Resum

Antecedents: El ronyó és un òrgan molt complex amb múltiples funcions essencials per a la salut. La malaltia renal es produeix quan els ronyons estan danyats i no funcionen correctament. L'anàlisi unicel·lular és una tècnica potent que proporciona una visió sense precedents dels tipus de cèl·lules renals normals i anormals i canviarà la nostra comprensió dels mecanismes de les malalties renals comunes.

Resum: La nostra comprensió de la patogènesi de la malaltia renal està limitada per la caracterització molecular incompleta dels tipus de cèl·lules responsables de la funció renal. L'aplicació de la tecnologia unicel·lular en la investigació renal ha revelat l'heterogeneïtat cel·lular, els perfils d'expressió gènica i la dinàmica molecular en el desenvolupament i la progressió de la malaltia renal. L'anàlisi unicel·lular dels teixits d'organoides renals i al·lografts ha proporcionat noves idees sobre l'organogènesi renal, els mecanismes de la malaltia i els resultats terapèutics. En general, una millor comprensió de l'heterogeneïtat de les cèl·lules renals i la dinàmica molecular de la malaltia renal millorarà la precisió diagnòstica i ajudarà a identificar noves estratègies terapèutiques en nefrologia.

Missatge clau: en aquest article de revisió, resumim la investigació recent unicel·lular sobre la malaltia renal i discutim l'impacte de la tecnologia unicel·lular en la investigació renal bàsica i clínica.

Paraules clau

Tecnologia unicel·lular; Malaltia de ronyó; Cèl·lula immune; organoide renal; al·lograft;Beneficis de Cistanche.

Introducció

Els ronyons són dos òrgans en forma de mongeta responsables de filtrar els residus, l'excés d'aigua i altres impureses de la sang i produir orina. Els ronyons també regulen el pH, la sal i els nivells de potassi i la pressió arterial; controlar la producció de glòbuls vermells; i activen una forma de vitamina D que ajuda el cos a absorbir el calci. Fins ara, s'estima que 850 milions de persones a tot el món pateixen malalties renals, incloses malalties renals cròniques (ERC), lesions renals agudes, insuficiència renal i moltes altres condicions. La malaltia renal es produeix quan els ronyons estan danyats i no poden realitzar les seves funcions. Els danys poden ser causats per la diabetis, la pressió arterial alta i una varietat d'altres afeccions cròniques (a llarg termini). La malaltia renal pot provocar altres problemes de salut, com ara osteoporosi, danys nerviosos, desnutrició i malalties del cor. Les estratègies de tractament actuals per als pacients segueixen sent els trasplantaments renals o la diàlisi, que són costosos.

Una varietat de cèl·lules del ronyó, incloses les cèl·lules epitelials, tilacoides, endotelials i neuronals, així com les xarxes de cèl·lules immunitàries, interactuen per mantenir la funció renal normal. Una comprensió més profunda de l'heterogeneïtat dels ronyons sans i dels processos subjacents a la malaltia renal perfeccionarà la definició fenotípica molecular i histopatològica del ronyó i donarà suport al desenvolupament de noves classificacions de malalties. La tecnologia unicel·lular és potencialment avantatjosa per identificar subtipus cel·lulars, estats i canvis de freqüència durant l'inici i la progressió de la malaltia renal. En els últims anys, amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia de seqüenciació d'ARN unicel·lular d'alt rendiment (scRNA-seq), s'ha construït un atles cel·lular complet del ronyó normal per a la investigació de la medicina de precisió renal. El Kidney Precision Medicine Project (KPMP) es va desenvolupar a nivell mundial per obtenir biòpsies renals humanes, crear atles de teixit renal, definir subpoblacions de malalties i, finalment, identificar cèl·lules clau, vies i objectius per a noves teràpies. Basant-se en el conjunt de dades transcripcionals unicel·lulars associats al renal, els investigadors també van analitzar els perfils d'expressió gènica d'ACE2, TMPRSS2 i SLC6A19 en subtipus de cèl·lules renals, que és fonamental per entendre la patogènesi del coronavirus 2 de la síndrome respiratòria aguda severa. En aquesta revisió, ens centrarem en (1) el desenvolupament i l'aplicació de la tecnologia unicel·lular, (2) l'ús de scRNA-seq per estudiar el desenvolupament i la progressió de les malalties renals, (3) el mapeig molecular de cèl·lules immunitàries en malalties renals, ( 4) l'aplicació de scRNA-seq a òrgans semblants als ronyons i (5) l'ús de scRNA-seq per estudiar en profunditat els al·loempelts renals (figura 1).

Feu clic aquí per obtenirels efectes de Cistanche sobre els ronyons

Desenvolupament i aplicació de la tecnologia transcriptòmica unicel·lular

Una sola cèl·lula és la unitat bàsica de la vida. Les tècniques d'anàlisi unicel·lular han revolucionat la nostra capacitat per identificar la composició cel·lular, fer un seguiment de la dinàmica molecular i revelar mecanismes patològics. Les primeres anàlisis globals d'expressió gènica unicel·lular es van realitzar mitjançant tècniques de microarray i qPCR. Tietjen et al. van utilitzar microarrays unicel·lulars per controlar els perfils d'expressió molecular de neurones individuals i cèl·lules progenitores i per definir vies de senyalització en diferents etapes de desenvolupament. A més, l'anàlisi d'expressió unicel·lular va identificar diversos subtipus de cèl·lules en desenvolupament que tenen nous gens pancreàtics, proporcionant noves idees sobre el desenvolupament pancreàtic. Aquesta classe va desenvolupar tècniques de qPCR unicel·lular i les va aplicar a l'estudi de gens reguladors clau en el desenvolupament de blastocists de ratolí i la diferenciació del llinatge hematopoètic.

Amb l'arribada de les tecnologies de seqüenciació de nova generació, scRNA-seq ha mostrat avantatges clars per distingir diferents isoformes, expressió al·lèlica i noves transcripcions en cèl·lules individuals a un cost més baix. el 2009, Tang et al. va informar de la primera seqüenciació del transcriptoma sencer d'ARNm unicel·lular, demostrant la complexitat de les variants transcripcionals en oòcits o oòcits de ratolí únics. smart-seq was 2012 es va desenvolupar per detectar transcripcions de longitud completa en cèl·lules individuals i, aplicant-la a cèl·lules rares, els investigadors van identificar biomarcadors candidats per a cèl·lules tumorals circulants de melanoma. Un any més tard, es va introduir Smart-seq2 amb transcripció inversa millorada, cobertura de lectura, biaix i precisió. Els desenvolupaments recents a Smart-seq3 han millorat molt la seva sensibilitat per detectar milers de transcripcions unicel·lulars amb resolució al·lèlica i isoforme. A diferència dels mètodes d'amplificació basats en PCR, CEL-seq captura transcriptomes unicel·lulars eficients mitjançant amplificació lineal multiplex. Un estudi que utilitza CEL-seq per estudiar el desenvolupament embrionari precoç de Cryptobacterium hidradenoma va revelar els seus resultats reproductibles i sensibles a la resolució d'una sola cèl·lula. La primera plataforma automatitzada de scRNA-seq és Fluidigm C1, que utilitza un sistema microfluídic per capturar cèl·lules individuals en 96 o 384 cambres, seguida de lisi cel·lular, transcripció inversa i amplificació per PCR.

Des del 2015, la investigació unicel·lular ha entrat completament a l'era de l'alt rendiment, el baix cost i l'automatització amb la disponibilitat continuada de Drop-seq, inDrop, 10× Genomics, Seq-well, Microwell-seq i SPLiTseq. Drop-seq i inDrop separen les cèl·lules individuals en gotes de mida nanolitre i les barregen amb un codi de barres únic per etiquetar cada cel·la. D'altra banda, Cyto-seq, Seq-well i Microwell-seq permeten la seqüenciació d'ARNm unicel·lular d'alt rendiment mitjançant la captura d'una cèl·lula i una perla de codi de barres en un micropou. El nostre grup va construir el primer atles de cèl·lules de ratolí i el paisatge de cèl·lules humanes a nivell de cèl·lula única mitjançant Microwell-seq. Més recentment, els mètodes més senzills i de rendiment més alt s'anomenen SPLiT-seq i sci-RNA-seq per a scRNA-seq. Aquests mètodes utilitzen la cèl·lula o el propi nucli com a cambra de reacció per a cèl·lules etiquetades amb codi de barres a través de diverses rondes de divisió de la piscina. Totes les cèl·lules es sotmeten a una amplificació i seqüenciació per PCR d'ADNc. Cao et al. va utilitzar sci-RNA-seq3 per analitzar els transcriptomes d'aproximadament 2 milions de cèl·lules organogèniques de ratolí i 4 milions de cèl·lules fetals humanes, proporcionant una visió global dels processos de desenvolupament dels mamífers. També han florit altres tecnologies unicel·lulars que cobreixen anàlisis genòmiques, proteòmiques i epigenòmices; tanmateix, estan fora de l'abast d'aquest document.

Aparició i progressió de la malaltia renal

El ronyó es pot veure afectat per moltes malalties comunes i greus, com ara lesions renals agudes, glomerulonefritis, infeccions ascendents (pielonefritis) i càncer. En general, la nostra comprensió de la patogènesi de la malaltia renal està limitada per una caracterització molecular incompleta dels tipus de cèl·lules responsables de les funcions específiques d'òrgans. Per tancar aquesta bretxa de coneixement, el nostre grup i Park et al. va construir un atles transcripcional del ronyó de ratolí sa mitjançant scRNA-seq. Els principals subtipus de cèl·lules epitelials de la unitat renal inclouen cèl·lules pedunculars, cèl·lules epitelials tubulars proximals, anell de Henle, túbuls distals i cèl·lules del conducte col·lector. L'estudi va identificar un nou tipus de cèl·lules migratòries per recollir poblacions de cèl·lules ductals, confirmant les troballes anteriors d'interconversió entre cèl·lules intercalades i cèl·lules principals en estudis scRNA-seq. A més, Ransick et al. van analitzar ronyons adults masculins i femenins i van generar un atles anatòmic d'elements de ronyó de ratolí a nivell unicel·lular. El nostre grup també va realitzar anàlisis Microwell-seq del teixit renal fetal i adult humà. A més de les cèl·lules epitelials, les cèl·lules endotelials, les cèl·lules estromals i les cèl·lules immunitàries dins del teixit, vam identificar tipus de cèl·lules somàtiques de tipus s no descrites anteriorment al ronyó fetal i un nou tipus de cèl·lules migratòries al ronyó adult. El perfil molecular unicel·lular del sistema vascular renal va revelar perfils d'expressió especialitzats de les nefrones de construcció i va revelar la patogènesi de la malaltia renal. A més, es van identificar tot tipus de cèl·lules glomerulars a partir de ratolins sans i diferents models de malaltia mitjançant l'anàlisi d'agrupament de transcriptoma unicel·lular, i es van detectar nous gens relacionats amb la malaltia i vies reguladores en models de malaltia, com la via de l'hipopòtam activada en podòcits després de la immunitat nefrotòxica. ferida.

La fibrosi renal és un segell distintiu de la CKD i afecta més del 10% de la població mundial. En un model de coexistència heterogeni de fibrosi renal, Kramann et al. va utilitzar scRNA-seq per confirmar que els monòcits aportaven una petita proporció de miofibroblasts, però que la majoria de miofibroblasts es derivaven de cèl·lules mesenquimals. Posteriorment, Kuppe et al. [37] va analitzar el transcriptoma d'aproximadament 135,000 cèl·lules de túbuls proximals i no proximals i va validar encara més que diferents isoformes de MSC són els principals contribuents a la fibrosi renal humana. A més, en una anàlisi comparativa de monòcits renals sans i fibròtics, es va identificar un gen específic del miofibroblast, l'homòleg 2 del queratinòcit nu (NKD2), com un objectiu terapèutic potencial per a la fibrosi renal humana. A partir de 402 biòpsies renals, s'ha predit que el fibrinogen urinari és un biomarcador no invasiu en pacients amb ERC.

Cistanche estandarditzada

La nefropatia diabètica (DN) es caracteritza per un dany simultània als glomèruls i l'interstici tubular. Tanmateix, se sap relativament poc sobre com canvien l'estat i la freqüència cel·lular amb l'aparició de la malaltia i la progressió de l'expressió gènica. Per dilucidar els canvis en l'expressió gènica de cèl·lules glomerulars en DN del ratolí, Fu et al. va realitzar una anàlisi scRNA-seq i va identificar diversos marcadors potencials nous de cèl·lules glomerulars, inclosos Magi2, Robo2, Ramp3 i Fabp4. En la nefropatia diabètica (DKD), la regulació de les vies angiogèniques i migratòries està alterada a les cèl·lules endotelials, mentre que les vies reguladores de traducció i proteïnes estables estan molt enriquides a les cèl·lules tilacoides. En general, els canvis en la dinàmica molecular de les cèl·lules endotelials i tilacoides ajudaran a identificar factors fisiopatològics importants que contribueixen a la progressió de la DN. Chung et al. va representar el transcriptoma unicel·lular dels glomèruls en un model de ratolí de diabetis mellitus. L'expressió gènica es va alterar en tilacoides i podòcits de ratolins ob/ob en comparació amb els controls. Es van induir vies proliferatives a les cèl·lules tilacoides i es van induir vies relacionades amb la mort cel·lular als podòcits, d'acord amb els canvis en les proporcions del nombre de cèl·lules. L'anàlisi exhaustiva dels conjunts de dades de scRNA-seq de DKD publicats va identificar 17 gens fonamentals, enriquint la nostra comprensió dels mecanismes moleculars subjacents a la patogènesi dels DKD. A més, la seqüenciació imparcial d'ARN d'un sol nucli (snRNA-seq) de mostres de ronyó diabètic humà criopreservades va produir 23.980 transcriptomes de tres mostres de control i tres primeres de DN. Els resultats van mostrar canvis específics del tipus cel·lular en l'expressió gènica que suggereixen un augment de la secreció de potassi en el DN humà. Un estudi anterior que comparava scRNA-seq i snRNA-seq en ronyons de ratolí adults va demostrar que aquests últims tenien una capacitat de captura més eficient. Per exemple, els podòcits glomerulars, les cèl·lules tilacoides i les cèl·lules endotelials van ser capturats per snRNA-seq en lloc de per scRNA-seq. L'aplicació de snRNA-seq minimitza els pseudoefectes de la digestió enzimàtica i es pot realitzar en mostres congelades, cosa que s'espera que condueixi a una aplicació més àmplia per accelerar l'estudi de mecanismes patològics en diverses malalties renals.

Un transcriptoma cel·lular precís pot revelar l'origen de les cèl·lules tumorals renals i les trajectòries transcripcionals que donen suport a la transformació maligna. jove et al. van definir tipus de cèl·lules renals humanes normals i canceroses a partir d'un catàleg de 72.501 transcriptomes unicel·lulars. En identificar els correlats cel·lulars normals específics de les cèl·lules canceroses renals (RCC), un estudi va proporcionar proves de la hipòtesi que les cèl·lules tumorals de Wilms són cèl·lules fetals aberrants i que els RCC poden originar-se a partir d'un subtipus poc conegut de cèl·lules tubulars proximals. Així, scRNA-seq proporciona una estratègia experimental escalable per caracteritzar cèl·lules canceroses renals humanes amb una resolució molecular cel·lular quantitativa precisa.

Atles molecular de cèl·lules immunitàries en la malaltia renal

Les cèl·lules immunitàries són un component fonamental dels teixits humans i tenen un paper important en el metabolisme fisiològic i patològic. De fet, la capacitat del sistema immunitari de reconèixer senyals patògens o de perill o cèl·lules malignes és crucial. L'aplicació de la tecnologia unicel·lular a l'estudi de cèl·lules immunitàries renals té el potencial de facilitar una millor comprensió del paper del sistema immunitari en la patogènesi de ronyons sans i malalties, així com per identificar noves estratègies terapèutiques. Aquests esforços estan començant a mapejar el complex paisatge immune dins del ronyó i revelar la relació entre les cèl·lules immunitàries residents en teixits i els seus veïns activats mútuament.

El 2018, l'aplicació de scRNA-seq al teixit renal del ratolí va proporcionar un paisatge de cèl·lules immunitàries integral que inclou macròfags residents, neutròfils, limfòcits B i T i cèl·lules NK. Un any més tard, es va establir un estudi unicel·lular sense precedents de l'organització espaciotemporal de les cèl·lules immunitàries dels ronyons humans. Es van identificar xarxes de cèl·lules immunes mieloides i limfoides residents en teixits en ronyons fetals i adults, i els estudis van identificar programes transcripcionals adquirits postnatalment que promouen la defensa contra les infeccions. A més, es va predir que la conversa entre cèl·lules epitelials renals madures i cèl·lules immunitàries reclutarà macròfags i neutròfils antibacterians a les regions més susceptibles del ronyó. En general, el panorama immunològic integral del ronyó contribueix a l'estudi dels mecanismes patògens i a la identificació de dianes terapèutiques en malalties renals immunes i infeccioses.

La nefritis lúpica (LN) és una malaltia autoimmune potencialment mortal per a la qual les teràpies actuals són ineficaces i sovint tòxiques. Els processos moleculars i cel·lulars que condueixen al dany renal i l'heterogeneïtat de la LN encara no estan clars. scRNA-seq va ser utilitzat per Arazi et al. per identificar 21 subpoblacions específiques de la malaltia de cèl·lules mieloides, T, assassines naturals i B en pacients amb LN. De la mateixa manera, Der et al. va aplicar scRNA-seq als teixits de biòpsia de ronyó i pell de pacients amb LN. Es va informar que les puntuacions de resposta a l'interferó de tipus I de les cèl·lules epitelials tubulars eren més altes en pacients amb LN que en controls sans. A més, les característiques inflamatòries i fibròtiques de les cèl·lules tubulars es van associar amb la ineficàcia del tractament. A DKD, l'anàlisi de scRNA-seq va mostrar un nombre significativament més gran de cèl·lules immunitàries en glomèruls diabètics que en controls. Aquests estudis suggereixen que els perfils d'expressió gènica de les cèl·lules immunitàries a l'orina, la pell i el ronyó estan altament correlacionats, cosa que suggereix que les biòpsies d'orina i de pell poden ser una font potencial de marcadors diagnòstics i pronòstics de la malaltia renal.

Estudis recents han demostrat el paper de les cèl·lules immunitàries en models de malaltia renal amb resolució unicel·lular. Els models d'obstrucció ureteral unilateral s'utilitzen àmpliament per a la fibrosi intersticial renal, on els macròfags i les cèl·lules inflamatòries s'infiltren a l'interstici renal, donant lloc a canvis marcats en l'hemodinàmica i el metabolisme renals. scRNA-seq s'ha utilitzat en models d'obstrucció ureteral unilateral reversible per disseccionar el paisatge de les cèl·lules mieloides durant la progressió i regressió de la fibrosi. Conway et al. va revelar heterogeneïtat a les cèl·lules mieloides, amb canvis dinàmics en les proporcions relatives de subpoblacions, els monòcits es recluten al principi de la lesió, Ccr2 més els macròfags s'acumulen tard en la lesió i un nou grup de Mmp12 més macròfags juga un paper en el procés de reparació. En la malaltia renal i el trasplantament, la lesió per isquèmia-reperfusió (IRI) s'associa amb la inflamació i el reclutament de leucòcits. Es van utilitzar models experimentals d'IRI per avaluar el paper funcional de 2 grups de cèl·lules innates semblants als limfoides al ronyó, i les dades suggereixen que aquestes cèl·lules tenen funcions redundants en la lesió renal. Mitjançant l'aplicació de scRNA-seq a un model IRI de trasplantament renal, Kremann et al. va trobar que la posterior infiltració de CXCR5 més leucòcits va donar lloc a nivells sistèmics elevats de CXCL13. El knRNA-seq també es va aplicar a un model de ratolí IRI per Kirita et al. per caracteritzar les respostes cel·lulars detallades després de la lesió i identificar un estat de cèl·lules del túbul proximal proinflamatori i profibròtic diferent. L'àcid úric, el producte final d'oxidació del metabolisme de les purines, està estretament associat amb la inflamació renal en diversos models de malaltia. Per exemple, NLRP3 (domini estructural 3 que conté NOD, LRR i pirina) detecta senyals d'excés d'àcid úric i s'activen vesícules inflamatòries en la nefropatia hiperuricèmica. Tanmateix, no es coneixen els mecanismes immunitaris específics subjacents a la lesió renal induïda per la hiperuricèmia. S'espera que la construcció d'un paisatge corporal inflamatori a nivell unicel·lular en un model de lesió renal induïda per hiperuricèmia es realitzi en un futur proper.

La infiltració immune existeix dins dels tumors renals i està influenciada pel microambient tumoral. Un estudi anterior va demostrar que les poblacions de macròfags infiltrats en tumors expressen el factor de creixement endotelial vascular A i estan implicades en la complexa via de senyalització del VEGF al teixit RCC. El present estudi demostra que scRNA-seq pot abordar la tumorigènesi i identificar mecanismes fisiopatològics putatius i xarxes de senyalització cel·lular que poden servir com a objectius per a la teràpia farmacològica. En general, l'estudi destaca els avenços en scRNAseq que proporcionen informació sobre el sistema immunitari i les xarxes cel·lulars que operen en ronyons sans i malalts.

Cistanche a base d'herbes

Aplicació de scRNA-seq als organoides renals

A més de l'estudi dels teixits renals malalts, els organoides renals s'han convertit en una eina clau per a l'estudi de l'organogènesi i els mecanismes de la malaltia, i tenen el potencial d'accelerar el desenvolupament de teràpies com a font de teixits alternatius. Paral·lelament, els avenços en scRNA-seq han donat lloc a una anàlisi més detallada de diverses subpoblacions cel·lulars i canvis en l'expressió gènica en òrgans semblants als ronyons.

En general, és necessària una millor comprensió del desenvolupament embrionari renal a nivell unicel·lular per guiar la maduració dels òrgans semblants als ronyons. Els estudis de transcriptòmica unicel·lular del ronyó fetal humà han identificat 22 tipus de cèl·lules i els gens marcadors corresponents.

La comparació de diferents estadis de desenvolupament mostra la continuïtat de la dinàmica molecular de les cèl·lules del peu. Es va realitzar una altra anàlisi unicel·lular en ronyó fetal humà i òrgans semblants a ronyons derivats de cèl·lules mare embrionàries. L'anàlisi comparativa de les trajectòries de desenvolupament unicel·lular al ronyó va revelar perfils d'expressió gènica similars in vivo i in vitro, excepte els podòcits en fase tardana, cosa que suggereix un procés de maduració incomplet dels òrgans semblants als podòcits. Els experiments de trasplantament suggereixen a més que el lumen tilacoide i vascular es pot optimitzar mitjançant models organoides. Un estudi recent que utilitza cèl·lules mesenquimals renals posteriors i ureterals semblants a brots per generar organoides renals va demostrar que scRNA-seq va millorar la maduració del túbul proximal i va reduir les poblacions de cèl·lules fora de l'objectiu. L'anàlisi scRNA-seq d'organoides renals derivats de cèl·lules mare pluripotents humanes (PSC) va ser realitzada per Subramanian et al. i Wu et al. En comparació amb els conjunts de dades unicel·lulars de ronyó fetal humà i adult, els diferents òrgans semblants als ronyons mostraven tipus de cèl·lules en gran mesura reproduïbles, però amb proporcions cel·lulars diferents a causa de la presència de cèl·lules fora de l'objectiu. A més, l'anàlisi de la xarxa de factors de transcripció va revelar vies de diferenciació d'organoides renals, destacant el poder de la tecnologia unicel·lular per caracteritzar i guiar la diferenciació d'organoides.

En conclusió, els òrgans semblants als ronyons humans són un recurs útil per a models de malalties mineres, mecanismes reguladors potencials, cribratge de fàrmacs d'alt rendiment i, en definitiva, teràpies regeneratives. Aquests estudis destaquen l'ús potencial de scRNA-seq en sistemes de models renals per dilucidar processos fisiològics i patològics in vivo i proporcionar orientació per a futures investigacions en el diagnòstic i tractament de malalties renals.

Coneixement dels al·lografts de ronyó mitjançant scRNA-seq

El trasplantament renal al·logènic és un dels tractaments clínics més efectius per a la malaltia renal terminal. La tecnologia unicel·lular ofereix l'oportunitat de caracteritzar amb precisió i precisió els tipus i l'estat de cèl·lules renals mitjançant mostres de biòpsia humanes després del trasplantament al·logènic. El primer informe publicat d'exemplars de biòpsia de trasplantament renal va analitzar 8.746 transcriptomes unicel·lulars i va definir diferents respostes inflamatòries. Els monòcits van formar el grup CD16 plus no clàssic i el grup CD16- clàssic; les cèl·lules endotelials presentaven un estat de repòs i 2 estats de rebuig mediats per anticossos. Aquestes troballes contribueixen a la nostra millor comprensió del rebuig immunitari en el trasplantament de ronyó. En un estudi comparatiu de monòcits renals de fonts receptores i donants, els exemplars de biòpsia renal van mostrar una expressió gènica transcripcional significativament diferent. Es van observar macròfags activats per la inflamació i cèl·lules T expressades citotòxicament als receptors. De la mateixa manera, Liu et al. van analitzar cèl·lules del rebuig crònic del trasplantament renal i ronyons adults sans emparellats a nivell unicel·lular. L'anàlisi de agrupació no supervisada va revelar que l'augment del nombre de cèl·lules immunitàries i miofibroblasts en el grup de rebuig crònic del trasplantament renal pot contribuir al rebuig renal i la fibrosi. En particular, un estudi recent va representar el primer atles unicel·lular d'orina adulta i va identificar SOX9 més poblacions de cèl·lules mare/progenitores renals a l'orina. Les cèl·lules progenitores van proliferar i diferenciar amb èxit in vivo, adquirint algunes de les propietats de les cèl·lules tubulars i proporcionant un recurs potencialment útil per a la futura teràpia de trasplantament renal. En general, la tecnologia scRNA-seq proporciona coneixements nous i perspicaces sobre el rebuig del trasplantament renal humà, millorant finalment la precisió diagnòstica i accelerant l'adopció de la interpretació de la biòpsia molecular.

Suplements de cistanche

Conclusió

En l'última dècada, scRNA-seq s'ha convertit en una eina indispensable per a l'anàlisi de l'expressió gènica diferencial a tot el transcriptoma per estudiar la biologia fisiològica i identificar anomalies reguladores moleculars de la malaltia. En contrast amb els fenotips discrets tradicionals, la caracterització molecular a nivell unicel·lular pot proporcionar un estàndard sistemàtic per caracteritzar els fenotips de malalties renals. L'aplicació de la tecnologia unicel·lular en teixit renal sa o mostres de biòpsia renal clínica proporciona un atles molecular complet del ronyó i amplia la nostra comprensió de la nefrologia. L'Atles de cèl·lules úniques renals serà una part integral del treball internacional de l'Atles de cèl·lules humanes, que té com a objectiu produir un mapa de referència complet i sistemàtic del cos humà. En estudis futurs, s'espera que les anàlisis de transcriptoma espacial i d'alt rendiment unicel·lular ampliïn la nostra comprensió del ronyó. La integració de dades multiòmiques millorarà encara més el diagnòstic i el tractament personalitzats de les malalties renals.

REFERÈNCIES

1. Kriz W, Bankir L. A standard nomenclature for structures of the kidney. La comissió renal de la unió internacional de ciències fisiològiques (IUPS). Ronyó Int. 1988 gener; 33(1):1–7.

2. Kurts C, Panzer U, Anders HJ, Rees AJ. El sistema immunitari i la malaltia renal: conceptes bàsics i implicacions clíniques. Nat Rev Immunol. Octubre de 2013;13(10):738–53.

3. Luyckx VA, Al-Aly Z, Bello AK, Bellorin Font E, Carlini RG, Fabian J, et al. Els objectius de desenvolupament sostenible són rellevants per a la salut renal: una actualització del progrés. Nat Rev Nephrol. 2021 gener;17(1):15–32.

4. Clark AR, Greka A. El poder d'un: avenços en la genòmica unicel·lular al ronyó. Nat Rev Nephrol. Febrer 2020;16(2):73–4.

5. Han X, Wang R, Zhou Y, Fei L, Sun H, Lai S, et al. Mapeig de l'atles de cèl·lules del ratolí mitjançant microwell-seq. Cèl·lula. Febrer de 2018;172(5):1091–107.e17.

6. Park J, Shrestha R, Qiu C, Kondo A, Huang S, Werth M, et al. La transcriptòmica unicel·lular del ronyó del ratolí revela possibles objectius cel·lulars de la malaltia renal. Ciència. maig 2018; 360(6390):758–63.

7. Hochane M, van den Berg PR, Fan X, Bérenger-Currias N, Adegeest E, Bialecka M, et al. La transcriptòmica unicel·lular revela la dinàmica d'expressió gènica del desenvolupament del ronyó fetal humà. PLoS Biol. Febrer de 2019;17(2): e3000152.

8. Han X, Zhou Z, Fei L, Sun H, Wang R, Chen Y, et al. Construcció d'un paisatge cel·lular humà a nivell unicel·lular. Naturalesa. maig 2020; 581(7808):303–9.

9. Liao J, Yu Z, Chen Y, Bao M, Zou C, Zhang H, et al. Seqüenciació d'ARN unicel·lular del ronyó humà. Dades de ciència. 2020 gener;7(1):4.

10. Medicina de precisió en nefrologia. Nat Rev Nephrol. 16 de novembre de 2020 (11):615.

11. Chen QL, Li JQ, Xiang ZD, Lang Y, Guo GJ, Liu ZH. Localització de gens relacionats amb el receptor cel·lular del SARS-CoV-2 al ronyó mitjançant l'anàlisi del transcriptoma unicel·lular. Dis de ronyó. Juliol de 2020;6(4):258–70.

12. Tietjen I, Rihel JM, Cao Y, Koentges G, Zakhary L, Dulac C. Single-cell transcriptional analysis of neuronal progenitors. Neurona. 2003 abr;38(2):161–75.

13. Chiang MK, Melton DA. Anàlisi de transcripció unicel·lular del desenvolupament del pàncrees. Cèl·lula de desenvolupament. 2003 Mar;4(3):383–93.

14. Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND, et al. Resolució de les decisions del destí cel·lular revelades per l'anàlisi d'expressió gènica unicel·lular des del zigot fins al blastocist. Cèl·lula de desenvolupament. Abr 2010;18(4):675–85.

15. Guo G, Luc S, Marco E, Lin TW, Peng C, Kerenyi MA, et al. Mapeig de la jerarquia cel·lular mitjançant anàlisi unicel·lular del repertori de superfície cel·lular. Cèl·lula mare cel·lular. Octubre de 2013;13(4):492–505.

16. Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: una eina revolucionària per a la transcriptòmica. Nat Rev Genet. Gen 2009;10(1):57–63.

17. Tang F, Barbacioru C, Wang Y, Nordman E, Lee C, Xu N, et al. Anàlisi del transcriptoma sencer d'ARNm-Seq d'una sola cèl·lula. Mètodes Nat. Maig de 2009;6(5):377–82.

18. Ramsköld D, Luo S, Wang YC, Li R, Deng Q, Faridani OR, et al. Seqüència d'ARNm de longitud completa a partir de nivells unicel·lulars d'ARN i cèl·lules tumorals circulants individuals. Nat Biotechnol. Ago 2012;30(8):777–82.

19. Picelli S, Björklund ÅK, Faridani OR, Sagasser S, Winberg G, Sandberg R. Smart-seq2 per a un perfil de transcriptoma de longitud completa sensible en cèl·lules individuals. Mètodes Nat. 2013 novembre;10(11): 1096–8.

20. Hagemann-Jensen M, Ziegenhain C, Chen P, Ramsköld D, Hendriks GJ, Larsson AJM, et al. Recompte d'ARN unicel·lular a resolució d'al·lels i isoformes mitjançant Smart-seq3. Nat Biotechnol. Juny 2020;38(6):708–14.

21. Hashimshony T, Wagner F, Sher N, Yanai I. CEL-seq: ARN-seq unicel·lular per amplificació lineal multiplexada. Cell Rep. 2012 setembre;2(3): 666–73.

22. Yanai I, Hashimshony T. CEL-seq2-seqüenciació d'ARN unicel·lular mitjançant amplificació lineal multiplexada. Mètodes Mol Biol. 2019;1979: 45–56.

23. Streets AM, Zhang X, Cao C, Pang Y, Wu X, Xiong L, et al. Seqüenciació de transcriptoma sencer unicel·lular microfluídic. Proc Natl Acad Sci US A. 2014 May;111(19):7048–53.

24. Klein AM, Mazutis L, Akartuna I, Tallapragada N, Veres A, Li V, et al. Codi de barres de gotes per a transcriptòmica unicel·lular aplicada a cèl·lules mare embrionàries. Cèl·lula. Maig de 2015;161(5): 1187–201.

25. Macosko EZ, Basu A, Satija R, Nemesh J, Shekhar K, Goldman M, et al. Perfil d'expressió molt paral·lel a tot el genoma de cèl·lules individuals mitjançant gotes de nanolitres. Cèl·lula. Maig de 2015;161(5):1202–14.

26. Fan HC, Fu GK, Fodor SP. Perfil d'expressió. Etiquetatge combinatori de cèl·lules individuals per a la citometria d'expressió gènica. Ciència. febrer 2015; 347(6222):1258367.

27. Gierahn TM, Wadsworth MH, Hughes TK, Bryson BD, Butler A, Satija R, et al. Seq-well: seqüenciació d'ARN portàtil i de baix cost de cèl·lules individuals amb un alt rendiment. Mètodes Nat. Abr 2017;14(4):395–8.

28. Cao J, Packer JS, Ramani V, Cusanovich DA, Huynh C, Daza R, et al. Perfil transcripcional unicel·lular complet d'un organisme pluricel·lular. Ciència. Ago 2017;357(6352): 661–7.

29. Rosenberg AB, Roco CM, Muscat RA, Kuchina A, Sample P, Yao Z, et al. Perfil unicel·lular del cervell i la medul·la espinal del ratolí en desenvolupament amb codi de barres dividit. Ciència. Abr 2018;360(6385):176–82.

30. Cao J, Spielmann M, Qiu X, Huang X, Ibrahim DM, Hill AJ, et al. El paisatge transcripcional unicel·lular de l'organogènesi dels mamífers. Naturalesa. Febrer de 2019;566(7745):496–502.

31. Cao J, O'Day DR, Pliner HA, Kingsley PD, Deng M, Daza RM, et al. Un atles de cèl·lules humanes de l'expressió gènica fetal. Ciència. 2020; 370(6518):370.

32. Chen L, Lee JW, Chou CL, Nair AV, Battistone MA, Păunescu TG, et al. Transcriptomes dels principals tipus de cèl·lules del conducte col·lector renal en ratolins identificats per RNA-seq. Proc Natl Acad Sci US A. 2017 Nov;114(46): E9989–98.

33. Ransick A, Lindström NO, Liu J, Zhu Q, Guo JJ, Alvarado GF, et al. El perfil unicel·lular revela diversitat de sexe, llinatge i regional al ronyó del ratolí. Cèl·lula de desenvolupament. Nov. 2019;51(3):399– 413.e7.

34. Barry DM, McMillan EA, Kunar B, Lis R, Zhang T, Lu T, et al. Determinants moleculars de l'especialització vascular de la nefrona al ronyó. Nat Commun. 2019 desembre;10(1):5705.

35. Chung JJ, Goldstein L, Chen YJ, Lee J, Webster JD, Roose-Girma M, et al. El perfil del transcriptoma unicel·lular del glomèrul renal identifica els tipus de cèl·lules clau i les reaccions a la lesió. J Am Soc Nephrol. 31 d'octubre de 2020 (10): 2341–54.

36. Kramann R, Machado F, Wu H, Kusaba T, Hoeft K, Schneider RK, et al. La parabiosi i la seqüenciació d'ARN unicel·lular revelen una contribució limitada dels monòcits als miofibroblasts en la fibrosi renal. JCI Insight. Maig de 2018;3(9): e99561.

37. Kuppe C, Ibrahim MM, Kranz J, Zhang X, Ziegler S, Perales-Patón J, et al. Descodificació dels orígens dels miofibroblasts en la fibrosi renal humana. Naturalesa. Gen 2021;589(7841):281–6.

38. Wang H, Zheng C, Lu Y, Jiang Q, Yin R, Zhu P, et al. El fibrinogen urinari com a predictor de la progressió de l'ERC. Clin J Am Soc Nephrol. desembre 2017;12(12):1922–9.

39. Fu J, Akat KM, Sun Z, Zhang W, Schlondorff D, Liu Z, et al. El perfil d'ARN unicel·lular de cèl·lules glomerulars mostra canvis dinàmics en la malaltia renal diabètica experimental. J Am Soc Nephrol. Abr 2019;30(4):533–45.

40. Zhang Y, Li W, Zhou Y. Identificació de gens hub en la malaltia renal diabètica mitjançant anàlisi de microarrays múltiples. Ann Transl Med. Agost 2020;8(16):997.

41. Wilson PC, Wu H, Kirita Y, Uchimura K, Ledru N, Rennke HG, et al. El paisatge transcriptòmic unicel·lular de la nefropatia diabètica humana primerenca. Proc Natl Acad Sci US A. 2019 Set;116(39):19619–25.

42. Wu H, Kirita Y, Donnelly EL, Humphreys BD. Avantatges de la seqüenciació d'ARN d'un sol nucli sobre una cèl·lula del ronyó adult: tipus de cèl·lules rares i nous estats cel·lulars revelats en la fibrosi. J Am Soc Nephrol. 2019 gener;30(1):23–32.

43. Young MD, Mitchell TJ, Vieira Braga FA, Tran MGB, Stewart BJ, Ferdinand JR, et al. Els transcriptomes unicel·lulars dels ronyons humans revelen la identitat cel·lular dels tumors renals. Ciència. agost 2018;361(6402):594–9.

44. Stewart BJ, Ferdinand JR, Young MD, Mitchell TJ, Loudon KW, Riding AM, et al. Zonació immune espaciotemporal del ronyó humà. Ciència. 2019 setembre;365(6460):1461–6.

45. Arazi A, Rao DA, Berthier CC, Davidson A, Liu Y, Hoover PJ, et al. El paisatge de les cèl·lules immunitàries als ronyons de pacients amb nefritis lúpica. Nat Immunol. Juliol de 2019;20(7):902–14.

46. ​​Der E, Ranabothu S, Suryawanshi H, Akat KM, Clancy R, Morozov P, et al. Seqüenciació d'ARN unicel·lular per disseccionar l'heterogeneïtat molecular de la nefritis lúpica. JCI Insight. Maig de 2017;2(9):e93009.

47. Der E, Suryawanshi H, Morozov P, Kustagi M, Goilav B, Ranabothu S, et al. La transcriptòmica unicel·lular de cèl·lules tubulars i queratinòcits aplicada a la nefritis lúpica revela vies rellevants de l'IFN de tipus I i de la fibrosi. Nat Immunol. Juliol de 2019;20(7):915–27.

48. Conway BR, O'Sullivan ED, Cairns C, O'Sullivan J, Simpson DJ, Salzano A, et al. L'atles unicel·lular de ronyó revela heterogeneïtat mieloide en la progressió i regressió de la malaltia renal. J Am Soc Nephrol. desembre 2020; 31(12):2833–54.

49. Cameron GJM, Cautivo KM, Loering S, Jiang SH, Deshpande AV, Foster PS, et al. Les cèl·lules limfoides innates del grup 2 són redundants en lesions experimentals d'isquèmia-reperfusió renal. Front Immunol. 2019;10:826.

50. Kreimann K, Jang MS, Rong S, Greite R, von Vietinghoff S, Schmitt R, et al. La lesió per isquèmia-reperfusió desencadena l'alliberament de CXCL13 i el reclutament de cèl·lules B després del trasplantament de ronyó al·logènic. Front Immunol. 2020;11:1204.

51. Kirita Y, Wu H, Uchimura K, Wilson PC, Humphreys BD. El perfil cel·lular de la lesió renal aguda del ratolí revela respostes cel·lulars conservades a la lesió. Proc Natl Acad Sci US A. 2020 Jul;117(27):15874–83.

52. Wen L, Yang H, Ma L, Fu P. Els papers de les vies de senyalització mediades per inflammasoma NLRP3 en la nefropatia hiperuricèmica. Mol Cell Biochem. Març de 2021;476(3):1377–86.

53. Nishinakamura R. Organoides del ronyó humà: progrés i reptes restants. Nat Rev Nephrol. Octubre 2019;15(10):613–24.

54. Tran T, Lindström NO, Ransick A, De Sena Brandine G, Guo Q, Kim AD, et al. Les trajectòries de desenvolupament in vivo de podòcits humans informen la diferenciació in vitro de podòcits derivats de cèl·lules mare pluripotents. Cèl·lula de desenvolupament. Juliol de 2019;50(1):102–e6.

55. Uchimura K, Wu H, Yoshimura Y, Humphreys BD. Organoides renals derivats de cèl·lules mare pluripotents humanes amb maduració millorada del conducte col·lector i modelització de lesions. Cell Rep. 2020 Dec;33(11):108514.

56. Subramanian A, Sidhom EH, Emani M, Vernon K, Sahakian N, Zhou Y, et al. El cens unicel·lular d'organoides renals humans mostra reproductibilitat i disminució de les cèl·lules fora de l'objectiu després del trasplantament. Nat Commun. 10 de novembre de 2019 (1): 5462.

57. Wu H, Uchimura K, Donnelly EL, Kirita Y, Morris SA, Humphreys BD. Anàlisi comparativa i perfeccionament de la diferenciació d'organoides renals derivats de PSC humà amb transcriptòmica unicel·lular. Cèl·lula mare cel·lular. 23 de desembre de 2018 (6):869–e8.

58. Czerniecki SM, Cruz NM, Harder JL, Menon R, Annis J, Otto EA, et al. El cribratge d'alt rendiment millora la diferenciació d'organoides renals de les cèl·lules mare pluripotents humanes i permet un fenotipat multidimensional automatitzat. Cèl·lula mare cel·lular. Juny 2018;22(6): 929–e4.

59. Dvela-Levitt M, Kost-Alimova M, Emani M, Kohnert E, Thompson R, Sidhom EH, et al. La petita molècula s'adreça a TMED9 i promou la degradació lisosomal per revertir la proteinopatia. Cèl·lula. Juliol de 2019;178(3):521–e23.

60. Wu H, Malone AF, Donnelly EL, Kirita Y, Uchimura K, Ramakrishnan SM, et al. La transcriptòmica unicel·lular d'un exemplar de biòpsia d'al·loempelt de ronyó humà defineix una resposta inflamatòria diversa. J Am Soc Nephrol. Ago 2018;29(8):2069–80.

61. Malone AF, Wu H, Fronick C, Fulton R, Gaut JP, Humphreys BD. L'aprofitament de la variació d'un sol nucleòtid i la seqüenciació d'ARN unicel·lular per definir el quimerisme de les cèl·lules immunitàries en el trasplantament de ronyó que rebutja. J Am Soc Nephrol. 31 de setembre de 2020 (9):1977–86.

62. Liu Y, Hu J, Liu D, Zhou S, Liao J, Liao G, et al. L'anàlisi unicel·lular revela el paisatge immunològic dels ronyons dels pacients amb rebuig crònic del trasplantament. Teranòstics. 2020; 10(19):8851–62.

63. Wang Y, Zhao Y, Zhao Z, Li D, Nie H, Sun Y, et al. L'anàlisi d'ARN-Seq unicel·lular va identificar cèl·lules progenitores renals de l'orina humana. Cèl·lula proteica. Abr 2021;12(4):305–12.

64. Stark R, Grzelak M, Hadfield J. Seqüenciació de l'ARN: els anys de l'adolescència. Nat Rev Genet. Nov. 2019;20(11):631–56. 65 Regev A, Teichmann SA, Lander ES, Amit I, Benoist C, Birney E, et al. L'atles de cèl·lules humanes. Elife. 2017;12:6.

Mengmeng Jiang^a,b; Haide Chen^{b, c}; Guoji Guo^{a, b, c, d, e}

a: Laboratori Liangzhu, Centre Mèdic de la Universitat de Zhejiang, Hangzhou, Xina;

b: Centre de Cèl·lules Mare i Medicina Regenerativa, Escola de Medicina de la Universitat de Zhejiang, Hangzhou, Xina;

c: Laboratori clau provincial de Zhejiang per a Enginyeria de Teixits i Medicina Regenerativa, Dr. Li Dak Sum i Yip Yio Chin, Centre de Cèl·lules Mare i Medicina Regenerativa, Hangzhou, Xina;

d: Centre de trasplantament de medul·la òssia, el primer hospital afiliat, Escola de Medicina de la Universitat de Zhejiang, Hangzhou, Xina;

e: Institut d'Hematologia, Universitat de Zhejiang, Hangzhou, Xina