl·lules del túbul proximal que expressava Af3-, colocalitzant-se amb neutròfils després de l'IRI [43]. Aquests estudis il·lustren el potencial de les òmiques espacials-temporals per predir els controls microambientals sobre les respostes cel·lulars després de l'AKI (lesió renal aguda).

Epigenòmica

Els programes específics de tipus cel·lular d'expressió gènica diferencial depenen de la modificació epigenètica de la cromatina (per exemple, la metilació de les histones i l'acetilació) i l'ADN (per exemple, per la metilació de la citosina a residus de CpG) en resposta als reguladors transcripcionals d'unió a l'ADN i factors associats. Un conjunt d'evidències acumulades suggereix un important paper regulador dels mecanismes epigenètics en l'IRA (lesió renal aguda) i reparació renal [44-46]. Tenint en compte excel·lents revisions en profunditat[44-47], només destaquem breument els estudis epigenòmics recents seleccionats en AKI (lesió renal aguda) recerca.

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 cent després de l'UUO. Curiosament, es van informar de canvis complementaris en diferents marques del mateix aminoàcid, cosa que suggereix una resposta coordinada a AKI (lesió renal aguda) [48].

Els promotors destacats de H3K4me3-es van comparar amb els potenciadors marcats amb H3K27ac després d'AKI (lesió renal aguda) mitjançant la immunoprecipitació de cromatina i la seqüenciació de nova generació (ChIP-seq) [49]. Els llocs potenciadors actius van mostrar un canvi més dinàmic en resposta a AKI (lesió renal aguda). Les modificacions de la cromatina als llocs potenciadors actius es van associar amb una unió alterada de factors de transcripció com Hnf4a, Gr i Stat3. Hnf4a és un factor de transcripció clau en l'especificació i diferenciació de les cèl·lules del túbul proximal [50]. les cèl·lules del túbul proximal van disminuir en resposta a l'IRA (lesió renal aguda) [49]. Això probablement contribueix a l'AKI (lesió renal agudaDesdiferenciació induïda per ) de cèl·lules del túbul proximal lesionades. Stat3 és un regulador transcripcional clau en una xarxa inflamatòria amb NF-KB i factors reguladors de la proteïna activadora-1(AP{-1) [51]. L'activació de la via AP-1 està molt conservada com a inicial resposta a AKI del ratolí (lesió renal aguda) i IRI associada al trasplantament de ronyó humà [24, 25]. Enganxament Stat3 al locus Junb en resposta a AKI (lesió renal aguda) suggereix un paper per a la inactivació Stat3 dels components transcripcionals AP-1[49]. A més, la inhibició de l'activació del potenciador depenent del bromodomini i extraterminal (BET) va alterar la recuperació després d'AKI (lesió renal aguda), destacant el paper important de la dinàmica potenciadora en AKI (lesió renal aguda)reparació[49].

ATAC-seq s'ha convertit en la metodologia més utilitzada per avaluar l'obertura de la cromatina i inferir l'activitat de les regions genòmiques reguladores i transcrites. Ràpidament, la tecnologia ATAC-seq ha passat dels assajos sensibles de teixits a granel amb només 500 cèl·lules, a l'anàlisi nuclear únic i, més recentment, a l'anàlisi paral·lel de l'estat de la cromatina i l'expressió gènica a la mateixa cèl·lula [41,52-54]. ATAC-seq utilitza la transposasa hiperactiva Tn5 per tallar a la cromatina oberta i l'ADN tallat amb etiqueta amb adaptadors d'ADN per facilitar la construcció de biblioteques i la seqüenciació d'ADN (figura 2). Tenint en compte només dos llocs objectiu a cada genoma, les dades ATAC són escasses i els estudis snATAC utilitzen enfocaments computacionals per agrupar cèl·lules amb perfils snATAC similars i per integrar-se amb conjunts de dades sc o snRNA-seq generats de manera independent. Un estudi recent va perfilar l'heterogeneïtat cel·lular en mostres de ronyó humà adults sans amb conjunts de dades snATAC-seq i snRNA-seq integrats computacionalment [55]. Curiosament, l'estudi va identificar una subpoblació de VCAM1-que expressa cèl·lules del túbul proximal, que va mostrar una activitat reduïda de HNF4A i una activitat augmentada dels membres de la família NF-KB, que s'assemblava parcialment a cèl·lules del túbul proximal proinflamatòries i profibròtiques lesionades identificades al ronyó del ratolí. setmanes després d'AKI (lesió renal aguda) [34,35,55]. L'abundància d'aquesta població cel·lular va augmentar amb el temps en els ratolins envellits i va ser més alta en els ronyons diabètics humans que en els controls sans. Així, algunes respostes cel·lulars semblen conservar-se entre diferents malalties renals i entre espècies. Tanmateix, fins a quin punt aquesta població cel·lular contribueix a la pèrdua de la funció renal relacionada amb l'edat imalaltia de ronyóla progressió requereix una investigació addicional.

La detecció de tipus cel·lular i les prediccions reguladores es milloren mitjançant la coaanàlisi de snRNA-seq i snATAC-seq al mateix nucli[41]. Aquesta tècnica es va utilitzar recentment per caracteritzar el teixit renal humà sa i l'IRA (lesió renal aguda) i biòpsies de CKD que revelen una nova diversitat cel·lular al ronyó normal i destaquen estats de lesió comparables en AKI de ratolí i humà. (lesió renal aguda), així com estats alterats de cèl·lules de les extremitats ascendents gruixuts caracteritzats per l'expressió de Proml i Dcd2 [56]. A més, la transcriptòmica espacial va localitzar miofibroblasts i cèl·lules immunitàries en mostres de CKD a llocs de lesió del túbul proximal [56].

Cistanche restaurar la funció renal deteriorada

Proteòmica i metabolòmica

L'estudi de proteïnes i metabòlits en plasma, orina i teixit renal mitjançant electroforesi en gel i espectrometria de masses complementa les eines transcriptòmiques i epigenòmices. L'espectrometria de masses pot identificar i quantificar macromolècules (per exemple, proteïnes) i metabòlits cel·lulars dins d'un teixit complex, mesurant propietats de càrrega de massa molecularment diferents de les molècules quan s'ionitzen i se sotmeten a un camp magnètic o elèctric (Figura 2)[57]. Molts estudis de proteòmica s'han dirigit a la identificació de biomarcadors per a AKI (lesió renal aguda)(revisió exhaustiva en altres llocs[57-59]). Per exemple, es va demostrar que els nivells d'inhibidor de teixit urinari metaloproteinasa-2(TIMP2) i proteïna d'unió a IGF-7(IGFBP7) predicen la mort i la insuficiència renal en pacients crítics amb AKI (lesió renal aguda) [60]. Tractament de pacients copositius TIMP2 i IGFBP7 amb mesures d'atenció de suport segons les directrius de Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) per a pacients amb alt risc d'IRA(lesió renal aguda) AKI reduït (lesió renal aguda) desenvolupament en les primeres 72 hores després de la cirurgia cardíaca, però no va afectar la mortalitat i la necessitat de teràpia de substitució renal [61]. Aquests resultats i les troballes d'altres estudis de biomarcadors són encoratjadors; tanmateix, el biomarcador ideal o el panell de biomarcadors més probable per a AKI (lesió renal aguda)avaluació de riscos, AKI dirigida (lesió renal aguda)la prevenció, el diagnòstic predictiu i, possiblement, fins i tot l'orientació terapèutica en la pràctica clínica rutinària encara no s'han identificat.

A més de l'impuls de l'AKI eficaç (lesió renal aguda) biomarcadors, la proteòmica també es pot utilitzar per interrogar AKI (lesió renal aguda) fisiopatologia [62]. Un estudi preclínic de l'IRA induïda per cisplatí (lesió renal aguda)va revelar una feble correlació entre el transcriptoma i el proteoma al ronyó lesionat [63]. L'estudi va suggerir que la discrepància entre els dos enfocaments va ser impulsada pels canvis de proteïnes al compartiment extracel·lular, per exemple, en el sistema del complement [63]. Curiosament, l'extensió de la dissociació entre l'expressió de l'ARN i la proteïna estava fortament correlacionada amb la gravetat de la lesió, tal com ho indica la creatinina sèrica i els nivells de nitrogen urea en sang [63]. Això posa de manifest la rellevància dels canvis post-transcripcionals en l'AKI (lesió renal aguda)resposta.

Recentment, s'ha utilitzat el perfil de proteòmica gairebé d'una sola cèl·lula, que permet mesuraments proteòmics quantitatius de tan sols 10 a 100 cèl·lules renals microdissecades per captura làser, per identificar proteïnes específiques del compartiment glomerular i tubular proximal al ronyó sa [64] . Algunes de les proteïnes específiques del compartiment més enriquides es correlacionen bé amb l'expressió del gen corresponent al podòcit i el cúmul de túbuls proximals d'un conjunt de dades scRNA-seq, respectivament. A més, es poden detectar més de 40 marcadors de proteïnes simultàniament en una sola secció de teixit mitjançant la citometria de massa (IMC), permetent així l'estudi del proteoma en un context espacial [65]. L'IMC del ronyó humà sa va revelar una heterogeneïtat cel·lular inesperada i va identificar un tipus cel·lular positiu de megalina/aquaporina-1/vimentina (Lrp2/Aqp1/Vim) que podria reflectir un túbul proximal (Vim més) lesionat (Lrp2 més/Aqp1). més )estat cel·lular [65]. L'aplicació d'aquestes tecnologies a AKI (lesió renal aguda) la investigació proporcionarà coneixements crítics sobre el paisatge proteòmic de lesions i reparacions.

L'estudi del metaboloma renal (molècules menors de 1500 Da [62]) ha avançat encara més en la comprensió de l'AKI (lesió renal aguda) fisiopatologia.

Metabolòmica

El perfil del teixit renal lesionat mitjançant cromatografia líquida-espectrometria de masses va conduir a la constatació que la síntesi de dinucleòtids de neo nicotinamida adenina (NAD plus) està deteriorada en AKI (lesió renal aguda) [66]. Regulació a la baixa del regulador de la biogènesi mitocondrial PGCla en AKI (lesió renal aguda) va donar lloc a un esgotament de NAD local, mentre que la sobreexpressió de PGC1 va augmentar els nivells de NAD més renal i va reduir l'AKI (lesió renal aguda) [66]. Les pantalles d'orina imparcials també han demostrat un augment dels nivells de NAD més quinolina precursora a l'orina dels ratolins després de l'IRI [67] com a resultat d'una reducció de la quinolina fosforibosiltransferasa renal (QPRT), un enzim clau en la síntesi de NAD més de nou [67]. Els nivells de QPRT renals reduïts es van associar amb un AKI més alt(lesió renal aguda) susceptibilitat [67]. Tractament oral amb nicotinamida recuperat AKI (lesió renal agudaNAD renal induït per ) més deficiència biosintètica en ratolins, i un petit assaig clínic de fase 1 ha suggerit un benefici renal potencial del tractament amb nicotinamida en pacients sotmesos a cirurgia cardíaca [67]. Un estudi de metabolòmica de biòpsies de trasplantament de ronyó humà, abans i després de la reperfusió, va mostrar un perfil metabòlic clarament diferent dels trasplantaments amb funció futura de l'empelt retardat en comparació amb els trasplantaments sense funció de l'empelt retardat [68]. Els trasplantaments amb una futura funció de l'empelt retardat es van caracteritzar per un catabolisme persistent d'ATP/GTP, cosa que suggereix la restauració primerenca de l'homeòstasi energètica com a objectiu terapèutic en AKI (lesió renal aguda) prevenció [68]. La imatge d'espectrometria de masses (MSI) és una tècnica potent que s'utilitza per visualitzar la distribució espacial de metabòlits, proteïnes o lípids, amb resolució cel·lular i subcel·lular [69]. L'anàlisi MSI dels ronyons lesionats va mostrar que la lipidòmia va utilitzar ch coll .x7rr per diferenciar entre isquèmia lleu i severa tan aviat com 2 hores després de la lesió [70,71].

Conclusions i perspectiva

Les tecnologies òmiques disponibles han impulsat la nostra comprensió de l'AKI (lesió renal aguda) i reparació. La integració o l'adquisició simultània de diferents conjunts de dades òmiques millorarà encara més la informació sobre AKI (lesió renal aguda), i les troballes corroboratives d'enfocaments ortogonals donaran confiança addicional als mecanismes identificats. Amb la inversió del NIDDK en diversos consorcis grans, com ara el Projecte de medicina de precisió renal i el Programa de reconstrucció d'un ronyó, s'acumulen noves idees, eines i recursos informatius. El gran repte d'aquesta era de "big data" és inferir mecanismes biològicament rellevants a partir de conjunts de dades molt complexos per democratitzar l'accés a aquestes dades mitjançant plataformes de visualització i anàlisi de dades fàcils d'utilitzar i, en última instància, traduir les nostres creixents coneixements fisiopatològics en diagnòstics i estratègies terapèutiques que milloren l'atenció al pacient i l'IRA (lesió renal aguda) resultats.

Declaració d'interès competitiu

Els autors declaren els següents interessos financers/relacions personals que es poden considerar com a possibles interessos competitius: APMés un assessor científic sobre enfocaments relacionats amb els ronyons de les malalties humanes per a Novartis, eGenesis, Aviva i Trestle Biotherapeutics.

Agraïments

Demanem disculpes a tots els investigadors el treball dels quals no s'ha pogut parlar per limitacions d'espai. Agraïm al Dr. Pietro E.Cippà la lectura crítica del manuscrit. LMS Gerhardt va rebre el suport de la German Research Foundation (DFG), Alemanya amb una beca postdoctoral (GE 3179/1-1). El treball al laboratori d'AP McMahon compta amb el suport de subvencions del NIDDK, Estats Units (DK126024,54364,126925) i ChanZuckerberg Initiative, Estats Units (CZIF2019-002430).

Referències

Els articles d'especial interès, publicats durant el període de revisió, s'han destacat com:

1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Lesió renal aguda, mortalitat, durada de l'estada i costos en pacients hospitalitzats.JASN (J Am Soc Nephrol) 2005, 16:3365-3370.

2. Mehta RL, Cerda J, Burdmann EA, Tonelli M, Garcia-Garcia G, Jha V, Susantitaphong P, Rocco M, Vanholder R, Sever MS, et al: International Society of Nephrology's 0by25 initiative forlesió renal aguda(zero morts evitables el 2025): un cas de drets humans per a la nefrologia.Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Hsu RK, Hsu CY: El paper delesió renal agudaen crònica 3. H malaltia renal. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.

4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Lesió renal agudai la malaltia renal crònica com a síndromes interconnectades. N Engl J Med 2014,371:58-66.

5. Legrand M, Bell S, Fomi L, Joannidis M, Koyner JL, Liu K, 5, 1; Cantaluppi V: Fisiopatologia de la COVID-19-associadalesió renal aguda. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Aquesta revisió ofereix una visió general detallada de la literatura actual relacionada amb la COVID-19-associadalesió renal aguda.

6. Zuk A, Bonventre JV: Recent advances onlesió renal aguda6. 2 i les seves conseqüències i impacte en la malaltia renal crònica. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Aquesta excel·lent revisió resumeix els mecanismes fisiopatològics subjacents a la transició de la lesió renal aguda a la crònica i destaca el paper de la disfunció mitocondrial, la inflamació, la senescència i la mort cel·lular en aquest procés.

7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW, et al: Informe anual de dades del sistema de dades renals dels EUA 2018: epidemiologia de la malaltia renal a els Estats Units. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Informe anual de dades 2018 del Sistema de dades renals dels EUA disponible a: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volum{{9} }ckd_al_el_us.pdf. (Consultat l'11 d'abril de 2021).

8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mecanismes de reparació desadaptativa 8. després d'AKI (lesió renal aguda) que condueix a un envelliment renal accelerat i ERC. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD: 9.Les cèl·lules epitelials renals diferenciades reparen els túbuls proximals lesionats. Proc Natl Acad Sci US A 2014,111:1527-1532. 10. Kumar S, Liu J, Pang P, Krautzberger AM, Reginensi A,

10. Akiyama H, Schedl A, Humphreys BD, McMahon AP: L'activació de Sox9 destaca una via cel·lular de reparació renal al ronyó de mamífer lesionat de manera aguda.Cell Rep 2015,12:1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Les cèl·lules progenitores positives Sox9 tenen un paper clau en la regeneració epitelial dels túbuls renals en ratolins. Cell Rep 2016,14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: L'aturada del cicle cel·lular epitelial a G2/M media la fibrosi renal després de la lesió. Nat Med 2010, 16:535-543.

13. Xu K, Rosenstiel P, Paragas N, Hinze C, Gao X, Shen TH, Werth M, Forster C, Deng R, Bruck, et al: Els programes transcripcionals únics identifiquen subtipus d'AKI (lesió renal aguda).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.

14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Heterogeneïtat dels canvis epigenètics a la isquèmia/reperfusió i induïda per endotoxineslesió renal agudagens. Kidney Int 2015, 88:734-744.

15. Stafford-Smith M, Li YJ, Mathew JP, Li YW, Ji Y, Phillips-Bute B, Milano CA, Newman MF, Kraus WE, Kertai MD, et al.: Estudi d'associació a tot el genoma delesió renal agudadesprés de la cirurgia d'empelt de bypass coronari identifica els loci de susceptibilitat. Kidney Int 2015,88:823-832.

16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, BelcherJM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD, et al.: Un estudi d'associació a tot el genoma per identificar polimorfismes d'un sol nucleòtid per alesió renal aguda.Am J Respir Crit Care Med 2017, 195:482-490.

17. Kayagaki N, Lee BL, Stowe IB, Kornfeld OS, O'Rourke K, Mirrashidi KM, Haley B, Watanabe C, Roose-Girma M, Modrusan Z, et al: IRF2 indueix transcripcionalment l'expressió GSDMD per a la piroptosi. Sci Signal 2019, 12.

18. Matsuyama T, Kimura T, Kitagawa M, Pfeffer K, Kawakami T, Watanabe N, Kündig TM, Amakawa R, Nishihara K, Wakeham A: la interrupció dirigida de l'IRF-1 o IRF-2 dóna lloc a inducció anormal del gen IIFN i desenvolupament aberrant de limfòcits. Cell 1993, 75:83-97.

19. Papaioannou VE: La família de gens T-box: rols emergents en el desenvolupament, les cèl·lules mare i el càncer. Desenvolupament 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶No hi ha associació entre els loci genètics propers a IRF2 i TBX1 ilesió renal agudaen els malalts crítics.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.