Молекулярни механизми на регулиране на бъбречните прогенитори: Колко парчета в пъзела?

edmund.chen@wecistanche.com

Резюме:  Бъбрецина мишки, плъхове и хора притежават предшественици, които поддържат ежедневна хомеостаза и участват в ендогенни регенеративни процеси след нараняване, поради способността им да се размножават и диференцират. В гломерулните и тубулните отделения на нефрона, последователни проучвания показват, че добре охарактеризирани, различни популации от прогениторни клетки, локализирани в париеталния епител на капсулата на Bowman и разпръснати в проксималните и дисталните тубули, могат да генерират специфични за сегмента клетки при физиологични условия и след нараняване на тъканите. Въпреки това, дефектни или анормални регенеративни реакции на тези предшественици могат да допринесат за патологични състояния. Молекулните характеристики набъбречнапрогениторите са обстойно изследвани, разкривайки, че множество класически и еволюционно запазени пътища, като Notch или Wnt/-catenin, играят основна роля в клетъчната регулация. Други, като ретиноева киселина, ренин-ангиотензин-алдостеронова система, TLR2 (Toll-подобен рецептор 2) и лептин, също са важни в този процес. В този преглед ние обобщаваме множеството насочващи молекулярни механизмибъбречнапрогениторни реакции по време на хомеостаза и след товаувреждане на бъбреците.И накрая, ще проучим как едноклетъчното РНК секвениране може да доведе до характеризиране набъбречнапредшественици на следващото ниво, като същевременно познаването на техния молекулярен подпис придобива значение в клиниката.

Ключови думи:бъбречни предшественици; молекулярни механизми; увреждане на бъбреците; едноклетъчно РНК секвениране; молекулярен подпис

CISTANCHE ЩЕ ПОДОБРИ БЪБРЕЧНО/БЪБРЕЧНО ЗАБОЛЯВАНЕ

Въведение Предложени са механизми за ендогенна регенерация и възстановяване за няколко органа на бозайници [1]. Класическите регенеративни органи, като стомашно-чревния тракт и кожата, са обстойно изследвани през годините и са извадили на светло основната роля на ендогенните предшественици [2]. В червата чревните стволови клетки поддържат ежедневната хомеостаза, докато отделните стволови/прогениторни клетки отговарят за бързите процеси на възстановяване след нараняване [2]. По същия начин епидермалните стволови клетки образуват хетерогенен пул от стволови клетки, който участва в епидермалната хомеостаза, както и възстановяването на тъканите след нараняване [3]. Възрастниятбъбреке орган с нисък клетъчен обмен и надарен с прогенитори, способни да пролиферират и да се диференцират [4,5]. Това ценно свойство позволява на изследователите и клиницистите да обмислят нови терапевтични пътища за възстановяванебъбречна функцияслед нараняване. Тук предлагаме преглед на молекулярните механизми, протичащи в гломерулните и тубуларнитебъбречнапрогенитори при физиологични и патологични състояния (Фигура 1) и как дисрегулацията на тези пътища може да бъде в основата назаболяване на бъбреците. Ще разгледаме и какбъбречнапрогениторите могат да бъдат допълнително характеризирани с помощта на технологията за секвениране на РНК на една клетка (scRNAseq) и клиничното значение на молекулярния подпис на тези клетки.

Бъбречни предшественици

Бъбречните предшественици са открити от Sagrinati et al. в човешкибъбреци, въз основа на експресията на маркерите на стволови клетки CD133 и CD24, при отсъствие или ниска експресия на маркери за диференциация [6,7]. CD133 плюс CD24 плюс клетките са локализирани в уринарния полюс на капсулата на Bowman, както и разпръснати по тубуларното отделение на нефрона сред диференцирани тубулни клетки [6]. някоибъбречнапрогениторите, включително тези, локализирани в капсулата на Bowman и подгрупа от тези, подкожно разпръснати по протежение на тубула, също експресират CD106 (наричан също васкуларна клетъчна адхезионна молекула 1, VCAM1), докато по-голямата част от прогениторите, локализирани по дължината на тубула, не [6, 8]. Тези фенотипни dCfferences отразяват разнообразен функционален капацитет; наистина, CD133 плюс CD24 плюс CD106- клетки, разпръснати по дължината на тубулите, показват функционални характеристики на тубулни прогенитори, докато CD133 плюс CD24 плюс CD106 плюс париетални епителни змийки (PEC) са мултипотентни [6]. В допълнение, подгрупа от CD1 33 плюс CD24 плюс CD1 06 плюс прогенитори, локализирани близо до дисталния полюс на капсулата на Bowman и експресиращи подокаликсин, е в състояние да генерира само подоцити [6]. Като цяло тези наблюдения конфигурират йерархична линия набъбречнапредшественици в рамките набъбреккоето напомня на хемопоетичната система [9]. PECs с подобни прогениторни характеристики и анатомична локализация също бяха идентифицирани при мишка и плъхбъбреци[4,10,11]. Генетичното маркиране на PECs в трансгенна индуцируема линия на мишка показа, че PECs мигрират върху гломерулния сноп и се диференцират в подоцити в мишки в юношеска възраст [11]. Съвсем наскоро Pax2 беше идентифициран като маркер за мишкабъбречнапредшественици и създаването на индуцируем миши модел за проследяване на линията на Pax2 плюс клетъчната популация позволи да се демонстрира диференциацията набъбречнапрогенитори, локализирани сред PECs в подоцити по време на постнатален гломерулен растеж [4]. По-нататъшни проучвания показват, че юкстамедуларните и кортиколните гломерули имат различен брой Pax2 плюс прогенитори, като кортикалните са снабдени с два пъти повече Pax2 плюс прогенитори брой гломерулни подоцити при здрави условия [12]. При възрастни плъховебъбреци, незрели клетки, експресиращи адхезионната молекула на невралните клетки (NCAM) и маркера на прогениторните клетки CD24, са описани сред епителните клетки, облицоващи Bowman капсулата на плъх [10].

Генетичното маркиране на Pax2 плюс прогенитори на Bowman капсулата на мишки позволи да се демонстрира, че тези прогенитори се диференцират в подоцити в модели на фокална сегментна гломерулосклероза (FSGS) и техният отговор на нараняване определя изхода от гломерулни нарушения, допълнително обосновавайки ролята им на подоцити предшественици [4,12]. Наскоро, използвайки модел на трансгенна мишка, в който подоцитите са маркирани с GFP (зелен флуоресцентен протеин) и PECs са маркирани едновременно с tdTomato, Kaverina и колегите също предоставиха убедителни доказателства, че PECs служат като източник на нови подоцити при възрастни мишки при нараняване. Тези клетки ко-експресират двата флуоресцентни етикета, придобиват подоцитни маркери и показват първичните, вторичните и третичните процеси на краката [13]. Анормален прогениторен отговор на нараняване също може да допринесе за гломерулни нарушения [4,10,14,15]. Наистина, при определени условия, при хора, мишки и плъхове, е доказано, че хаотична миграция и пролиферация на прогениторни клетки на капсулата на Bowman допринасят за образуването на полумесец и гломерулните белези [4,10,14]. Изследвания върху човекабъбречнабиопсиите са в съответствие с концепцията, че пролифериращите предшественици генерират хиперпластични лезии при полумесечна и колабираща гломерулопатия [14] и подобни резултати са получени при плъхове [10]. При мишки, проследяването на линията на PEC показва, че тяхната пролиферация води до значително увеличаване на броя на клетките в полумесеците на миши нефротоксичен серумен нефрит и колабираща гломерулопатия [16] и образуването на склеротични лезии и отлагане на извънклетъчен матрикс в FSGS [15]. Съвсем наскоро, специфичното генетично проследяване на прогенитори сред PEC демонстрира тяхното участие в генерирането на хиперпластични гломерулни лезии, които могат да бъдат предвидени като неуспех за регенериране на подоцит след нараняване [4]. От всички тези проучвания сега става ясно, чебъбречнапрогениторите, локализирани сред PEC, реагират на увреждане на подоцитите, задействайки регенеративна програма, но неефективен или прекомерен отговор може да доведе до това функционална тъкан да се превърне в подобна на белег тъкан, съставена от клетки и дезорганизирана извънклетъчна матрица. Следователно, познаването на механизмите, които задвижват правилния пролиферативен и диференциращ отговор набъбречнапредшественици по време на хомеостаза и след нараняване е от решаващо значение и може да позволи идентифицирането на предполагаеми модулатори за повишаване на регенеративния потенциал набъбречнапрародители.

Регулатори на физиологията на гломерулния прогенитор: Когато оркестърът настройва мелодията 

Кои сигнални пътища регулират покоя, пролиферацията и диференциацията на гломерулните прогенитори към подоцитите при здравибъбреци? Проучванията върху нефрогенезата показват, че активирането на -катенин/Wnt сигнализиране представлява основна стъпка, водеща до диференциация на PEC в подоцити по време на развитието [17,18]. Наистина, делецията на Ctnnb1 (-катенин 1) в PECs в условно нокаутирана мишка в късния S-образен стадий на тялото индуцира гломерулни аномалии и заместването на PECs в Bowman капсули с добре диференцирани подоцити. Проследяването на нефрогенезата в ембрионални мишки с условен -катенин нокаут разкри, че тези "париетални подоцити" произлизат от прекурсорни клетки в париеталния слой на S-образното тяло чрез директна смяна на линията. Тези констатации показват, че -catenin/Wnt сигнализирането е необходимо за правилното диференциране и узряване на PECs в подоцити [17]. WT1, главен регулатор на този процес [19], също е мощен инхибитор на сигналния път -catenin/Wnt [18]. Проучванията, проведени в PEC в покой, показват, че експресията на WT1 се потиска от високи нива на Pax2 и от експресията на високи нива на микроРНК-193a (miR-193a) [20]. Когато PEC регулират надолу експресията на miR-193a, това позволява регулиране нагоре на WT1, което потиска -catenin/Wnt сигнализиране и индуцира PEC диференциация в подоцити. Последните in vitro резултати показват, че аполипопротеин L1 (APOL1) също регулира молекулярния фенотип на PEC чрез модулиране на експресията на miR193a и че APOL1 и miR193a споделят реципрочна връзка с обратна връзка [21]. Наистина, в културна система, PEC диференциацията в подоцити беше придружена от намаляване на експресията на miR-193a. По подобен начин, потискането на miR-193a засили експресията на APOL1 [21]. Бъдещите работи трябва да се занимават с това дали тази ос APOL1–miR-193a функционира по подобен начин in vivo, както in vitro в съответните модели на трансгенни мишки и при хорабъбреци. Интересното е, че APOL1 е ген на чувствителност, с генетични варианти, които увеличават вероятността от развитие на подоцитопатии [22].

Контролът на решението за клетъчна съдба и клетъчната пролиферация в много различни системи се управлява чрез интегрираната сигнализация на Wnt и Notch сигналните пътища [23]. Lasagni и др. съобщи, че вбъбречнапрогенитори, локализирани в капсулата на Bowman, активирането на Notch насърчава навлизането в S-фазата на клетъчния цикъл и последваща митоза, докато те са в недиференцирано състояние [24]. Въпреки това, нарушената регулация надолу на пътя на Notch по време набъбречнапрогениторната диференциация индуцира генерирането на подоцити с абнормно съдържание на ДНК и тяхната последваща смърт от митотична катастрофа [24,25]. Последните резултати предполагат, че полученият от подоцити CXCL12 (CXC мотив хемокинов лиганд 12) инхибира Notch сигнализирането, като по този начин поддържа неподвижността на подоцитните предшественици [12]. Регулирането надолу на Notch се свързва с регулирането нагоре на инхибиторите на клетъчния цикъл p21, p27 и p57 и регулирането надолу на циклин D1 [24], придавайки на подоцита характеристиките на постмитотична, непролиферативна клетка. CXCL12-медиираният механизъм за обратна връзка подоцит-ренален прогенитор също ограничава регенерацията на подоцити след гломерулно увреждане [12]. Наистина, използвайки проследяването на родословието на Pax2 plusбъбречнапрогенитори при мишки с индуцирана от адриамицин нефропатия, изследователите показват, че блокадата на CXCL12 насърчава образуването на de novo подоцити и отслабва гломерулосклерозата [12].

CISTANCHE ЩЕ ПОДОБРИ БЪБРЕЧНАТА/БЪБРЕЧНАТА ФУНКЦИЯ

Като подобряване набъбречнапрогениторната диференциация в подоцити може да представлява атрактивна терапевтична стратегия за насърчаване на ремисията на гломерулни нарушения, няколко проучвания са проведени за идентифициране на диференциращи съединения. Ретиноеви киселини (РА) са производни на витамин А с установени ползи при лечението на различни видове рак [26]. Доказано е също, че RA предпазва отбъбречно уврежданев множество експериментални модели назаболяване на бъбреците,включително болест на минималните промени, мембранна нефропатия, FSGS, нефропатия, свързана с човешкия имунодефицитен вирус (HIV) (HIVAN) и лупусен нефрит [27]. Многобройни проучвания подчертават ролята на RA в диференциацията на подоцитите in vitro [28,29] и ние използвахме RA в средата на клетъчната култура за насърчаванебъбречнапрогениторна диференциация към подоцитната линия [7]. Интересно е, че излагането на албумин, който свързва RA с висок афинитет, по време на in vitro култури може да инхибирабъбречнапрогениторна диференциация към подоцити чрез секвестиране на RA. In vivo докладвахме, че RA се освобождава в пространството на Bowman след гломерулно увреждане и спирането на ендогенния синтез на RA в модел на фокална сегментна гломерулосклероза влошава албуминурията, гломерулното увреждане и смъртността [30]. Екзогенното приложение на RA, неутрализиращо секвестиращата активност на албумина, позволява регенеративния отговор набъбречнапрогенитори, установяващи увеличаване на броя на подоцитите и подобряване набъбречна функция[30]. Последните резултати от Lasagni et al. [4] потвърждават хипотезата, че фармакологичните подходи, които повишават отзивчивостта на подоцитите към сигнализирането на RA, биха смекчили прогресията на експерименталнитебъбречно увреждане. Действително ин витро лечението набъбречнапредшественици с RA в присъствието на 6-бромо-индирубин-30 -оксим (BIO), инхибитор на гликоген синтаза киназа 3 (GSK3), индуцира силна диференциация на човешкибъбречнапрогенитори към подоцити чрез активиране на транскрипционната активност на RA-реагиращи елементи (RARE), т.е. повишаване на чувствителността на бъбречните прогенитори към диференциращите ефекти на ендогенния RA. Повишаването на диференциацията на бъбречните прогенитори в подоцити чрез използване на BIO в миши модел на FSGS доведе до важен ефект върху заболяването, увеличавайки ремисията на заболяването при лекуваните мишки. В миши модел в прогресивен стадий на диабет тип 2, свързан със затлъстяването, BIO като добавка към инхибирането на двойната ренин-ангиотензин система (RAS)/натриево-глюкозен транспортер (SGLT)-2 с метформин, рамиприл и емпаглифлозин намалява спада на скоростта на гломерулна фифилтрация (GFR) чрез допълнително намаляване на гломерулосклерозата, увеличаване на броя на подоцитите чрез поддържане на специализацията, както и индуциране на de novo диференциация от подоцитни предшественици и подобряване на плътността на фифилтрационния процеп [31].

Ендлих и др. демонстрира ролята на Dach1 (хомолог на дакел 1) в определянето на клетъчната съдба на PEC в подоцитите и за правилната функция на подоцитите. Подоцитите експресират високи нива на Dach1 in vivo и in vitro, докато PEC експресират много ниски нива на Dach1. Авторите установяват, че индуцирането на експресия на Dach1 в PEC значително повишава специфичните за подоцитите протеини синаптоподин и WT1. Интересното е, че Dach1 е част от регулаторната мрежа Eya-Six-Hox-Pax и регулирането на експресията на синаптоподин беше придружено от съпътстващо понижено регулиране на експресията на Pax2 [32].

Guhr и др. анализирани чрез какви механизмибъбречнапрогениторите поддържат потенциала да експресират подоцитни протеини при патофизиологични условия и демонстрират, че съдържат активирана убиквитин-протеазомна система (UPS), която води до бързо разграждане на новосинтезирани подоцит-специфични протеини [33]. От друга страна, UPS поддържа идентичността на подоцитите чрез регулиране на нивата на специфични за подоцитите протеини, като актин-свързващите протеини -актинин 4 (ACTN4) и синаптоподин (SYNPO), транскрипционния фактор Wilms tumor 1 (WT1), членът на семейството на стоматина подоцин, протеинът на прорезната диафрагма нефрин, адапторният протеин NCK1 и активираната протеин киназа Cλ (PKCλ) [33]. Следователно активността на UPS е важен определящ фактор за фенотипа на гломерулните клетки и статуса на диференциация.Добре известно е, че вбъбрек,механичната среда е подложена на модификации в установени модели на гломерулни заболявания и може да повлияе на диференцираното състояние на множество типове клетки, включително подоцити [34]. Наскоро анализирахме въздействието на твърдостта на субстрата върхубъбречнапрогениторно поведение, което показва, че поне in vitro фенотипът на човекабъбречнапрогенитори е силно зависим от модула на Йънг на субстрата, който е мярка за твърдостта на материала, дефиниран като съотношението на напрежението към деформацията, като по-твърдите субстрати насърчават пролиферацията и миграцията на бъбречните прогенитори. Коравината на субстрата модулира и капацитета набъбречнапрогениторите да се диференцират към подоцитите, като модулът на Young от 12 kPa е оптимален сред анализираните. Използвайки химични и генетични инхибитори, ние демонстрирахме, че активността на Rho киназата (ROCK) е необходима, за да медиира ефектите на скованост върхубъбречнапрогениторна пролиферация, миграция и диференциация [35]. Намалената гломерулна скованост е обща характеристика на много форми на гломерулна травма, включително FSGS [34,36], което предполага важна роля на ROCK също взаболяване на бъбреците.

Инхибиторите на ренин ангиотензин алдостероновата система (RAAS-I) са лекарства, ефективни при забавяне на прогресията назаболяване на бъбрецитечрез различни действия. Механизмите, отговорни за терапевтичните ефекти на тези лекарства, както и технитебъбречнаклетъчни цели, са до голяма степен изследвани в няколко животински модела на хоразаболяване на бъбреците. Последните данни показаха, че те също могат да упражняват своите полезни ефекти чрез насърчаванебъбречнапрогениторна диференциация в подоцити. Наистина, при плъх модел на гломерулно увреждане, лечението с ACE-I индуцира намаляване на прогениторната пролиферация, намаляване на образуването на полумесец и избягва прогресията към гломерулосклероза [10]. По този начин, модерирането на активирането на прогениторни клетки от лекарства възстановява нормалната гломерулна архитектура [10]. Интересното е, че експресията на ангиотензин (Ang) II рецептор, AT1, е ограничена до редки CD24 плюс PEC при нормален човекбъбрецино беше регулиран нагоре в хиперпластичните лезии [37], което предполага принос на Ang II/AT1 рецепторния път за насърчаване на абнормнибъбречнапрогениторна миграция и пролиферация при пролиферативни заболявания [37]. В съответствие с това, при пациент, засегнат от CGN (полумесечен гломерулонефрит), ACE-I терапията се свързва с регресията на хиперпластичните лезии и нормализира експресията на AT1 рецептора върхубъбречнапрародители. Тези резултати предоставят друго обяснение на благоприятните ефекти, наблюдавани след лечението с ангиотензин II рецепторен блокер (ARB). По подобен начин лечението с ARB подобрява резултата при плъх модел на мезангиален пролиферативен гломерулонефрит, предизвиквайки увеличаване на броя на PECs, експресиращи маркери на стволови клетки [38].

Уврежданията на подоцитите се считат за важен фактор за диабетазаболяване на бъбрецитепрогресия към краен стадийзаболяване на бъбреците[39–41]. Suganami и др. съобщи за предотвратяването и обръщането набъбречно уврежданечрез приложение на лептин при животински модели на диабетна нефропатия [39]. Съвсем наскоро Pichaiwong et al. демонстрира, че заместването на лептин може да обърне структурните и функционални параметри на напреднала диабетна нефропатия при BTBR ob/ob мишка с дефицит на лептин [41]. По-специално, лечението с лептин, но не и RAAS-I, доведе до значително увеличение на плътността и броя на подоцитите и до увеличаване на WT1-положителния пролифериращ PEC. Механизмите, лежащи в основата на този процес, бяха допълнително очертани в последващ документ, където те показаха, че двойното третиране на ob/ob мишки с дефицит на лептин със селективен антагонист на ендотелин-1 тип А рецептор (ETAR) в комбинация с инхибирането на RAAS доведе до подобрен фенотип [40], характеризиращ се с активиране на PECs и увеличен брой подоцити. Тези резултати предоставят косвено доказателство, че PEC могат да бъдат потенциален резервоар за възстановяване на изгубени подоцити и че диференциращият капацитет на PEC може да бъде ключов елемент за регресията на диабетна нефропатия, която може да бъде фармакологично модулирана.

Регулатори на гломерулни прогенитори в патологията: когато оркестърът не е настроенДокатобъбречнапрогениторите могат да предизвикат регенерация на подоцити след нараняване [4], те също могат да предизвикат екстракапилярни пролиферативни лезии или полумесеци, които са отличителен белег както на възпалителни, така и на невъзпалителни гломерулни заболявания [42]. Наистина, доказателства в експериментални модели [15] и в човешки биопсии показват, че полумесеците са съставени отбъбречнапрогенитори [14], които необичайно изместват реакциите си от репаративни към увреждащи. Не е напълно разбрано кои фактори са отговорни за накланянето на баланса. CGN е най-добре охарактеризираното заболяване, при коетобъбречнапредшествениците са основните виновници. Клетъчният полумесец е типичната морфологична промяна, наблюдавана в CGN. Определя се като многослойни натрупвания набъбречнапрогенитори и други типове клетки в пространството на Боуман. Следователно, той запушва изхода на урината и потока на първичната урина, а по-късно засегнатият нефрон е увреден. Разкъсването на гломерулните капиляри при полумесечна болест води до излагане наренаl предшественици на висока концентрация в плазмата, която драстично увеличава пролиферацията на човекабъбречнапредшественици в културата [43]. Няколко плазмени компонента могат да обяснят образуването на полумесец, но понастоящем има последователни данни само за активиране на фифибриноген, член на активираната коагулационна каскада по време на съдови увреждания. Липсата на фифибриноген или фифибринолиза предотвратява образуването на полумесец при няколко модела на гризачи [43,44].

Колабиращата нефропатия и псевдополумесеците също произлизат отбъбречнапредшественици [14]. За разлика от полумесеците, беше предложено, че псевдомесеците произхождат отбъбречнапрогенитори като нерегулиран отговор на масивното и бързо отделяне на подоцитите, възникващо при определени условия на директно увреждане на подоцитите (като излагане на определени лекарства, имуно-медиирани разстройства или инфекции, които директно са насочени към подоцитите), възникващо при липса на възпалителни компоненти и водещо до капилярен колапс [22,45]. Тези лезии също често се наблюдават при вирусни гломерулопатии, като HIV- и парвовирусна нефропатия [22]. При тези вирусни гломерулопатии интерферонът (IFN-)- и IFN- не само предизвикват локално възпаление вътре в гломерула, но също така действат върху PECs и подоцитите, като IFN- инхибира миграцията на PECs и двете потискатбъбречнапрогениторна диференциация в подоцити in vitro [46]. In vivo, в модел на адриамицинова нефропатия, инжектирането на IFN- или IFN- влоши протеинурията и гломерулосклерозата [46]. Наскоро беше описан колабиращ FSGS при пациенти от скорошен африкански произход с високорисков APOL1 генотип и заразени с тежък остър респираторен синдром коронавирус 2 (SARS-CoV-2) ​​[47,48]. Предполага се, че SARS-CoV-2 може директно да инфектира подоцита [49] и/или да предизвика възпалителна каскада, която включва активиране на пътя интерферон-хемокин, който от своя страна взаимодейства с гена на варианта на APOL1 [ 50]. Както е посочено по-горе,бъбречнапрогениторната диференциация в подоцити се свързва с експресията на APOL1 и следователно може да участва в нефропатия, свързана с коронавирусна болест 2019 (COVID-19).

Няколко скорошни проучвания подчертаха критичната роля за de novo експресията на CD9 и впоследствие на CD44 като патогенно преминаване на PECs от неподвижен към активиран фенотип в CGN и в FSGS [16,51,52], потвърждавайки патогенната роля на PEC при тези заболявания и предлагане на нови молекулярни цели за терапия на гломерулни заболявания. В подкрепа на тази идея Kaverina et al. показват, че PECs губят CD44 експресия, когато се диференцират в подоцити в увредени гломерули на стари мишки, което предполага, че увеличението на CD44 в PECs представлява не регенеративен, а патологичен преход [53]. При FSGS е доказано, че CD44 има важна роля в клетъчната миграция към увредената фифилтрационна бариера, където увредените подоцити регулират нагоре инхибиторния фактор на миграцията (MIF) и фактор 1, получен от стромални клетки (SDF1), които стимулират експресията на CD44 и CD{{12} }медиирана миграция [54]. В допълнение, PEC произвеждат както получени от PEC, така и специфични за подоцити протеинови изоформи на извънклетъчния матрикс по начин, зависим от CD44- [55]. И накрая, проучване за проследяване на родословието на PEC предполага, че CD44 не е участвал вбъбрекрегенерация чрез диференциация в подоцити и участва само в профибротичен път [56].

Тубулни предшественици

Бъбречнапрогениторите от париеталния епителен слой на капсулата на Bowman могат потенциално да регенерират проксималните тубулни епителни клетки в гломерулотубулното съединение [57]. Въпреки това, тубулно ангажирани прогенитори, разпръснати в проксималните и дисталните тубули, също съществуват при хора [6,58–60] и при мишки [5,61–63] и се увеличават при тубулно увреждане при пациенти, засегнати от остро или хронично тубулно увреждане [6 ]. Кумар и др. извърши проследяване на линията на редки Sox9-експресиращи клетки в проксималния тубул и ги идентифицира като предполагаема тубулна прогениторна популация, участваща в постакутноувреждане на бъбреците(AKI) възстановяване [64]. Sox9 е транскрипционен фактор, който вбъбрекразвитие, контролира епителните разклонения и се експресира в прекурсорите на нефрона [64,65]. Интересното е, че когато Sox9 беше нокаутиран от сегментите S1 и S2, по-бавно възстановяване на физиологичнитебъбречни функции, засилено тубулно нараняване, както и повишенобъбречнафиброза [64]. След частична нефректомия клетките Sox9 plus пролиферират и генерират епителни клетки на проксималния тубул, бримката на Хенле, дисталния тубул, събирателния канал и париеталния слой на гломерула [66]. Наскоро Lazzeri et al. предоставиха доказателства, че тубулните прогенитори претърпяват митоза и заместват приблизително половината от необратимо загубените тубулни клетки по време на AKI [5]. Извършвайки проследяване на линията на Pax2 плюс клетки в миши модел на тубулно увреждане, те идентифицират тубулните прогенитори като отделна тубулна клетъчна субпопулация, която е устойчива на смърт и показва висока клоногенна активност, водеща до генериране на дълги тубулни сегменти [5].

Регулатори на физиологията на тубулния прогенитор: Полифоничен хор

Човекбъбречнапрогениторите експресират B лимфом Mo-MLV (Moloney murine leukemia virus) инсерционен регион 1 (Bmi-1) [57]. Bmi-1 е член на поликомб фамилията на транскрипционните репресори. Той участва в регулирането на клетъчния цикъл и стареенето на стволови клетки, ендогенни за различни органи, като простатата, тънките черва и белите дробове [67–70]. Вбъбреци, нивата на BMI -1 се увеличават бързо след нараняване при миши модел на AKI [71]. Тези констатации сочат към участието на Bmi-1, експресиран в тубулни прогенитори вбъбречнарегенерация. Наистина, Lv et al. показват, че острата тубулна некроза води до повишаване на Bmi-1 и последваща мобилизация на тубулни прогенитори при мишки от див тип, докато тубулните прогенитори не са мобилизирани при Bmi-1 нокаут мишки [72]. Bmi-1 нокаут мишки показаха силенбъбречнафенотип, включително интерстициална фиброза, тубулна атрофия и тежкабъбречнадисфункция, с намалена клетъчна пролиферация, повишена клетъчна апоптоза и стареене и възпалителна клетъчна инфифилтрация [72,73]. В скорошно проучване Zhou et al. допълнително изясни ролята на Bmi-1 вбъбречнапредшественици, което показва, че Bmi-1 е запазил самообновяването и стволовостта набъбречнапрогенитори чрез поддържане на редокс баланса и предотвратяване на спиране на клетъчния цикъл, чрез инхибиране на реактивни кислородни видове (ROS), p16 и p53 [74].

Друга важна молекула, участваща в регулирането на тубулния прогенитор, е Toll-подобен рецептор 2 (TLR2) или CD282, еволюционно запазен мембранен протеин, който играе важна роля в разпознаването на патогени и активирането на вродения имунитет. TLR2 действа като сензор за увреждане на тъканите чрез откриване на свързани с увреждане молекули на молекулярния модел (DAMPs), освободени от увредени тъкани. Активирането на TLR2 води до активиране на транскрипционни фактори надолу по веригата, които регулират експресията на гени за оцеляване или провъзпалителни цитокини и хемокини [75–77]. Sallustio и др. показаха, че тубулните прогенитори експресират TLR2, чието стимулиране от агонисти, които имитират възпалителни медиатори или DAMPs, индуцира масивна секреция на моноцитен хемоатрактантен протеин-1 (MCP-1), интерлевкин 6 (IL-6), интерлевкин 8 (IL-8) и компонент на комплемента С3 чрез активиране на NF-κB (ядрен фактор капа-лека верига-енхансер на активирани В клетки) [59]. Освен това, стимулацията на TLR2 модулира скоростта на пролиферация и способността за диференциация на тубулните прогенитори, което предполага важна роля вбъбречнаремонт [59]. Последващи проучвания от същата група идентифицират различни набори от miPHK, специфично експресирани в тубулни прогенитори [78]. Сред тях miR-1915 и miR-1225-5p регулират експресията на CD133 и PAX2, както и TLR2. Sallustio и др. след това направи дисекция на механизмите за възстановяване след AKI и откри съществена роля за TLR2 вбъбречнарегенерация [79]. Те установиха, че след нараняване, усещането за увреждане на TLR2 води до секреция на инхибин-А и декорин от тубулните прогенитори, които от своя страна насърчават тубулната регенерация чрез клетъчна пролиферация [79]. Тези два цитокина принадлежат към сигналния път на TGF- (трансформиращ растежен фактор-) и участват в регулирането на клетъчния цикъл, увеличаването на клетъчната пролиферация и инхибирането на апоптозата [80–84].

Експресията на молекули от Wnt пътя е докладвана при възрастнибъбречнапредшественици при мишки [85] и хора [86]. Използвайки модел на мишка за проследяване на родословието, Rinkevich et al. показа, че както по време на хомеостазата, така и след нараняване, възрастни бозайницибъбреципретърпяват сегмент-специфична клонова експанзия от клетки, получени от реагиращи на WNT прекурсори [63]. Те предполагат, че способността да се реагира на WNT сигнали избира клетките, които в крайна сметка ще извършат стабилна клонова експанзия. Проучвания в SIX2 плюс извлечени от уринабъбречнапредшественици показват, че активирането на пътя на WNT чрез инхибиране на GSK3 индуцира диференциацията набъбречнапредшественици в бъбречнаепителни проксимални тубулни клетки [87]. В допълнение, Wnt3 проявява про-регенеративни ефекти и се регулира нагоре в CD133 плюсбъбречнапрогенитори в in vitro модел на цисплатиново увреждане [88]. В това проучване авторите разкриват функционалната роля на самия CD133 в възстановяването на бъбречните тубули чрез поддържане на пролиферативния отговор и контрол на стареенето, действайки като разрешаващ фактор за сигнализиране на -катенин, предотвратявайки неговото разграждане в цитоплазмата [88]. При риба зебрабъбреци,повредените тубули бяха заменени с нови нефрони отбъбречнапрогенитори, експресиращи Wnt рецептора frizzled9b и транскрипционния фактор lef1. След нараняване, експресията на Wnt лиганди Wnt9a и Wnt9b е индуцирана при нараненибъбрецина места, където прогениторните клетки образуват нови нефрони [89]. Тези резултати предполагат, че съществената роля на Wnt/frizzled сигналния път вбъбрекрегенерацията е силно запазена сред видовете.

CISTANCHE ЩЕ ПОДОБРИ БЪБРЕЧНО/БЪБРЕЧНО ЗАБОЛЯВАНЕ

Както бе споменато по-рано, Notch сигнализирането е еволюционно запазен път, който има критична роля вувреждане на бъбрецитеи възстановяване [24,90–93], особено по време на AKI [94,95]. Kang и др. показа, че Sox9 плюсбъбречнапрогениторите изразяват високи нива на Notch, а свръхекспресията на вътреклетъчния домен Notch1 (NICD1) в популацията Sox9 plus подобрявабъбречнахистология в индуциран от фолиева киселина модел на AKI [62]. Ма и др. съобщава, че активирането на Sox9 плюс бъбречни предшественици, чиято роля е съществена вбъбрекремонт, се медиира от пътя на Notch, потвърждавайки предишен доклад, че нивата на експресия на Notch1-3, Jagged1/2, Dll4 и Sox9 се увеличават след исхемично-реперфузионно увреждане (IRI) [66]. Наистина, в други органи като панкреаса, активирането на Sox9 модулира пътя на Notch чрез регулиране на Hes1 за поддържане на прогениторния клетъчен пул [96]

Доказано е, че няколко лекарства подобряват състояниетобъбрекрегенерация и сред тях инхибиторите на хистон деацетилаза (HDAC) (HDACis) могат да бъдат обещаваща терапевтична възможност за лечение на AKI [97–102]. HDAC образуват група от ензими, участващи в множество клетъчни процеси, като премахват ацетилната група от хистонови или нехистонови протеини [103]. Марумо и др. съобщават за намаляване на активността на HDAC5, повишено ацетилиране на хистони и реактивиране на костен морфогенетичен протеин 7 (BMP-7) в проксималните тубулни клетки по време на фазата на възстановяване следбъбречнаIRI [104]. Тези наблюдения предполагат, че HDACis могат да окажат своите благоприятни ефекти върхубъбречнавъзстановяване чрез повишена експресия на BMP-7, протеин, който поддържа бъбречен прогениторен пул в недиференциран статус по време набъбрекразвитие [105]. Интересното е, че лечението с HDAC разширибъбречнапопулация на прогениторни клетки в риба зебра [106]. В модела на нефротоксичен серумен нефрит нагломерулонефрит при мишки, активирано лечение с трихостатин А (TSA).бъбрекстранична популация (SD) клетки [107]. SD клетките образуват подгрупа от клетки с многолинейни потенциал и известни ренопротективни свойства, които отслабват хроничнитезаболяване на бъбреците(CKD) чрез увеличаване на експресията на BMP-7 [107]. Използвайки подхода за проследяване на родословието, описан по-горе, Lazzeri et al. показаха, че лечението с два широко използвани HDACis, TSA и 4-фенилбутират (4-PBA), води до Pax2 плюс прогениторна пролиферация, като по този начин се избягва развитието на тъканна фиброза и ХБН [5]. Разработването на селективни HDACis с повишена ефикасност и по-малко токсичност би се подобрилобъбреквъзстановяване чрез тубулна прогениторна пролиферация. Трябва да се отбележи, че HDAC са показали благоприятни терапевтични ефекти в множество експериментални модели набъбречни заболяванияосвен AKI, включително гломерулосклероза, тубулоинтерстициална фиброза, гломерулно и тубулоинтерстициално възпаление, лупусен нефрит, поликистозазаболяване на бъбрецитеибъбречнаклетъчен карцином (RCC), както е разгледано в [108]. Няколко HDACis в момента са във фаза 1 или 2 изпитвания за лечение на RCC и бъбречно увреждане (clinicaltrial.org).

Регулатори на тубулни прогенитори в патологията: хор на Cacophonus

Биологични и молекулярни особености набъбрекрак предполага товабъбречнапредшествениците биха могли да бъдат в началото на развитието на различнибъбреквидове тумори. В скорошно проучване Peired et al. показа, че човешкиятбъбречнапрогениторите, свръхекспресиращи NICD1, имат повишен пролиферативен капацитет и образуват аберантна митоза в 2D култури и могат да генерират тумор-подобна маса в 3D култури [8]. По същия начин, Pax2 плюсбъбречнапредшественици, свръхекспресиращи NICD1 след трансгенна индукция при възрастни мишки или след IRI, са в основата на папиларните аденоми и RCC [8]. В потвърждение на това откритие, лечение, блокиращо ендогенно активиране на NOTCH1, предизвикано от AKI, доведе до развитието на по-малко тумори [8]. Наскоро две проучвания показват, че ангиомиолипомите произхождат от мултипотентнибъбрекепителни клетки, локализирани в тубула и подложени на клонална експанзия в отговор на генна делеция на туберозния склерозен комплекс (TSC) [109,110]. И двете проучвания предполагат, че тези клетки могат да бъдатбъбречнапредшественици с многолинейна способност за диференциация [109,110]. Интересното е, че Cho et al. разкрива, че активирането на неотчетена преди това Rheb-Notch-Rheb регулаторна верига, в която цикличното свързване на Notch1 към Notch-отговарящите елементи (NREs) на Rheb промотора е ключово събитие, е основният механизъм зад генерирането на множество линии, присъстващи в ангиомиолипома [109]. Взети заедно, тези резултати показват, че дерегулацията на пътя на Notch вбъбречнапредшественици могат да доведат добъбречнапатологии.

Wan и др. наблюдава, че експресията на SOX9 е регулирана нагоре при пациенти с RCC и корелира с напредналата патологична степен [111]. Пациентите с RCC с високи нива на SOX9 също имат по-кратка преживяемост [111]. Тези данни потвърждават предишно проучване, което свързва експресията на SOX9 със степента на RCC на Fuhrman и показва, че пациентите със SOX9 () имат много по-добър терапевтичен отговор към инхибиторите на тирозин киназата, отколкото тези със SOX9 (плюс) [112]. Следователно можем да предположим, че увеличаване на експресията на SOX9 в SOX9 плюсбъбречнапредшествениците могат да допринесат за развитието на RCC. Подобен механизъм е описан при базално-подобен рак на гърдата, където експресията на SOX9 в луминални стволови/прогениторни клетки може да контролира пластичността на линията за рак чрез активиране на NF-κB сигнализиране [113].

Прогноза за бъдещето на бъбречните предшественици

Едноклетъчно РНК секвениране: Нека бъдем в крак с времетоБързото развитие на scRNAseq отваря нови перспективи за дисекция на молекулярните процеси, включени вбъбречнапрогениторна регулация при физиологични и патологични състояния. ScRNAseq се състои в получаване на профилиране на генната експресия при разделителна способност на една клетка, което показва различните клетъчни състояния и молекулярната динамика дори на по-редките субпопулации. Тази нова технология е използвана успешно в няколко органа – например за изследване на проминин 1 плюс чернодробни прогенитори [114], Dach1-регулирани надолу лимфоидни прогенитори [115] и KTR5 плюс белодробни прогенитори при пациенти с COVID-19 [116]. През последните няколко години нарастващ брой изследователски групи прилагат тази стратегия за определяне на клетъчните популации набъбреципри мишки и хора [117–120]. В съвсем скорошно проучване Rudman-Melnick et al. идентифицира транскрипционния подпис на всички клетъчни популации в експериментален модел на AKI, подчертавайки наличието на неописани преди това молекули, свързани с увреждане [119]. Такъв подход би могъл потенциално да разкрие нови механизми, активирани вбъбречнапрогенитори след AKI, което води до идентифициране на потенциални молекулярни мишени. В своята основополагаща статия, Young et al. успяха да съпоставят прозрачни клетъчни и папиларни RCC клетки с подтип на проксимални извити тубулни клетки, дефинирани от SLC17A3 и VCAM1 експресия [117]. Както бе споменато по-рано, експресията на VCAM1 или CD106 характеризира, заедно с CD133, рядка популация отбъбречнапрогенитори, разпръснати предимно в проксималния тубул [6]. Анализът на данните от scRNAseq разкри, че транскриптомът на човешкия бъбречен прогенитор показва прилики с PT1, предполагаемата клетка на произход на човешкия папиларен RCC [8]. Тези наблюдения потвърждават нашата хипотеза, че папиларният RCC произлиза от медиираната от Notch трансформация и пролиферация на проксимална тубулна популация от бъбречни предшественици [8].

Клинични приложения: The Clinic Calls the Tune

Терапиите, базирани на бъбречни прогенитори, представляват обещаваща нова граница в лечението набъбречни заболявания, тъй като няколко проучвания показват, че те се подобряватбъбречна функцияслед нараняване [121]. Въпреки това, инжектиранетобъбречнапредшественици директно в животински модели наувреждане на бъбрецитеза индуциране на тъканна регенерация представлява важни ограничения, които са били изложени другаде [121]. Тези предупреждения могат да бъдат заобиколени благодарение на новоизползваните свойства набъбречнапрогенитори, което е техният капацитет да отделят трофични фактори, цитокини или хемокини, които ефикасно медииратбъбреквъзстановяване по паракринен или автокринен начин (Фигура 2). Кенджи и др. съобщава, че интраперитонеалното инжектиране на супернатанта от култура, получена от възрастен плъхбъбрекпрогениторите значително потискат апоптозата на тубулните клетки на остатъчнитебъбречнаклетки, намалява възпалението и насърчава пролиферацията на незрели клетки в експериментален IRI модел чрез освобождаване на HGF (хепатоцитен растежен фактор), EGF (епидермален растежен фактор), TGF- и Epo (еритропоетин) [122]. Наистина се съобщава, че терапевтичното използване на множество растежни фактори подобрява състояниетонаранявания на бъбреците, като HGF, BMP7, EGF, TGF- и VEGF (васкуларен ендотелен растежен фактор) [123–127]. Sallustio и др. съобщи, че човешкиятбъбречнапрогениторите не само значително възстановяват увредените тубулни клетки, но също така показват антифибротични ефекти чрез секрецията на CXCL6 (CXC мотив хемокинов лиганд 6), SAA2 (серумен амилоид A2), SAA4 (серумен амилоид A4) и BPIFA2 (BPI (бактерицидна пропускливост) -увеличаване) член на семейство A, съдържащо гънки 2) чрез паракринен механизъм [128]. Aggarwal и др. съобщи, чебъбречнаграниците на прогениторната секреция на Epoбъбречнафиброза след тубулно увреждане [129]. В допълнение към разтворимите фактори, бъбречните прогенитори отделят екстрацелуларни везикули (EVs), липидни двуслойно ограничени частици с нанометров размер, носещи биоактивни липиди, протеини и РНК, които позволяват комуникация между клетката чрез паракринни действия. Най-малкият и най-добре описан тип EV са екзозомите, които наскоро бяха изследвани за техните защитни ефекти срещу индуцирана от IRI AKI [130,131]. Li et al. демонстрира, че екзозомите, получени от бъбречни прогенитори, могат да възстановят бъбречните структури и функции чрез техните имуномодулиращи, антиапоптотични и способности за стимулиране на пролиферацията в модели на AKI. МикроРНК (miPHK) са най-разпространените компоненти на екзозомите и сред тях miR-146a е идентифициран като ключов играч в медиирането на цитопротективните ефекти чрез понижаване на IRAK1 (свързана с рецептора на интерлевкин 1 киназа 1)/NF-kB сигнализиране [130]. В модел на диабетна нефропатия е установено, че екзозомите, секретирани от прогенитори в урината, намаляват апоптозата на подоцитите чрез потискане на каспаза-3 и насърчаване на съдова регенерация, което може да е свързано с цитокините VEGF, TGF- 1, ангиогенин и BMP -7, съдържащи се в екзозоми, получени от прогенитори в урината [132]. Инхибирането на апоптозата на подоцитите също е свързано със свръхекспресията на miR-16-5p в екзозоми, секретирани от прогенитори в урината, чрез потискане на VEGF-A [133].

Молекули и екзозоми, секретирани отбъбречнапрогениторите насърчават възстановяването отзаболяване на бъбрецитечрез способността им да упражняват серия от ренопротективни и регенеративни ефекти благодарение на тяхната намалена имуногенност и по-нисък риск от малдиференциация и туморогенеза в сравнение с клетъчните терапии. Тези забележителни характеристики ги правят привлекателни за клинични приложения. Друго предизвикателство в клиничния подход къмзаболяване на бъбрецитее откриването на нови инструменти за диагностика и наблюдениезаболяване на бъбрецитекоито биха били лесно достъпни с неинвазивни процедури. В този контекст урината представлява ценен биофлуид поради нейната достъпност, бързо и лесно вземане на проби и голямо разнообразие в протеини, метаболити, клетки и клетъчно съдържание, освободени от урогениталния тракт [134]. Наличието на клетки в урината, които показват свойства на стволови клетки, е описано за първи път от Zhang et al. през 2008 г. [135]. През следващите години няколко групи разработиха техники за изолиране и характеризиране на прогенитори, получени от урина, от здрави донори и пациенти сбъбрекразстройства [136]. Все още не е постигнат официален консенсус относно това кои маркери могат да се използват за определяне на прогенитори, получени от урина. Повечето проучвания показват, че те експресират маркери на мезенхимни стволови клетки (CD44, CD73 и VIM) и маркери на стволови клетки (като POU5F1, SSEA4 и TRA-1-81, както и CD117), но не и маркери, произхождащи от хематопоеза или уротелиум клетъчни линии и ниски нива на тубулни или подоцит-специфични маркери [136]. По отношение на техния произход Bharadwaj et al. показа, че получени от уринабъбречнапредшествениците са носили Y хромозомата от мъж към женатрансплантация на бъбрекполучател, което показва, че идват отбъбреци[137]. Тези клетки имат способността да се диференцират в подоцити [138] и да експресират подоцит- и PEC-специфични протеинови маркери [137,139], което предполага, че произхождат от PECs. Сравнителен транскриптомен анализ на получен от уринабъбречнапредшественици ибъбрекполучени чрез биопсиябъбречнаепителните проксимални клетки потвърждават идентичността на бъбречните прогенитори на прогенитори, получени от урина [87], което показва, че те също могат да произхождат от разпръснати тубулни прогенитори. Тези клетки могат да бъдат препрограмирани в индуцирани плурипотентни стволови клетки (iPSC) и да се използват за регенеративна медицина, моделиране на заболяване или фармакологично тестване [140,141].

Наскоро беше предложено изразът набъбречнапрогениторен маркер CD133 в уринарни EVs представлява добър маркер за оценка на функционалното състояние на бъбречния тубулен компартмент и за наличието на клетки с пролиферативна и възстановяваща активност в тубулите след нараняване. Наистина, две проучвания съобщават, че нивата на CD133 плюс EV в урината, повишени при здрави субекти, не само намаляват при пациенти с остро тубулно увреждане [142], но също и при остри и хронични гломерулни състояния [143]. Освен това, наличието на самите бъбречни предшественици в урината може да отразява патофизиологичния статус набъбречнатъкан. По-специално, Manonelles et al. предоставиха доказателства, че изолирането на CD133 плюс CD24 плюс бъбречни предшественици от урината на стабилни реципиенти на алографт на шест месеца може да предскаже лошия дългосрочен резултат от трансплантацията на две години [144]. Пролиферацията на бъбречните прогенитори и миграцията от капсулата на Bowman към гломерулния сноп през уринарното пространство, за да се заменят отделените подоцити, може да обясни екскрецията на бъбречни прогенитори и, ако се поддържа с течение на времето, може да не успее да запази функцията на алографта, което води до спад на GFR, албуминурия и развитие на хронична гломерулна хистологична лезия [144].

Произведени от уринабъбрекклетките също могат да бъдат мощен персонализиран инструмент за функционални изследвания на кандидат-варианти в наследенитебъбречно заболяване. Както е описано от Lazzeri et al., извлечени от уринабъбречнапрогениторите, получени от пациенти, носещи патогенни мутации в гени, кодиращи подоцитни протеини, се разширяват в културата, но развиват аномалии в експресията или локализацията на подоцитните протеини след диференциацията на подоцитите [138]. В съответствие с това доказателство, същата техника беше използвана за демонстриране на патогенността на вариант на NPHS1 ген с неизвестно значение при пациент с рефрактерен лупусен нефрит [145]. Друго проучване подчертава възможността за използване на извлечени от урина бъбречни епителни клетки за извършване на РНК и функционални изследвания набъбрек-специфични гени, валидиращи патогенността на синонимния вариант в PKHD1 (поликистозабъбреки чернодробно заболяване 1) и потвърждаване на генетичната диагноза на ARPKD (автозомно рецесивна поликистозаЗаболяване на бъбреците) при пациент с ХБН, свързано с атипична поликистозабъбреци [146].

Изводи

Голяма част от литературата описва многобройните механизми за регулиране набъбречнапрогенитори в гломерулните и в тубулните отделения, което ни позволява да имаме глобална визия за сложността на молекулярните процеси, протичащи във физиологичните и в патологичните състояния. Познаването на молекулярния подпис набъбречнапредшественици отваря вратата за идентифициране на нови цели за поддържане на лекарствабъбрекрегенерация или биомаркери за наблюдениебъбрекздраве.