Bahagian 1 Kepelbagaian Fenotip Dan Pengkhususan Metabolik Sel Endothelial Renal
Mar 21, 2022
Hubungi: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mel:audrey.hu@wecistanche.com
Sébastien J. Dumas1,6, Elda Meta1,6, Mila Borri1,6, Yonglun Luo 2,3, Xuri Li4 , Ton J. Rabelink5 dan Peter Carmeliet1,4
Cistanche tubulosa mencegah penyakit buah pinggang, klik di sini untuk mendapatkan sampel
Abstrak |
Kehidupan multiselular kompleks dalam mamalia bergantung pada kerjasama fungsi organ yang berbeza untuk kemandirian keseluruhan organisma. Thebuah pinggangmemainkan peranan penting dalam proses ini melalui pengekalan isipadu cecair dan homeostasis komposisi, yang membolehkan organ lain memenuhi tugas mereka. Endothelium buah pinggang mempamerkan ciri fenotip dan molekul yang membezakannya daripada endothelia organ lain. Selain itu, vaskular buah pinggang dewasa terdiri daripada pelbagai populasi yang kebanyakannya senyap, tetapi tidak aktif secara metabolik, sel endothelial (EC) yang berada di dalambuah pinggangglomeruli, korteks, dan medula. Setiap populasi ini menyokong fungsi tertentu, contohnya, dalam penapisan plasma darah, penyerapan semula dan rembesan air dan zat terlarut, dan kepekatan air kencing. Profil transkrip bagi populasi EC yang pelbagai ini menunjukkan bahawa mereka telah menyesuaikan diri dengan keadaan persekitaran mikro tempatan (hipoksia, tegasan ricih, hiperosmolariti), membolehkan mereka menyokong fungsi buah pinggang. Pendedahan EC kepada faktor angiogenik yang berasal dari persekitaran mikro menjejaskan metabolisme mereka, dan mengekalkanbuah pinggangpembangunan dan homeostasis, manakala faktor endokrin yang berasal dari EC mengekalkan ceruk persekitaran mikro yang berbeza. Dalam konteks penyakit buah pinggang, EC buah pinggang menunjukkan perubahan dalam metabolisme dan fenotipnya sebagai tindak balas kepada perubahan patologi dalam persekitaran mikro tempatan, seterusnya menggalakkan disfungsi buah pinggang. Memahami kepelbagaian dan pengkhususan EC buah pinggang boleh menyediakan saluran baharu untuk rawatan penyakit buah pinggang danbuah pinggangpenjanaan semula.
Sistem vaskular mamalia terdiri daripada dua rangkaian bersambung dan sangat bercabang yang merangkumi seluruh badan — masing-masing mempunyai peranan tertentu. Sistem vaskular darah menghantar oksigen dan nutrien ke tisu parenkim dan memudahkan penyingkiran sisa, pengawasan imun dan pemerdagangan sel imun, pembekuan, dan penghasilan isyarat endokrin untuk penyelenggaraan dan penjanaan semula tisu1. Sebaliknya, sistem vaskular limfa mengalirkan cecair interstisial yang diekstravasasi daripada kapilari darah telap kembali ke vena dan memudahkan pemerdagangan sel imun dan pengangkutan lipid2. Semua saluran darah dipenuhi dengan sel endothelial darah (BEC, dirujuk sebagai EC selepas ini), manakala sel endothelial limfa (LEC) membentuk lapisan paling dalam saluran limfa — dengan setiap populasi menyokong tugas khusus vaskularnya. Walau bagaimanapun, heterogeniti endothelial melangkaui perbezaan luas antara darah dan endothelium limfa. Khususnya, EC dari organ yang berbeza mempamerkan profil molekul unik yang menyokong fungsi khusus organ tersebut3–6. Thebuah pinggangfaedahdaripada vaskular yang sangat khusus, yang berkait rapat dengan sistem epitelium buah pinggang7. Khususnya, populasi sel endothelial renal (REC) yang berbeza secara fenotip wujud bersama dalam tiga petak anatomi dan fungsianbuah pinggang, glomeruli, korteks dan medula — di mana ia menyokong tugas buah pinggang tertentu8,9. Yang penting, kemajuan teknologi telah membolehkan kajian heterogeniti REC pada peringkat sel tunggal, memberikan pandangan baharu tentang peranan khusus mereka dalam kesihatan dan penyakit buah pinggang.6,10,11.
Thebuah pinggangadalah penting untuk mengekalkan homeostasis organisma, mengawal isipadu dan komposisi cecair badan7. Buah pinggang menerima 20–25 peratus daripada keluaran jantung dan mempamerkan seni bina saluran darah stereotaip. Seni bina ini bukan sahaja membolehkan penghantaran oksigen dan nutrien kepadabuah pinggang, tetapi juga membolehkan penyertaan dalam penapisan plasma darah, penyerapan semula ion dan metabolit daripada filtrat, rembesan ion, dan metabolit dalam air kencing primer, dan kepekatan air kencing.7,8. Proses yang sangat diatur ini membolehkan penalaan halus isipadu cecair ekstraselular, tekanan darah, osmolaliti, dan kepekatan ion7,8. Buah pinggang juga mengawal tahap metabolit yang beredar, bukan sahaja dengan mengeluarkan sisa metabolik tetapi juga dengan melepaskan glukosa (melalui glukoneogenesis) dan asid amino, contohnya.12. Organ mamalia terus bertukar metabolit melalui peredaran, dengan penggunaan terpilih untuk menyokong aktiviti metabolik mereka sendiri12.
Sehubungan itu, fungsi metabolik EC dalam organ yang berbeza mungkin menunjukkan perbezaan khusus organ, seperti yang disokong oleh penemuan daripada analisis transkrip metabolik EC dalam organ yang berbeza.6. Tambahan pula, keplastikan metabolik EC membolehkan mereka menyesuaikan diri dan bertindak balas terhadap perubahan persekitaran berkenaan dengan keperluan dan fungsi metabolik mereka3,13. Bukti yang muncul menunjukkan bahawa REC khusus bagibuah pinggangmenyesuaikan transkrip metabolik mereka untuk menyokong fungsi buah pinggang10.
Disfungsi REC mengiringi kehilangan akut atau progresifbuah pinggangfungsi14,15. Disfungsi ini dikaitkan dengan peningkatan vasokonstriksi arteri dan pengurangan aliran darah buah pinggang, pemerolehan fenotip pro-radang dan pro-trombotik yang menyokong lekatan dan penyusupan sel imun dan pembentukan mikrotrombi, pemisahan perisit mural daripada endothelial. lapisan, pecahan penghalang endothelial yang mengakibatkan edema interstisial, jarang kapilari peritubular (dengan itu menggalakkan hipoksia buah pinggang), dan peralihan endothelial-ke-mesenchymal, yang menyumbang kepada fibrosis buah pinggang16,17, menunjukkan bahawa endothelium boleh disasarkan untuk melindungi daripada buah pinggang kecederaan dan/atau untuk menjana semula fungsi buah pinggang.
Kajian ini meringkaskan pemahaman semasa kami tentangbuah pinggangvasculature, memfokuskan pada kemajuan terkini dalam pemahaman kita tentang heterogeniti fenotip, molekul dan metabolik REC berkaitan dengan persekitaran mikro mereka. Kami juga membincangkan potensi aplikasi penyasaran metabolisme REC sebagai strategi terapeutik dalambuah pinggangpenyakitatau untuk penjanaan semula buah pinggang.
Perkara utama
• Endothelium berbeza antara organ yang berbeza, mungkin untuk menyokong fungsi organ yang berbeza.
• Pelbagai fenotip sel endothelial khusus wujud bersama dalam glomeruli renal, korteks dan medula; ini berfungsi untuk menyokong penapisan glomerular, penyerapan semula dan rembesan ion dan metabolit, dan kepekatan air kencing.
• Persekitaran mikro tempatan yang berbeza dibuah pinggangmembentuk heterogeniti molekul dan metabolik endothelium buah pinggang; Sebaliknya, faktor endokrin yang berasal dari sel endothelial mengekalkan niche yang berbezabuah pinggangpersekitaran mikro.
• Metabolisme sel endothelial buah pinggang boleh diubah dalam konteksbuah pinggangkecederaan dan penyakit, sebahagiannya akibat daripada perubahan dalam persekitaran mikro.
• Pemahaman yang lebih mendalam tentang kepelbagaian fenotip dan pengkhususan metabolik sel endothelial buah pinggang boleh membantu mengenal pasti sasaran baharu untukrawatan daripadabuah pinggangpenyakitdanbuah pinggangpenjanaan semula.
Keheterogenan endothelium buah pinggang
Anatomi vaskular buah pinggang
Thebuah pinggangdibekalkan dengan darah melalui arteri renal, yang selepas memasukibuah pinggangmelalui hilum renal, bercabang menjadi arteri segmental, interlobar, arcuate, dan interlobular (Rajah 1a), dan akhirnya, arteriol aferen, yang merupakan saluran rintangan tinggi yang bertanggungjawab untuk mengawal aliran darah glomerular dan kadar penapisan glomerular (GFR) 18. Dari arteriol aferen, darah memasuki gumpalan glomerular — rangkaian kapilari glomerular yang sangat terfenestrasi di mana ultrafiltrasi plasma darah berlaku pada kadar ~120–140 ml/min pada manusia dewasa, membolehkan zat terlarut dengan berat molekul rendah melepasi glomerular. kapilari ke ruang Bowman19. Selepas sebahagian kecil daripada plasma telah ditapis, darah meninggalkan jumbai glomerular melalui arteriol eferen untuk memvaskularkan tubul berbelit distal dan proksimal, membentuk rangkaian kapilari peritubular kortikal. Darah dalam kapilari peritubular diperkaya dengan zat terlarut dengan berat molekul tinggi dan mempunyai kandungan bendalir yang rendah akibat kehilangan bendalir semasa ultrafiltrasi glomerulus. Oleh itu, kapilari peritubular didedikasikan untuk penyerapan semula air, ion, dan nutrien penting dari proksimal.7,20dan tubulus distal21. Beberapa ion seperti H plus (ref. 22) dan K plus (ref. 23) serta molekul seperti kreatinin24dan metabolit dadah25— yang tidak ditapis sepenuhnya oleh kapilari glomerular tetapi masih perlu disingkirkan daripada badan — bergerak dari kapilari peritubular ke dalam sel epitelium proksimal20 atau tubul distal untuk dirembeskan dan disingkirkan dalam air kencing21. Arteriol eferen daripada nefron juxtamedullary menimbulkan vasa recta menurun (DVR), yang saling bersambung dengan vasa recta menaik (AVR) melalui plexus kapilari. AVR dan DVR berjalan berlawanan dengan gelung Henle dan mengambil bahagian dalam pertukaran arus berlawanan medulla, yang seperti yang diterangkan kemudian, adalah perlu untuk mengekalkan kecerunan osmolariti untuk kepekatan air kencing26. Akhirnya, sistem kapilari kortikal dan medula bersama-sama dengan AVR bergabung menjadi sistem vena di persimpangan korticomedular. Lebih khusus lagi, pembuluh darah vena renal mengalirkan darah dari kapilari peritubular dan AVR ke dalam vena interlobular dan arkuata dan kemudian vena interlobar, akhirnya membentuk vena renal yang muncul daribuah pingganghilum dan akhirnya bercabang ke dalam vena kava inferior7.
Thebuah pinggangjuga dibekalkan oleh saluran limfa, yang mengikut topografi keseluruhanbuah pinggangpembuluh darah27(Gamb. 1a). Mereka terutamanya terdapat dalam korteks buah pinggang di mana peranan utamanya adalah untuk mengeluarkan cecair dan makromolekul (seperti albumin) dari ruang interstisial antara tubul dan kapilari.28. Mereka juga mempunyai peranan dalam penyusupan sel imun dan keradangan seterusnya29. Dalam glomeruli, mereka mengelilingi kapsul Bowman tanpa menembusi ke dalam jumbai glomerulus28. Sebaliknya, saluran limfa tradisional jarang terdapat dalam medula buah pinggang; di rantau ini, cecair interstisial dan makromolekul dikeluarkan oleh AVR, yang mewakili sejenis saluran darah hibrid dengan ciri seperti limfa.28,30.
Fenotip sel endothelial buah pinggang
EC dari organ yang berbeza secara fenotip heterogen3–6,31. Sifat unik REC, dan khususnya EC glomerular, telah lama dihargai. Profil transkrip global EC daripada tikus telah mengesahkan kewujudan tandatangan transkrip khusus organ3,4,6. Daripada nota, kajian ini telah menunjukkan bahawa REC adalah yang paling berbeza dengan EC daripada organ lain termasuk otak, jantung, paru-paru, otot dan testis.4(Rajah 1b) melalui ekspresi gen mereka yang dikaitkan dengan isyarat interferon, serta gen yang mengekod faktor endokrin FGF1 dan IL-33 (rujuk4,6). Heterogenitas khusus organ EC mungkin mendasari penyesuaian molekul mereka untuk memenuhi peranan fungsi tertentu3–6,31.
Walau bagaimanapun, heterogeniti REC melangkaui tahap organotip, dengan kepelbagaian yang luar biasabuah pinggangvasculature, seperti yang ditunjukkan pada mulanya oleh mikroskop elektron dan kajian microarray dan seterusnya oleh analisis sel tunggal6,32,33. Thebuah pinggangkorteks, glomeruli, dan medulla mengandungi populasi EC yang unik (masing-masing cRECs, gRECs, dan mRECs). Kepelbagaian dalam populasi EC ini mungkin timbul daripada pendedahan kepada persekitaran mikro yang berbeza di kawasan ini. Sebagai contoh, endothelium glomerular terdedah kepada tekanan vaskular yang tinggi dan berinteraksi rapat dengan podosit untuk mengawal ultrafiltrasi, manakala mREC terdedah kepada osmolariti tinggi dan hipoksia, yang berkaitan dengan pengekalan kecerunan osmolariti dan kepekatan air kencing.6,9,10,32(Gamb. 1c). Di luar heterogeniti antara petak, REC juga menunjukkan heterogeniti dalam petak, yang mungkin ditentukan oleh beberapa faktor genetik dan persekitaran, termasuk jenis katil vaskular (arteri, kapilari, vena), interaksinya dengan jenis sel lain (contohnya. , sel otot licin, pericytes, sel berbutir, podosit dan sel epitelium tubul) dan pendedahannya kepada persekitaran mikro yang berbeza dalam petak yang sama, seperti pendedahan kepada jenis aliran yang berbeza atau tahap osmolariti yang berbeza34 (Rajah 1c). Perkembangan dalam teknologi transkriptomi sel tunggal telah membolehkan kepelbagaian REC tetikus dipetakan pada resolusi yang sangat tinggi6,10,11, mendedahkan sehingga 24 populasi REC yang berbeza secara transkripsi6,10,11. Daripada nota, penemuan daripada kajian RNA-seq sel tunggal yang diringkaskan di bawah masih perlu disahkan pada tahap protein, kedua-duanya untuk mengesahkan secara komprehensif penyetempatan spatial protein yang diramalkan dan juga untuk mengintegrasikan pengetahuan tentang perubahan pasca terjemahan dan/atau mekanisme isyarat yang boleh menjejaskan aktiviti protein. Juga perlu diperhatikan ialah hakikat bahawa pengayaan relatif gen dalam populasi REC tertentu seperti yang ditentukan oleh penjujukan sel tunggal tidak semestinya membayangkan bahawa ekspresi gen itu terhad kepada populasi sel tertentu itu.
Heterogenitas sel endothelial buah pinggang glomerular.Thebuah pinggangglomerulus ialah struktur yang sangat khusus yang bertanggungjawab untuk penapisan plasma darah untuk menghasilkan penapisan air kencing utama sambil memastikan protein plasma yang penting dikekalkan dalam darah. Ia terdiri daripada kapilari glomerular yang terletak di antara arteriol aferen dan eferen, yang merupakan saluran rintangan yang mengawal kedua-dua aliran darah dan tekanan kapilari. Arteriol nefron bersentuhan separa dengan radas juxtaglomerular (JGA) - struktur khusus yang terdiri daripada makula densa tubul berbelit distal, sel penghasil renin berbutir yang dikaitkan dengan arteriol aferen dan sel mesangial ekstraglomerular (Rajah 1). 2a). JGA mengawal GFR nefron tunggal dan tekanan darah melalui maklum balas tubuloglomerular, tindak balas miogenik, dan pembebasan renin19,35–37.
Endothelium kapilari glomerular terdiri daripada EC unik dengan fenestrasi bukan diafragma yang membenarkan penapisan volum tinggi cecair38 (Rajah 2b).
Fenestrasi bersaiz 50–100 nm dan menduduki sekitar 20 peratus daripada luas permukaan sel, muncul pada pengimejan mikroskopik elektron sebagai lubang trans-selular38. Diameter fenestrasi ini secara teorinya cukup besar untuk membenarkan laluan cecair dan protein besar ke dalam tubulus. Walau bagaimanapun, gREC kapilari juga menghasilkan lapisan glikokaliks yang tebal yang terdiri daripada glikoprotein dan polisakarida bercas negatif yang bertindak sebagai penghalang kepada laluan protein.39,40. Selain itu, komponen plasma diserap dalam glycocalyx dan membentuk lapisan yang lebih luas dipanggil lapisan permukaan endothelial41, yang dengan struktur filamennya meningkatkan lagi selektiviti penghalang endothelial glomerular.42. Sesungguhnya, albuminuria dan proteinuria diperhatikan apabila kerosakan glikokaliks39,43,44. Bersama-sama dengan podosit, gREC kapilari juga mensintesis dan berkongsi matriks ekstraselular biasa yang dikenali sebagai membran bawah tanah glomerular (GBM), yang terdiri terutamanya kolagen jenis IV, laminin dan proteoglycans sulfat42. Mutasi yang menjejaskan sintesis mana-mana komponen GBM membawa kepada proteinuria45,46. Oleh itu, gREC kapilari, podosit, dan GBM membentuk penghalang penapisan glomerular yang cekap. Nota, endothelium kapilari glomerular tidak mempunyai diafragma dan oleh itu tidak menyatakan jenis II transmembrane glycoprotein plasmalemma vesicle-related protein 1 (PV1), yang dikodkan oleh Plvap10 dan merupakan penanda tipikal EC terfenestrasi yang dikaitkan dengan diafragma penyambung endothelial. fenestrae dan caveolae47
Pembangunan dan penyelenggaraan fenestrasi gREC kapilari memerlukan faktor pertumbuhan endothelial vaskular yang berasal dari podocyte (VEGF), yang bertindak secara paracrine melalui reseptor VEGF 2 endothelial (VEGFR2, juga dikenali sebagai KDR)48. Ekspresi berlebihan VEGF menyebabkan keruntuhan glomerular, kehilangan gREC kapilari yang cepat, dan proteinuria besar-besaran49. Oleh itu, peraturan ketat VEGF podosit diperlukan untuk menubuhkan vaskular glomerular semasa perkembangan embrio, dan untuk penyelenggaraan fenestrasi dalam kapilari glomerular matang.38,42. Begitu juga, VEGF yang berasal dari sel epitelium tiub membolehkan penyelenggaraan rangkaian kapilari peritubular50
Tidak seperti EC kapilari lain, gREC terdedah kepada tekanan darah tinggi dan aliran darah tinggi, yang mendorong proses penapisan glomerular dan mendedahkan gREC kepada tegasan ricih yang besar51. Sehubungan itu, gREC menyatakan tahap tinggi transkrip terkawal tegasan ricih Pi16 (rujuk6,10,11,52) (Rajah 2c; Jadual Tambahan 1). gREC kapilari juga menyatakan beberapa penanda lain10,11,32,53, termasuk Ehd3, yang mengekod ahli keluarga protein EHD10,11,38,54,55yang mengawal kitar semula endositik dan dianggap mengawal kitar semula VEGFR2 dalam gREC kapilari (Rajah 2c), bersama-sama dengan EHD4 (rujuk 54). Oleh itu, EHD3 mungkin menyumbang kepada penyelenggaraan fenestrasi kapilari glomerular. GREC kapilari juga menunjukkan ekspresi gen yang diperkaya yang dikaitkan dengan laluan isyarat TGF -BMP (Eng, Smad6, Smad7, Xiao, dan Hipk2 (refs10,56-58)), yang terlibat dalam pembentukan kapilari glomerular. Ekspresi berlebihan TGF mendorong proteinuria dan glomerulosklerosis59, dan dengan itu kehadiran SMAD yang menghalang, seperti yang dikodkan oleh Smad6 dan Smad7 dalam gREC boleh menghalang isyarat TGF yang berlebihan dan disfungsi glomerular. Sebaliknya, BMP yang berasal dari podosit adalah penting untuk pembentukan kapilari glomerular yang normal60. gREC kapilari juga secara khusus menyatakan Nostrin32, produk protein yang mengikat endothelial nitric oxide synthase (eNOS) untuk mencetuskan translokasinya daripada membran plasma kepada struktur subselular seperti vesikel, dan melemahkan pengeluaran nitrik oksida (NO) — pengawal selia penting GFR32. Selain itu, ekspresi terhad lipoprotein lipase (Lpl) kepada gREC kapilari menunjukkan bahawa endothelium glomerular mungkin penting untuk pembebasan asid lemak ke dalam ultrafiltrat, yang kemudiannya boleh digunakan sebagai sumber tenaga oleh sel epitelium tubul atau untuk pengawalan kandungan lipid darah atau boleh menyumbang kepada pengumpulan lipid glomerular seperti yang diperhatikan dalam konteks patologi6,10,61,62. Menariknya, ekspresi renal gen yang terlibat dalam metabolisme lipid berkorelasi dengan GFR dan keradangan pada pesakit dengankencing manisbuah pinggangpenyakit, manakala pengoksidaan asid lemak yang rosak (FAO) dalam sel tiub menyumbang kepada pembangunanbuah pinggangfibrosis61,62.
Faktor transkripsi, seperti SOX17 dan COUP-TFII (dikodkan oleh Nr2f2) dalam REC arteri dan vena, masing-masing, memacu tandatangan transkriptom dan identiti katil vaskular tertentu63,64. Identiti gREC bergantung pada aktiviti sekurang-kurangnya dua faktor transkripsi: GATA5 dan TBX3 (refs10,11,32) (Rajah 2c), yang menjadi pengantara pemerolehan profil ekspresi gen seperti gREC apabila diekspresikan secara berlebihan bersama dalam urat umbilik manusia. ECs (HUVECs), model EC yang biasa digunakan11. Regulon GATA5 dikawal selia dalam gREC tetapi tidak dalam populasi REC lain10,11dan pemadaman terpilih Gata5 dalam EC menyebabkan lesi glomerular65. Selain itu, pemadaman Tbx3 khusus EC menyebabkan kecacatan morfogenik seperti mikroaneurisme dalam subset glomeruli, pengurangan bilangan fenestrasi gREC kapilari, dan proses kaki podosit yang cacat, mencadangkan peranan untuk faktor transkripsi ini dalam mengekalkan organisasi struktur kapilari glomerular.11. Di samping itu, kedua-dua GATA5 dan TBX3 terlibat dalam pengawalan tekanan darah. GATA5 menjejaskan fungsi vaskular biasa, protein kinase A, dan laluan isyarat NO65, manakala TBX3 dianggap memodulasi tekanan darah melalui pengawalan rembesan renin dalambuah pinggang11.
Peraturan nada vaskular arteriol aferen dan eferen diperlukan untuk mengekalkan tekanan kapilari glomerulus yang sentiasa tinggi yang diperlukan untuk penapisan glomerular18. Proses kawal selia ini membolehkan GFR yang berterusan dikekalkan walaupun terdapat perubahan dalam tekanan sistemik dan output jantung66. Arteriol aferen mempunyai satu hingga tiga lapisan sel otot licin vaskular (VSMC), yang, berdekatan dengan JGA, sebahagiannya digantikan oleh sel berbutir yang menghasilkan renin67 (Rajah 2d). Keheterogenan EC juga wujud dalam arteriol aferen, dengan fenestrasi bukan diafragma endothelium yang paling hampir dengan JGA68,69 — serupa dengan endothelium kapilari glomerular — mungkin untuk memudahkan pengangkutan renin yang cepat ke dalam darah18 (Rajah 2d). Ungkapan Gja5 (pengekodan connexin 40), diperkaya dalam subset gREC ini10,70dan mempunyai peranan penting dalam komunikasi antara endothelium dan sel berbutir dalam JGA untuk mengawal pelepasan renin35,70,71. EC ini juga diperkaya dalam gen lain yang terlibat dalam interaksi sel-ke-sel, seperti yang berkaitan dengan laluan isyarat Wnt dan Notch, Ephrin dan sitokin, dan kemokin (Rajah 2c), yang mungkin menjadi pengantara crosstalk antara sel mesangial dan/ atau sel berbutir dan gREC dalam JGA, dan berpotensi menyumbang kepada autoregulasi dan modulasi tekanan darah10.
Sebaliknya, gREC di bahagian hulu (paling distal) arteriol aferen mengekspresikan gen yang terlibat dalam pengawalan petrol seperti Edn1 (yang mengekodkan endothelin 1), Alox12 (arachidonate 12-lipoxygenase) dan S1pr1 (sfingosin{{6 }}reseptor fosfat 1)10,72,73(Gamb. 2c). Laluan isyarat S1P-S1PR1 dengan kuat mengawal petrol arteriol aferen dengan mengaktifkan sistem eNOS74–76. Selaras dengan peranan ini, reseptor S1P diperkaya dalam gREC dalam arteriol aferen dan tidak dikesan dalam arteriol eferen.10.
Berbeza dengan gREC dalam arteriol aferen, gREC dalam arteriol eferen menunjukkan ekspresi connexin yang lebih rendah77, terutamanya connexin 37 dan connexin 40 (masing-masing dikodkan oleh Gja4 dan Gja5)10. Sama seperti EC dari arteriol aferen, walau bagaimanapun, analisis transkriptom EC dari arteriol eferen menunjukkan kehadiran dua populasi gREC: satu mungkin dikaitkan dengan JGA (mengekspresikan gen yang dikaitkan dengan lekatan dan ekstravasasi sel imun, dan kebolehtelapan EC) dan kedua. yang sepadan dengan bahagian distal arteriol eferen (diperkaya dalam gen yang terlibat dalam tindak balas hiperosmolariti)10 (Rajah 2c).
Wawasan ini mencadangkan bahawa kepelbagaian fenotip dan fungsi gRECs mendasari keupayaan endothelia ini untuk mengekalkan GFR melalui modulasi aktif aliran darah glomerular dan dengan memastikan kecekapan penapisan glomerular. Melalui penyepaduan maklum balas tubuloglomerular dan isyarat miogenik, gREC yang dikaitkan dengan JGA, khususnya, mungkin merupakan pengawal selia kritikal GFR.
Heterogenitas sel endothelial buah pinggang kortikal.Sebagai tambahan kepada endotel kapilari glomerulus dan arteriol aferen dan eferen pra-glomerular dan pasca-glomerular,buah pinggangkorteks mengandungi saluran limfa, dan arteri dan vena yang besar bersama dengan vasa vasora yang berkaitan, venula postcapillary, dan kapilari peritubular. Selaras dengan peranannya dalam penyerapan semula dan rembesan zat terlarut, ion dan air, kapilari peritubular kortikal ialah kapilari berdinding nipis yang terdiri daripada EC yang digandingkan secara fungsional dengan epitelium tiub9 (Rajah 3a). Berbanding dengan gREC dan mREC, cREC — khususnya, EC kapilari peritubular — menyatakan tahap tinggi Igfbp3 (mengekodkan protein pengikat faktor pertumbuhan seperti insulin 3), dan Npr3 (mengekodkan reseptor peptida natriuretik 3)10,11 (Rajah 3b) .
Kapilari peritubular kortikal timbul daripada arteriol eferen dan mengelilingi tubul berbelit proksimal dan distal (Rajah 3a), membekalkan oksigen dan nutrien, dan menyumbang kepada pengambilan bahan terlarut dan penyerapan semula air daripada lumen tiub.9. Tidak seperti kapilari glomerular, EC kapilari peritubular mengekspresikan Plvap, produk proteinnya (PV1) merentangi EC fenestrae kapilari peritubular. Fenestra diafragma ini berdiameter 62–68 nm dan mungkin memudahkanpertukaran air, ion, dan zat terlarut kecil dengan tubul proksimal dan distal9,10
Glomeruli menapis kira-kira 180 g glukosa setiap hari78 dan dalam keadaan fisiologi, hampir kesemuanya diserap semula dalam tubul proksimal. Glukosa yang ditapis mula-mula diserap semula daripada lumen tubul proksimal di dalam sel epitelium melalui kotransporter natrium-glukosa (SGLTs). Sebaik sahaja kepekatan glukosa intraselular melebihi kepekatan interstitium, ia meresap ke dalam ruang interstisial melalui pengangkut glukosa terfasil khusus (GLUT), dari mana ia diserap semula ke dalam aliran darah79. Selaras dengan peranan mereka dalam proses ini, EC kapilari peritubular menyatakan tahap Slc2a1 (pengekodan GLUT1) yang lebih tinggi daripada EC katil vaskular renal lain11 (Rajah 3b), menunjukkan bahawa penyerapan semula glukosa mungkin dipermudahkan oleh GLUT1 dalam EC kapilari peritubular.
Kapilari peritubular kortikal termasuk dua populasi EC — satu yang menyatakan tahap Apoe yang tinggi (pengekodan apolipoprotein E) dan satu yang menyatakan sedikit atau tiada Apoe10 (Rajah 3b). Populasi Apoe-high menunjukkan ekspresi diperkaya gen lain yang berkaitan dengan metabolisme lipid seperti Plpp3 dan Thrsp10,80,81. Sebaliknya, populasi Apoe-rendah menyatakan gen pengekodan reseptor VEGF (Kdr, Flt1, dan Nrp1, pengekodan VEGFR2, VEGFR1 dan neuropilin 1, masing-masing), protein dan reseptor pengikat faktor pertumbuhan seperti insulin (Igfbp5, Igfbp3, dan Insr) , dan Npr3, yang mengodkan reseptor untuk peptida natriuretik, yang mengawal isipadu darah dan perkumuhan natrium10,82–85. Sama ada kedua-dua populasi EC ini wujud dalam kapilari berasingan yang berinteraksi dengan tubul berbelit proksimal atau tubul distal, atau sama ada ia wujud dalam kapilari yang sama pada masa ini tidak diketahui.
Yang menghairankan, dua populasi EC kapilari tambahan juga telah diterangkan dalam korteks buah pinggang tetikus - populasi EC seperti angiogenik dan populasi yang dicirikan oleh ekspresi gen dan gen yang dirangsang interferon yang terlibat dalam pemprosesan dan pembentangan antigen10 (Rajah 3b) . EC seperti angiogenik mungkin mempunyai peranan dalam penjanaan semula REC yang rosak, manakala EC yang diaktifkan interferon mungkin mengambil bahagian dalam pengawasan imun, walaupun kajian lanjut diperlukan untuk menyiasat kemungkinan ini10.
cREC dalam arteri besar dicirikan oleh ekspresi gen faktor transkripsi arteri Sox17 dan gen simpang ketat Cldn5 (claudin 5), manakala cREC dalam urat besar dicirikan oleh ekspresi faktor transkripsi Nr2f2 (COUP-TFII), dan penanda fenestration Plvap6,10,11,47,63,64,86(Gamb. 3b).
cREC arteri mengekspresikan gen pengekodan semaphorin Sema3g, yang mempunyai kesan autokrin dan paracrine pada EC dan VSMC, masing-masing, gen pengekodan connexin Gja4 dan Gja5, yang merupakan komponen persimpangan myoendothelial, dan ahli keluarga Notch Jag1 (refs6,10, 11,87–90) (Gamb. 3b). Arteri besar terdedah kepada tekanan darah tinggi dan nada vaskularnya dimodulasi sebagai tindak balas kepada perubahan tekanan darah. Keupayaan mereka untuk bertindak balas kepada isyarat mekanikal didayakan oleh kehadiran lapisan elastik dalam media tunika yang kaya dengan gentian elastik.9,91dan melalui ekspresi gen yang berkaitan dengan pemasangan gentian elastik seperti Eln (elastin), Ltbp4 (faktor pertumbuhan pengubah laten- -protein pengikat 4), Fbln5 (fibulin 5) dan Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). Mereka juga menyatakan tahap tinggi Mgp (protein Gla matriks)6,10, yang menyekat kalsifikasi vaskular mungkin melalui perencatan isyarat BMP2 dan BMP496. Selaras dengan peranan mereka dalam mengawal aliran darah buah pinggang, cREC arteri besar juga mengekspresikan gen yang bertanggungjawab untuk peraturan petrol seperti Ace, Edn1, dan S1pr1 (refs6,10,97–99) (Rajah 3b).
Penghantaran oksigen dan nutrien dan penyingkiran bahan buangan yang dilepaskan dalam dinding vaskular arteri dan vena besar dipermudahkan oleh vasa vasora100. REC Vasa vasora tidak dikenal pasti dalam kajian REC sel tunggal tetikus yang diterbitkan, mungkin kerana kapal dengan diameter lumen<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">6,10,11,100. Melakukan kajian sedemikian pada haiwan yang lebih besar atau pada manusia, yang mempunyai saluran buah pinggang yang lebih besar, boleh meningkatkan kemungkinan menangkap REC vasa vasora. Pada masa ini tiada penanda yang diterangkan untuk REC yang diperoleh daripada vasa vasora.
Di luar sistem vaskular darah, korteks buah pinggang juga mengandungi dua set saluran limfa buah pinggang. Kedua-dua ini berasal sebagai kapilari buta dalam lobulus buah pinggang dari mana satu set mengikuti arteri ke arah hilum untuk menyambung sistem hilar dan kapsul dan satu lagi menembusi kapsul untuk bergabung dengan limfatik kapsul28,101 (Rajah 1a). Kapilari limfatik buah pinggang boleh dibezakan daripada kapilari saluran darah kerana ia terutamanya terdapat di interstitium, buta, dan kekurangan perisit.28,29. Kapilari limfatik buah pinggang terdiri daripada lapisan tunggal, berbentuk 'daun oak', bertindih separa LECs28,29, yang boleh dibezakan daripada BEC dengan ekspresi beberapa penanda6, yang paling terkenal ialah Pdpn (podoplanin)102, gen pengekodan reseptor hyaluronan Lyve1 (rujuk 103), Flt4 (yang mengekodkan VEGFR3)104 dan gen faktor transkripsi Prox1 (rujuk 105) (Rajah 3b) . Walaupun penanda ini juga dinyatakan dalam jenis sel lain, ia boleh digunakan untuk membezakan antara dua jenis EC utama29. Pada manusiabuah pinggang, podoplanin telah digambarkan sebagai penanda LEC yang paling boleh dipercayai28,29. Namun begitu, kedua-duanya tidak diketahuibuah pinggangPopulasi LEC telah dikenal pasti dalam kajian RNA-seq sel tunggal yang diterbitkan6,10,11, mungkin disebabkan kehilangannya semasa langkah pemprosesan teknikal (contohnya, semasa penghadaman enzimatik atau penulenan EC), dan/atau kerana ia mewakili pecahan EC yang terlalu kecil berbanding dengan populasi BEC buah pinggang. Oleh itu, kajian lanjut diperlukan untuk mencirikan heterogeniti endothelium limfa buah pinggang.
Heterogenitas sel endothelial buah pinggang medullary.Peranan utama medula buah pinggang adalah kepekatan air kencing9. Susunan anatomi vasa recta dan aliran darah rendah medulla buah pinggang (10 peratus daripada jumlah aliran darah buah pinggang9), menghalang pembasmian bahan terlarut, seperti urea dan NaCl, mewujudkan kecerunan osmolariti dari medula luar ke papila buah pinggang , yang penting untuk kepekatan air kencing26,106. Kecerunan ini berbeza mengikut status penghidratan106.
Endothelium medula renal dicirikan oleh ekspresi Igfbp7 (refs10,11), penanda kencingbuah pinggangkecederaan yang meramalkan pemulihan buah pinggang selepas kecederaan buah pinggang akut (AKI)107, dan Cd36 (refs10,32), yang mengekod reseptor pemulung yang bertanggungjawab untuk pengambilan asid lemak rantai panjang daripada peredaran108 (Rajah 3c). Oleh itu, lipid mungkin berpindah secara bergantung36-CD melalui endothelium medula ke sel interstisial medula, populasi sel seperti fibroblas yang dicirikan oleh titisan lipid, yang banyaknya berkorelasi dengan keadaan diuresis109. Pemadaman Cd36 pada tikus dikaitkan dengan peningkatan risiko hipertensi spontan yang bergantung pada buah pinggang10,110, tetapi melemahkan pembangunanbuah pinggangfibrosis sebagai tindak balas kepada diet tinggi lemak111 (Rajah 3c), oleh itu mencadangkan kedua-dua perlindungan dan peranan patologi untuk pengangkutan lipid dalam proses ini.
Seperti endothelia kortikal dan glomerular, endothelium medula renal mempamerkan heterogeniti intra-petak yang luas.10,11. DVR adalah saluran seperti arteri yang terdiri daripada endothelium berterusan yang dikelilingi oleh pericytes seperti otot licin atau VSMC yang bertindak balas kepada rangsangan vasoaktif untuk mengawal aliran darah medulla buah pinggang. Selaras dengan fenotip seperti arteriol mereka, DVR ECs mengekspresikan Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 dan Cxcl12 (CXCL12, juga dikenali sebagai SDF1 — protein kemokin yang bertindak sebagai ligan untuk CXCR4 dan CXCR7 yang dinyatakan oleh VSMC dan pericytes)10,63,113. DVR EC juga menyatakan Slc14a1 dan Aqp1 yang mengekodkan pengangkut urea B (UTB)10,11,112dan saluran air aquaporin 1 (rujuk10,11,55), kedua-duanya diperlukan untuk kepekatan air kencing114,115 (Rajah 3c,d). EC ini juga menyatakan Scin, yang mengodkan cinder dalam — protein yang mengikat aquaporin 2 dalam kompleks multiprotein dalam mengumpul sel epitelium saluran, mungkin untuk memudahkan pemerdagangan aquaporin 2116. Ekspresi bersama Aqp1 dan Scin dalam DVR ECs mencadangkan interaksi yang sama dalam endothelium medullary10.
Kecerunan osmolariti mewujudkan persekitaran yang bermusuhan untuk sel-sel medula buah pinggang, terutamanya bagi sel-sel dalam papila buah pinggang, di mana osmolariti adalah tertinggi (bersesuaian dengan keadaan hiperosmolariti fisiologi di mana osmolariti lebih tinggi daripada dalam plasma sistemik)117. EC DVR tetikus boleh dipisahkan kepada dua fenotip utama mengikut lokasinya dalam papilla buah pinggang atau dalam medula luar atau dalam10, dan dibezakan dengan ekspresi gen yang disebabkan oleh hiperosmolariti dan gen kawal selia vasoton10 (Rajah 3c). EC DVR papilla buah pinggang mengekspresikan gen responsif hiperosmolariti, termasuk gen sasaran faktor transkripsi yang boleh diinduksi hiperosmolariti NFAT5, seperti S100a4 dan S100a6 (refs10,118), manakala DVR EC dari medula dalam dan luar menunjukkan ekspresi Hncopgd yang diperkaya. enzim utama yang terlibat dalam katabolisme prostaglandin vasoaktif, Edn1, yang mengekod endothelin 1 vasoconstrictor, dan Adipor2, yang mengekod reseptor untuk adiponektin yang mendorong kesan vasodilator119,120 (Gamb. 3c). Corak ungkapan ini konsisten dengan kehadiran pericytes seperti otot licin yang lebih menonjol dalam bahagian medulla luar DVR dan oleh itu tindak balas yang lebih besar bagi rantau ini terhadap faktor vasoaktif, berbanding dengan bahagian DVR yang lebih rendah9,121.
Berbeza dengan DVR, AVR ialah vesel seperti vena yang dipadatkan (Rajah 3d). Pembuluh ini menyerap semula air daripada interstitium medula renal yang terkumpul semasa kepekatan air kencing oleh saluran pengumpul, gelung Henle, dan DVR, mengumpulnya kembali ke dalam peredaran umum dengan cara yang serupa dengan fungsi saluran limfa30. Selaras dengan peranan ini, AVR EC menyatakan faktor transkripsi vena Nr2f2 (refs10,11,64) dan Plvap - mungkin untuk mengekalkan peranan mereka dalam penyerapan semula air10,11,47,122(Gamb. 3c). AVR EC juga mengekspresikan Tek, mengekodkan reseptor angiopoietin Tie2, yang diperlukan untuk pembentukan AVR semasa pembangunan. Pemadaman Tek pada tikus mencetuskan pengumpulan cecair dan sista yang cepat dalam interstitium medula dan kehilangan berkas vaskular medula dan mengakibatkan penurunan keupayaan menumpukan air kencing30.
Sama seperti DVR, AVR boleh dipisahkan kepada dua populasi EC yang berbeza secara transkriptik terletak di papilla dan di medula luar dan dalam. Mereka di dalam papilla dicirikan oleh ekspresi gen responsif hiperosmolariti (Cryab, Fxyd2 dan Cd9 (refs10,123,124)), gen glikolitik (Ldha, Aldoa, dan Gapdh10,125,126), dan Car2, yang mengekod enzim karbonik anhidrase 2 , ketiadaannya menjejaskan kepekatan air kencing dan mencetuskan poliuria pada tikus127 (Rajah 3c). EC AVR papillary secara khusus menyatakan gen pengekodan subunit Na plus /K plus ATPase Fxyd2, manakala gen pengekodan subunit alternatif Fxyd6 dikawal dalam AVR EC di medula luar dan dalam.10 (Gamb. 3c).
Bahagian papilari AVR dan DVR memaparkan profil ekspresi gen yang berbeza tetapi berkongsi ekspresi beberapa gen yang responsif hiperosmolariti, termasuk Akr1b3, yang mengekod aldose reduktase - enzim pengehad kadar laluan poliol yang bertanggungjawab untuk penukaran glukosa menjadi sorbitol, osmolit organik lengai yang penting untuk penyelenggaraan isipadu sel di bawah keadaan hiperosmolariti117. Mereka juga mengekspresikan S100a6, serta gen lain — seperti Fxyd5 (yang mengodkan subunit Na plus /K plus ATPase yang lain), Nrgn (yang mengekod neurogranin protein pengikat calmodulin), dan Crip1 (yang mengekod protein kaya sistein 1) 10,118 — yang mungkin berpotensi dikaitkan dengan persekitaran hiperosmotik (Rajah 3c).
Plexus kapilari medula renal, yang menghubungkan DVR dan AVR (Rajah 3a), dicirikan oleh endothelium fenestrated Plvap-positif dan ekspresi endothelial diperkaya gen yang mengekod reseptor VEGF, seperti Kdr, Flt1, dan Nrp1, serta sebagai gen yang terlibat dalam pengangkutan dan metabolisme asid lemak (Cd36 dan Plpp3)10 (Rajah 3c). mREC juga termasuk EC daripada venula pascakapilari, serta populasi EC yang diaktifkan angiogenik dan interferon, serupa dengan kapilari korteks buah pinggang10.
Heterogenitas REC dan penyakit buah pinggang
Di bawah keadaan fisiologi, endothelium adalah senyap — keadaan yang dikekalkan sebahagian besarnya melalui S-nitrosilasi protein dan faktor transkripsi oleh NO128,129 yang berasal dari eNOS. Aktiviti eNOS itu sendiri dikawal oleh tegasan ricih130dan metabolit intrasel, seperti substrat eNOS, l-arginine, dan kofaktornya, tetrahydrobiopterin131. Dalam keadaan tertentu - contohnya, sebagai tindak balas kepada jangkitan - keadaan senyap ini boleh dimatikan, mendorong pengaktifan EC dan pengambilan sel imun. Isyarat redoks dan khususnya, pelepasan enzim eNOS yang mengakibatkan penghasilan superoksida dan bukannya NO adalah penting untuk proses pengaktifan ini. Pelepasan eNOS menggerakkan lata yang membawa kepada pembentukan semula lapisan permukaan endothelial dan mendorong ekspresi reseptor yang boleh berinteraksi dengan platelet dan sel imun.132. Walaupun pengaktifan endothelial membentuk sebahagian daripada sistem pertahanan perumah, jentera molekul ini boleh diaktifkan secara tidak sesuai dalam keadaan penyakit seperti penyakit autoimun atau dalam penetapan faktor risiko kardiovaskular atau jangkitan. Nota, heterogeniti wujud dalam tindak balas REC kepada isyarat yang mencederakan133. Sebagai contoh, dalam sindrom uraemik hemolitik atipikal, mutasi dalam faktor penghalang pelengkap H dikaitkan dengan pengurangan faktor H yang mengikat kepada heparan sulfate134 endothelial glomerular, dengan itu mendorong mikroangiopati trombotik glomerular. Contoh lain ialah penolakan allograft humoral kronik di mana kapilari peritubular nampaknya menjadi sasaran utama kecederaan.135; kehilangan berkaitan rangkaian kapilari peritubular meramalkan kejadianbuah pinggangkegagalan136. Dalam konteks pandemik COVID-19, perlu diperhatikan bahawa AKI kerap diperhatikan pada pesakit yang mengalami penyakit yang teruk (menjejaskan sehingga 50 peratus pesakit di unit rawatan rapi)137, di mana disfungsi EC yang meluas mungkin menggalakkan peningkatan penyakit akibat kebocoran vaskular, koagulopati dan keradangan yang lebih teruk138,139.
Sebagai tambahan kepada heterogeniti dalam tindak balas pengaktifan endothelial, tindak balas REC kepada isyarat alam sekitar dari peredaran mungkin khusus tapak. Sebagai contoh, gREC daripada pesakit diabetes jenis 1 Mellitus menunjukkan tindak balas angiogenik yang tidak terkawal yang mengakibatkan pertumbuhan glomerular dan podocytopathy sekunder140,141. Dalam kecederaan iskemia — khususnya dalam kapilari peritubular — pengaktifan endothelial dan pengelupasan EC mengakibatkan fenomena yang dipanggil 'tiada aliran semula', di mana perfusi tidak dipulihkan walaupun selepas pemulihan patensi, mengakibatkan kecederaan sel epitelium tiub dan AKI142. Patologi klinikal yang disebabkan oleh pengaktifan REC dibincangkan secara terperinci di tempat lain.
Kemunculan teknik resolusi tinggi seperti RNA-seq sel tunggal telah memberikan pandangan baharu tentang peraturan molekul heterogeniti fenotip endothelial dan proses yang terlibat dalambuah pinggangkecederaan. Beberapa kajian sejak beberapa tahun kebelakangan ini, dari kumpulan kami dan yang lain, telah memajukan konsep bahawa heterogeniti endothelial saling berkaitan dengan metabolisme intrasel.3,6,10,143–145. Seperti yang diterangkan di bawah, persekitaran mikro berbeza yang mana REC terdedah membantu mewujudkan kedua-dua kepelbagaian fenotip dan pengkhususan metabolik mereka.
Pengkhususan metabolik REC
EC mempamerkan metabolisme yang aktif walaupun senyap untuk mengekalkan proses seperti pengeluaran tenaga, sintesis biojisim dan homeostasis redoks, yang diperlukan untuk mengekalkan integriti penghalang vaskular, fungsi pengawalseliaan vaso, pengangkutan zat terlarut dan perencatan trombosis dan keradangan vaskular. Sebagai contoh, EC yang senyap mengekalkan tahap FAO yang tinggi, yang membantu mengekalkan integriti penghalang vaskular sebahagiannya melalui penjanaan semula NADPH, yang memberikan perlindungan terhadap spesies oksigen reaktif (ROS)146. Selaras dengan peranan ini, perencatan FAO dalam EC meningkatkan tekanan oksidatif, kebolehtelapan penghalang endothelial, penyusupan leukosit146, dan peralihan endothelial-ke-mesenchymal.147, menunjukkan bahawa FAO diperlukan untuk penyelenggaraan fungsi endothelial dan fenotip. REC menunjukkan profil metabolik dan transkriptom yang berbeza kepada EC yang diasingkan daripada organ lain dalam tikus3,6. Khususnya, mereka dicirikan oleh regulasi gen yang terlibat dalam biosintesis asid amino dan pirimidin serta metabolisme glukosa.6. Selain itu, beberapa gen metabolik diperkaya secara terpilih dalam EC arteri, kapilari atau vena, yang menunjukkan heterogeniti metabolik intra-organ.6. Seperti yang dibincangkan di bawah, keadaan persekitaran mikro yang berbeza di mana populasi REC yang berbeza terdedah mungkin juga mempengaruhi profil metabolik mereka, dan menyokong heterogeniti fenotip REC serta tindak balas mereka terhadap rangsangan penyakit.
Tindak balas REC terhadap perubahan dalam ketegangan oksigen
Walaupunbuah pinggangadalah organ yang paling perfusi dalam badan, kurang daripada 10 peratus oksigen yang beredar digunakan semasa peredaran darah melaluibuah pinggang148. Thebuah pinggangmedulla terdedah kepada ketegangan oksigen yang rendah, dengan pO2 10–20 mmHg (hipoksia) berbanding 50 mmHg dalam korteks buah pinggang117 (Rajah 4a). Kecerunan oksigen yang mengikuti paksi corticopapillary adalah akibat daripada beberapa faktor, termasuk penyusutan oksigen arteriovenous yang terhasil daripada susunan selari AVR dan DVR dalam medula, aliran darah yang terhad ke dan dalam medula untuk meminimumkan pembuangan bahan terlarut. , dan penggunaan fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan tahap tenaga yang tinggi yang diperlukan untuk Na tambah /K tambah ATPase untuk menyerap semula Na tambah dan untuk membolehkan pengangkut zat terlarut membran sel berfungsi dengan baik117. Oleh itu, hipoksia adalah wujud dalam mekanisme kepekatan air kencing medulla10,117.
Ia juga diperlukan untuk yang sesuaibuah pinggangpembangunan149. Walau bagaimanapun, hipoksia boleh memudaratkan dan dianggap sebagai punca utama AKI150, dan faktor risiko untuk penyakit buah pinggang kronik (CKD)151 (Rajah 4a). Hipoksia buah pinggang boleh berpunca daripada kejadian iskemia, seperti yang boleh berlaku semasa pemindahan buah pinggang atau akibat perfusi buah pinggang yang tidak normal akibat jarangnya kapilari peritubular, kecederaan glomerular, aterosklerosis, disregulasi nada vaskular arteri, anemia, dan resapan oksigen terjejas akibat fibrosis152 ( Rajah 4a). Dalam sistem vaskular, pendedahan jangka pendek kepada hipoksia menyebabkan modulasi nada vaskular dan aliran darah yang boleh diterbalikkan, manakala pendedahan jangka panjang mengakibatkan pembentukan semula tidak dapat dipulihkan pada vasculature dan tisu sekeliling dengan percambahan VSMC dan fibrosis.153. Tindak balas selular terhadap hipoksia bergantung pada ketidakaktifan Fe2 plus -dependent oxygenases dan 2-oxoglutarate (2-OG)-dependent oxygenases152, dan pengaktifan seterusnya hypoxia-inducible transcription factor (HIF)-dependent dan Laluan bebas HIF. Pendedahan kepada hipoksia mencetuskan pengaktifan kedua-dua HIF1 dan HIF2 dalam ECs154 (Rajah 4b). Di dalambuah pinggang, REC secara meluas menyatakan HIF2 apabila hipoksia, manakala ekspresi protein HIF1 terhad kepada mREC dalam papilla155-157, di mana ia mungkin merangsang glikolisis (Rajah 4b). Pengaktifan HIF2 dalam REC, secara amnya, mengantara perlindungan dan pemulihan daripada kecederaan buah pinggang iskemia dengan menggalakkan erythropoiesis, dan dengan menekan keradangan buah pinggang, jarang kapilari, dan fibrosis156 (Rajah 4b). Pendedahan REC kepada hipoksia dalam konteksbuah pinggangOleh itu, penyakit mungkin mendorong tindak balas yang berbeza dalam gREC dan cREC daripada mREC. Contohnya, hipoksia menggalakkan percambahan bergantung1 -HIF dan penghijrahan ECs158,159; walau bagaimanapun, dalam keadaan tidak konfluen, gREC yang berbudaya menjalani apoptosis yang bergantung kepada mitokondria apabila terdedah kepada hipoksia155,160,161, mencadangkan penyelewengan gREC kepada hipoksia. Walaupun gREC nampaknya agak tahan terhadap hipoksia in vivo, mungkin disebabkan oleh kesan paracrine VEGF161 yang berasal dari podosit, hipoksia boleh menyebabkan kehilangan progresif protein simpang ketat occludin dan ZO-1 dalam gREC dalam HIF{{ 11}}cara bergantung, akhirnya meningkatkan kebolehtelapan penghalang endothelial162. Sedikit yang diketahui tentang tindak balas mREC terhadap hipoksia. mREC dalam AVR dan DVR, khususnya, terdedah kepada ketegangan oksigen rendah dalam papilla di bawah keadaan fisiologi, dan regulon Epas1 (pengekodan HIF2 ) dikawal selia dalam mREC apabila kekurangan air, mungkin sebagai tindak balas kepada peningkatan hipoksia yang didorong oleh proses kepekatan air kencing10.
Penyesuaian metabolik EC kepada perubahan dalam ketegangan oksigen.Di bawah keadaan normoksik, EC bergantung terutamanya pada glikolisis untuk pengeluaran ATP dan bukannya fosforilasi oksidatif mitokondria163. Sebagai tindak balas kepada hipoksia, tindak balas metabolik ini diburukkan, dengan peningkatan lagi glikolisis dan penindasan respirasi mitokondria (Rajah 4b), menjelaskan mengapa EC ditentang kepada hipoksia selagi glukosa kekal tersedia164. Apabila terdedah kepada hipoksia akut seperti kejadian iskemia, EC menunjukkan peningkatan pesat dalam ROS terhasil mitokondria dan/atau NAD(P)H oksidase, yang menstabilkan HIF1 dan membolehkan fluks164 glikolitik yang lebih tinggi — tindak balas yang konsisten dengan HIF{{6 }}meningkatkan regulasi metabolisme glukosa dan menurunkan regulasi aktiviti mitokondria164,165 (Gamb. 4b). Selain itu, analisis laluan metabolik EC yang terdedah kepada hipoksia kronik, seperti yang boleh berlaku dalam medulla atau dalam konteks CKD, mendedahkan penyelarasan HIF2 -yang bergantung kepada gen glikolitik166. Menariknya, beberapa gen glikolitik seperti Eno1 dan Aldoa, yang menyandikan enzim enolase 1 dan aldolase A yang diperlukan untuk menghasilkan ATP dan piruvat daripada glukosa, telah dikawal selia pada tahap yang lebih besar dalam mREC berbanding cREC dan gREC10. Lebih khusus lagi, mREC daripada bahagian papillary AVR - iaitu bahagian katil vaskular buah pinggang yang paling terdedah kepada hipoksia - menunjukkan ekspresi tertinggi gen glikolitik Aldoa, Ldha, dan Gapdh antara semua mREC dalam tikus10. Oleh itu, mREC papillary mungkin menunjukkan fluks glikolitik anaerobik yang lebih tinggi daripada REC lain akibat daripada persekitaran mikro hipoksik mereka. Begitu juga, sel epitelium medula mempunyai kapasiti yang lebih tinggi untuk pengeluaran ATP glikolitik anaerobik daripada sel tubular proksimal.117. mREC juga mengimbangi beberapa gen glikolitik apabila kekurangan air, serentak dengan peningkatan aktiviti HIF2 yang disebutkan di atas10.
Dalam EC, HIF2 dikawal selia sebahagiannya berikutan pengaktifan mitokondria NAD ditambah deacetylase sirtuin 3 (SIRT3) (rujuk 167) (Rajah 4b). Kehilangan SIRT3 menjejaskan isyarat hipoksik dalam EC dan mengakibatkan angiogenesis yang rosak dan disfungsi mikrovaskular, sekunder kepada suis metabolik daripada glikolisis bebas oksigen kepada respirasi mitokondria. Suis metabolik ini dikaitkan dengan penurunan dalam ekspresi 6-fosfofrukto-2-kinase (PFKFB3), enzim yang bertindak sebagai pengawal selia positif glikolisis dan pembentukan ROS167(Gamb. 4b). Apabila hipoksia, SIRT3 mengimbangi enzim antioksidan mitokondria dengan cara yang bergantung kepada FOXO3 (ref.168) — faktor transkripsi yang turut dikawal oleh HIF1169 (Gamb. 4b). Menariknya, laluan antioksidan SIRT3–FOXO3 beroperasi dalam gREC, menghalang peralihan endothelial-ke-mesenchymal danbuah pinggangfibrosis dalam model haiwan hipertensi yang disebabkan oleh angiotensin-II170(Gamb. 4b). Pendekatan farmakologi yang meningkatkan SIRT3 juga mengehadkan AKI yang disebabkan oleh cisplatin dengan melindungi daripada kecederaan tiub dan dengan meningkatkanbuah pinggangfungsi171. Sebaliknya, Sirt3-tikus kalah mati menunjukkan AKI yang lebih teruk, walaupun sumbangan REC kepada kesan ini belum ditentukan171. Sama ada laluan antioksidan SIRT3-FOXO3 ini juga terlibat dalam tindak balas fisiologi mREC kepada hipoksia dalam medula masih perlu ditentukan.
Metabolisme asid lemak juga dipengaruhi oleh ketersediaan oksigen, kerana hipoksia mencetuskan peningkatan dalam ekspresi dan aktiviti asid lemak sintase (FAS), enzim pengawal kadar utama laluan biosintesis asid lemak, mengakibatkan pengurangan malonil. -Kolam CoA dan penambahan paras palmitat dalam ECs172 (Rajah 4b). Dalam EC arteri pulmonari manusia, perencatan FAS membawa kepada kemerosotan penstabilan HIF1, dan seterusnya HIF1 -mengantarakan perubahan dalam pengangkutan dan metabolisme glukosa dan kepada pemulihan fungsi eNOS, menunjukkan bahawa perencatan sintesis asid lemak mungkin bermanfaat. untuk fungsi EC dalam hipoksia172(Gamb. 4b). Di dalambuah pinggang, Peminat - yang mengekodkan FAS - dikawal selia dalam model eksperimen kegagalan buah pinggang kronik dan menyumbang kepada hipertrigliseridemia173. Penyelarasan Peminat dan gen responsif hipoksia lain juga diperhatikan dalambuah pinggangkorteks model tikus anemia sel sabit yang menunjukkan kerosakan glomerular dan tiub progresif174. Metabolisme lipid yang diubah adalah ciri CKD proteinurik dan kedua-dua bukti klinikal dan eksperimen menyokong tanggapan bahawa metabolisme lipid yang diubah mungkin menyumbang kepada patogenesis dan perkembangan penyakit buah pinggang.175. Walau bagaimanapun, peranan REC dalam metabolisme asid lemak yang tidak terkawal dalam konteksbuah pinggangpenyakitmasih perlu dijelaskan lebih lanjut.
Hipoksia juga mendorong peningkatan regulasi arginase II dengan cara yang bergantung pada pengaktifan HIF2176atau HIF1177, dan mengurangkan sintesis dan pengangkutan substratnya, arginin, dalam EC178,179(Gamb. 4b). Arginase II ialah metaloenzim yang dinyatakan terutamanya dalambuah pinggangdan memangkinkan hidrolisis l-arginine kepada urea dan l-ornithine. Peningkatan aktiviti arginase II merendahkan bioavailabiliti arginin, yang melembapkan aktiviti eNOS, mengurangkan pengeluaran NO endothelial dan mencetuskan pelepasan eNOS, akhirnya membawa kepada pengeluaran ROS dan tekanan nitrosatif176. Langkah-langkah ini adalah penting dalam menggalakkan disfungsi endothelial, penyakit buah pinggang diabetes, danbuah pinggangkeradangan dalam konteks obesiti yang disebabkan oleh diet180,181. Di bawah keadaan fisiologi, arginase II terutamanya dinyatakan dalam medula luar, menunjukkan bahawa penyesuaian metabolik ini mungkin tidak berlaku dalam mREC yang paling terdedah kepada hipoksia181.
Akhirnya, pendedahan mREC papillary kepada hipoksia akut mencetuskan pembebasan purin dan ATP, bersama-sama dengan UTP dan UDP, dalam ruang ekstraselular.182–184. ATP mengaktifkan reseptor P2Y endothelial, mengakibatkan pengeluaran NO, vasodilatasi, dan peningkatan perfusi tisu185. ATP juga membentuk adenosin berikutan metabolisme ATP oleh ektoenzim185,186. Yang penting, hipoksia mencetuskan peningkatan2 -bergantung kepada HIF reseptor adenosin A2a (dikodkan oleh ADORA2A) dalam EC187,188, pengaktifan yang meningkatkan sintesis protein HIF1, seterusnya menggalakkan ekspresi gen glikolitik dan fluks glikolitik187(Gamb. 4b). Dalam kebanyakan keadaan, pengaktifan reseptor A2a dan A2b yang dinyatakan oleh EC dan VSMC mengantara kesan vasodilator adenosin yang dikeluarkan semasa hipoksia185. Di dalambuah pinggang, reseptor adenosin yang berbeza terdapat di bahagian vaskular yang berbeza189, dan ATP ekstraselular dan adenosin memainkan peranan penting dalam pengawalseliaan hemodinamik buah pinggang dan peredaran mikro185,190. Dalam medula, adenosin dihasilkan dalam anggota badan menaik tebal medulla gelung Henle (TALH) selepas tekanan oksidatif191dan bertindak sebagai vasodilator, mendorong peningkatan aliran darah medula melalui mekanisme yang mungkin melibatkan mREC DVR192. Walau bagaimanapun, bertentangan dengan kesannya dalam kebanyakan saluran lain, pengaktifan reseptor A2a yang dimediasi adenosin, yang terutamanya dinyatakan dalam arteriol aferen, mencetuskan vasokonstriksi vaskular buah pinggang, dengan itu berpotensi menjejaskan aliran darah buah pinggang dan penapisan glomerular.185,193. Nota, peranan untuk reseptor purinergik dalam perkembangan CKD telah dikenalpasti194.
