Част 1 Фенотипно разнообразие и метаболитна специализация на бъбречните ендотелни клетки

Контакт: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Имейл:audrey.hu@wecistanche.com

Себастиан Ж. Дюма^1,6, Елда Мета^1,6, Мила Бори^1,6, Йонглун Луо ^2,3, Ксури Ли⁴, Тон Дж. Рабелинк⁵и Питър Кармелиет^1,4

Cistanche tubulosa предотвратява бъбречни заболявания, щракнете тук, за да получите пробата

Резюме |

Сложният многоклетъчен живот при бозайниците разчита на функционалното сътрудничество на различни органи за оцеляването на целия организъм. Theбъбрецииграят критична роля в този процес чрез поддържане на обема на течността и хомеостазата на състава, което позволява на други органи да изпълняват своите задачи. Бъбречният ендотел проявява фенотипни и молекулярни характеристики, които го отличават от ендотела на други органи. Освен това васкулатурата на бъбреците при възрастни се състои от различни популации от предимно латентни, но не метаболитно неактивни ендотелни клетки (ЕК), които се намират вбъбрекгломерули, кора и медула. Всяка от тези популации поддържа специфични функции, например при филтриране на кръвна плазма, реабсорбция и секреция на вода и разтворени вещества и концентрация на урина. Транскрипционното профилиране на тези разнообразни популации на ЕК предполага, че те са се адаптирали към местните условия на микросреда (хипоксия, стрес на срязване, хиперосмоларност), което им позволява да поддържат бъбречните функции. Излагането на ЕК на ангиогенни фактори, произтичащи от микросредата, засяга техния метаболизъм и поддържабъбрекразвитие и хомеостаза, докато ендокринните фактори, получени от ЕК, запазват различни ниши на микросредата. В контекста на бъбречно заболяване, бъбречните ЕК показват промяна в техния метаболизъм и фенотип в отговор на патологични промени в локалната микросреда, като допълнително насърчават бъбречната дисфункция. Разбирането на разнообразието и специализацията на бъбречните ЕК може да предостави нови пътища за лечение на бъбречни заболявания ибъбрекрегенерация.

Съдовата система на бозайниците се състои от две свързани и силно разклонени мрежи, които проникват в цялото тяло - всяка със специфични роли. Кръвоносната система доставя кислород и хранителни вещества до паренхимните тъкани и улеснява отстраняването на отпадъците, имунното наблюдение и трафика на имунни клетки, коагулацията и производството на ендокринни сигнали за поддържане и регенерация на тъканите1. Обратно, лимфната съдова система източва екстравазираната интерстициална течност от пропускливите кръвни капиляри обратно към вените и улеснява трафика на имунни клетки и транспорта на липиди². Всички кръвоносни съдове са облицовани с кръвни ендотелни клетки (BECs, наричани по-нататък ECs), докато лимфните ендотелни клетки (LECs) образуват най-вътрешния слой на лимфните съдове - като всяка популация поддържа своите специфични за васкулатурата задачи. Въпреки това, ендотелната хетерогенност се простира далеч отвъд широките разлики между кръвния и лимфния ендотел. По-специално, ЕК от различни органи показват уникални молекулярни профили, които поддържат специфичните функции на органа^3–6. TheбъбрекПолзиот високоспециализирана васкулатура, която е тясно свързана с епителната система на бъбреците⁷. По-конкретно, фенотипно различни популации от бъбречни ендотелни клетки (RECs) съжителстват в рамките на трите анатомични и функционални отделения набъбрек, гломерулите, кортекса и медулата — където поддържат специфични бъбречни задачи8,9. Важно е, че технологичният напредък даде възможност за изследване на хетерогенността на REC на ниво една клетка, предоставяйки нови прозрения за техните специализирани роли в здравето и заболяванията на бъбреците^6,10,11.

Theбъбреке от решаващо значение за поддържането на хомеостазата на организма, регулирайки обема и състава на телесните течности⁷. Бъбреците получават 20-25 процента от сърдечния дебит и показват стереотипна архитектура на кръвоносните съдове. Тази архитектура не само позволява доставката на кислород и хранителни вещества добъбреци, но също така позволява участие във филтрирането на кръвната плазма, реабсорбцията на йони и метаболити от филтрата, секрецията на йони и метаболити в първичната урина и концентрацията на урината^7,8. Тези силно оркестрирани процеси позволяват фина настройка на обема на извънклетъчната течност, кръвното налягане, осмотичността и концентрацията на йони^7,8. Бъбреците също така регулират нивата на циркулиращите метаболити, не само чрез отделяне на метаболитни отпадъци, но и чрез освобождаване на глюкоза (чрез глюконеогенеза) и аминокиселини, например¹². Органите на бозайниците непрекъснато обменят метаболити чрез кръвообращението, със селективна употреба, за да поддържат собствените си метаболитни дейности¹².

Съответно, метаболитните функции на ЕК в различни органи вероятно демонстрират специфични за органите разлики, подкрепени от констатации от анализи на метаболитен транскриптом на ЕК в различни органи⁶. Освен това метаболитната пластичност на ЕК им позволява да се адаптират и реагират на промените в околната среда по отношение на техните метаболитни нужди и функции 3, 13. Появяващите се доказателства сочат, че специализираните РЕЦ набъбрекприспособяват своя метаболитен транскриптом, за да поддържат бъбречната функция¹⁰.

Дисфункцията на REC придружава острата или прогресивна загуба набъбрекфункция^14,15. Тази дисфункция е свързана с увеличаване на артериалната вазоконстрикция и намаляване на бъбречния кръвен поток, придобиване на провъзпалителни и протромботични фенотипове, които благоприятстват адхезията и инфилтрацията на имунните клетки и образуването на микротромби, дисоциацията на стенописните перицити от ендотелния слой, разрушаване на ендотелната бариера, водещо до интерстициален оток, разреждане на перитубулните капиляри (по този начин насърчаване на бъбречна хипоксия) и ендотелен към мезенхимален преход, което допринася за бъбречна фиброза16,17, което предполага, че ендотелиумът може да бъде насочен към защита срещу бъбреците нараняване и/или за възстановяване на бъбречната функция.

Този преглед обобщава настоящото ни разбиране забъбрекваскулатура, фокусирайки се върху скорошния напредък в нашето разбиране за фенотипната, молекулярната и метаболитната хетерогенност на REC по отношение на тяхната микросреда. Ние също така обсъждаме потенциалното приложение на насочването към REC метаболизма като терапевтична стратегия вбъбрекзаболяванияили за регенерация на бъбреците.

Ключови точки

• Ендотелиумът се различава между различните органи, вероятно за поддържане на различни функции на органите.

• Множество специализирани ендотелни клетъчни фенотипове съжителстват в рамките на бъбречните гломерули, кора и медула; те функционират за подпомагане на гломерулната филтрация, реабсорбцията и секрецията на йони и метаболити и концентрацията на урината.

• Различните местни микросреди вбъбрекоформят молекулярната и метаболитна хетерогенност на бъбречния ендотел; обратно, ендокринните фактори, получени от ендотелни клетки, поддържат нишите на различнибъбрекмикросреди.

• Метаболизмът на бъбречните ендотелни клетки може да бъде променен в контекста набъбрекнаранявания и заболявания, отчасти в резултат на промени в микросредата.

• По-доброто разбиране на фенотипното разнообразие и метаболитната специализация на бъбречните ендотелни клетки може да подпомогне идентифицирането на нови цели залечение набъбрекзаболяванияибъбрекрегенерация.

Хетерогенност на бъбречния ендотел

Анатомия на бъбречните съдове

Theбъбрексе кръвоснабдява през бъбречната артерия, която след навлизане вбъбрекпрез бъбречния хилус, се разклонява в сегментни, интерлобарни, дъговидни и интерлобуларни артерии (фиг. 1а) и в крайна сметка аферентни артериоли, които са съдове с високо съпротивление, отговорни за контрола на гломерулния кръвен поток и скоростта на гломерулна филтрация (GFR) 18. От аферентните артериоли кръвта навлиза в гломерулния сноп - мрежа от силно фенестрирани гломерулни капиляри, където се извършва ултрафилтрация на кръвната плазма със скорост ~120–140 ml/min при възрастни хора, което позволява на разтворените вещества с ниско молекулно тегло да преминат от гломерулния капиляри към Боумановото пространство¹⁹. След като част от плазмата е филтрирана, кръвта напуска гломерулния сноп през еферентни артериоли, за да васкуларизира дисталните и проксималните извити тубули, образувайки кортикална перитубулна капилярна мрежа. Кръвта в перитубулните капиляри е обогатена с разтворени вещества с високо молекулно тегло и има ниско съдържание на течност поради загубата на течност по време на гломерулна ултрафилтрация. Така перитубулните капиляри са посветени на реабсорбцията на вода, йони и основни хранителни вещества от проксималните^7,20и дисталните тубули²¹. Няколко йона като Н плюс (реф. 22) и К плюс (реф. 23), както и молекули като креатинин²⁴и лекарствени метаболити²⁵— които не са напълно филтрирани от гломерулните капиляри, но все още трябва да бъдат елиминирани от тялото — се придвижват от перитубулните капиляри в епителните клетки на проксималните20 или дисталните тубули, за да бъдат секретирани и елиминирани в урината21. Еферентните артериоли от юкстамедуларните нефрони дават началото на низходящата vasa recta (DVR), която се свързва с възходящата vasa recta (AVR) чрез капилярни плексуси. AVR и DVR се движат в противоток на примката на Henle и участват в медуларния обмен на противоток, който, както е описано по-късно, е необходим за поддържане на градиент на осмоларитет за концентрация на урина26. В крайна сметка кортикалните и медуларните капилярни системи заедно с AVR се сливат във венозна система при кортикомедуларното съединение. По-конкретно, бъбречната венозна васкулатура дренира кръвта от перитубулните капиляри и AVR в интерлобуларните и аркуатните вени и след това в междулобарните вени, като в крайна сметка образува бъбречната вена, която излиза отбъбрекхилус и накрая се разклонява в долната празна вена⁷.

Theбъбрексъщо се доставя от лимфни съдове, които следват общата топография набъбреккръвоносна васкулатура²⁷(фиг. 1а). Те присъстват главно в кората на бъбреците, където основната им роля е да отстраняват течност и макромолекули (като албумин) от интерстициалното пространство между тубулите и капилярите²⁸. Те също имат роля в инфилтрацията на имунните клетки и последващото възпаление²⁹. В гломерулите те обграждат капсулата на Боуман, без да проникват в гломерулния сноп²⁸. Обратно, традиционните лимфни съдове рядко присъстват в медулата на бъбрека; в този регион интерстициалната течност и макромолекулите се отстраняват от AVR, който представлява вид хибриден кръвоносен съд с характеристики, подобни на лимфата^28,30.

Фенотипове на бъбречните ендотелни клетки

ЕК от различни органи са фенотипно хетерогенни^3–6,31. Уникалните свойства на RECs, и по-специално на гломерулните ECs, отдавна са оценени. Глобалното транскрипционно профилиране на ECs от мишки потвърди съществуването на орган-специфични транскриптомни подписи^3,4,6. Трябва да се отбележи, че тези проучвания показват, че RECs са най-различни от ECs от други органи, включително мозъка, сърцето, белите дробове, мускулите и тестисите⁴(Фиг. 1b) чрез тяхната експресия на гени, свързани с интерфероновото сигнализиране, както и гени, които кодират ендокринните фактори FGF1 и IL-33 (справки^4,6). Специфичната за органа хетерогенност на ЕК вероятно е в основата на тяхната молекулярна адаптация за изпълнение на специфични функционални роли^3–6,31.

Въпреки това, хетерогенността на RECs се простира отвъд органотипното ниво, със забележително разнообразие набъбрекваскулатура, както е показано първоначално чрез електронна микроскопия и изследвания с микрочипове и впоследствие чрез анализи на единични клетки^6,32,33. Theбъбреккора, гломерули и медула съдържат уникални EC популации (cRECs, gRECs и mRECs, съответно). Това разнообразие в популациите на ЕС може да възникне от излагане на различни микросреди на тези региони. Например, гломерулният ендотел е изложен на високо съдово налягане и взаимодейства тясно с подоцитите, за да регулира ултрафилтрацията, докато mRECs са изложени на висок осмоларитет и хипоксия, които са свързани с поддържането на градиент на осмоларитет и концентрация в урината^6,9,10,32(фиг. 1c). Освен вътрешнокомпартментната хетерогенност, REC демонстрират и интракомпартментална хетерогенност, която вероятно се определя от редица генетични фактори и фактори на околната среда, включително вида на съдовото легло (артериално, капилярно, венозно), техните взаимодействия с други видове клетки (напр. , гладкомускулни клетки, перицити, гранулирани клетки, подоцити и тубулни епителни клетки) и тяхното излагане на различни микросреди в рамките на едно и също отделение, като излагане на различни видове поток или различни нива на осмоларност34 (фиг. 1c). Развитието на технологиите за едноклетъчна транскриптомия позволи хетерогенността на миши RECs да бъде картографирана с много висока разделителна способност^6,10,11, разкривайки до 24 транскрипционно различни REC популации^6,10,11. Трябва да се отбележи, че констатациите от едноклетъчни RNA-seq проучвания, обобщени по-долу, остават да бъдат потвърдени на ниво протеин, както за цялостна проверка на пространствената локализация на прогнозираните протеини, така и за интегриране на знанията за пост-транслационните промени и/или сигнални механизми, които могат да повлияят на протеиновата активност. Също така трябва да се отбележи фактът, че относителното обогатяване на ген в рамките на определена REC популация, както е определено чрез секвениране на една клетка, не означава непременно, че експресията на този ген е ограничена до тази специфична клетъчна популация.

Хетерогенност на гломерулните бъбречни ендотелни клетки.Theбъбрекгломерулът е високоспециализирана структура, която е отговорна за филтрирането на кръвната плазма за генериране на първичен филтрат на урината, като същевременно гарантира, че основните плазмени протеини се задържат в кръвта. Състои се от гломерулни капиляри, които лежат между аферентни и еферентни артериоли, които са съпротивителни съдове, които контролират капилярния кръвен поток и налягане. Артериолите на нефрона са в частичен контакт с юкстагломеруларния апарат (JGA) - специализирана структура, която включва макулата денса на дисталния извит тубул, гранулирани клетки, произвеждащи ренин, които са свързани с аферентната артериола и екстрагломерулни мезангиални клетки (фиг. 2а). JGA регулира GFR на един нефрон и кръвното налягане чрез тубулогломерулната обратна връзка, миогенния отговор и освобождаването на ренин^19,35–37.

Ендотелът на гломерулните капиляри е съставен от уникални ЕК с недиафрагмирани фенестрации, които позволяват филтрирането на големи обеми течност38 (фиг. 2b).

Фенестрациите са с размер 50–100 nm и заемат около 20 процента от площта на клетъчната повърхност, появявайки се на електронно микроскопско изображение като трансклетъчни дупки³⁸. Диаметърът на тези отвори е теоретично достатъчно голям, за да позволи преминаването на течност и големи протеини в тубулите. Въпреки това, капилярните gREC също произвеждат дебел слой гликокаликс, включващ отрицателно заредени гликопротеини и полизахариди, които действат като бариера за преминаването на протеини^39,40. Нещо повече, плазмените компоненти се адсорбират в гликокаликса и образуват по-широка обвивка, наречена ендотелен повърхностен слой41, който със своята нишковидна структура допълнително повишава пермселективността на гломерулната ендотелна бариера⁴². Наистина, албуминурия и протеинурия се наблюдават при увреждане на гликокаликса^39,43,44. Заедно с подоцитите, капилярните gRECs също синтезират и споделят обща извънклетъчна матрица, известна като гломерулна базална мембрана (GBM), която се състои главно от колаген тип IV, ламинин и сулфатирани протеогликани42. Мутациите, засягащи синтеза на някой от компонентите на GBM, водят до протеинурия45,46. По този начин капилярните gRECs, подоцитите и GBM образуват ефективна бариера за гломерулна филтрация. Трябва да се отбележи, че на гломерулния капилярен ендотел липсва диафрагма и следователно не експресира трансмембранния гликопротеин тип II, свързан с везикулите на плазмалемата, протеин 1 (PV1), който е кодиран от Plvap10 и е типичен маркер за фенестрирани ЕК, свързани с мостовите диафрагми на ендотелния фенестри и кавеоли⁴⁷

Развитието и поддържането на капилярните gREC фенестрации изисква съдов ендотелен растежен фактор, получен от подоцити (VEGF), който действа по паракринен начин чрез ендотелен VEGF рецептор 2 (VEGFR2, известен също като KDR)⁴⁸. Свръхекспресията на VEGF причинява гломерулен колапс, бърза загуба на капилярни gRECs и масивна протеинурия⁴⁹. По този начин е необходима строга регулация на подоцитния VEGF за установяване на гломерулната васкулатура по време на ембрионалното развитие и за поддържане на фенестрации в зрели гломерулни капиляри^38,42. По подобен начин VEGF, получен от тубулни епителни клетки, позволява поддържане на перитубулната капилярна мрежа⁵⁰

За разлика от други капилярни ECs, gRECs са изложени на високо кръвно налягане и висок кръвен поток, което задвижва процеса на гломерулна филтрация и излага gRECs на значително напрежение на срязване⁵¹. Съответно, gREC експресират високи нива на транскрипта Pi16, регулиран от напрежението на срязване (справки^6,10,11,52) (Фиг. 2в; Допълнителна таблица 1). Капилярните gREC експресират и редица други маркери^10,11,32,53, включително Ehd3, който кодира член на семейството на EHD протеини^{10,11,38,54,55}който регулира ендоцитното рециклиране и се смята, че регулира рециклирането на VEGFR2 в капилярни gRECs (фиг. 2c), заедно с EHD4 (реф. 54). По този начин EHD3 може да допринесе за поддържането на гломерулни капилярни фенестрации. Капилярните gREC също показват обогатена експресия на гени, свързани с TGF –BMP сигналния път (Eng, Smad6, Smad7, Xiao и Hipk2 (refs10, 56–58)), който участва в образуването на гломерулни капиляри. Свръхекспресията на TGF индуцира протеинурия и гломерулосклероза⁵⁹и по този начин наличието на инхибиторни SMADs, като тези, кодирани от Smad6 и Smad7 в gRECs, може да предотврати прекомерното TGF сигнализиране и гломерулна дисфункция. За разлика от това, BMP, получен от подоцити, е от решаващо значение за нормалното образуване на гломерулни капиляри60. Капилярните gRECs също специфично експресират Nostrin³², чийто протеинов продукт свързва ендотелната синтаза на азотен оксид (eNOS), за да задейства нейното преместване от плазмената мембрана към субклетъчни структури, подобни на везикули, и намалява производството на азотен оксид (NO) — важен регулатор на GFR32. Освен това, ограничената експресия на липопротеин липаза (Lpl) към капилярни gREC предполага, че гломерулният ендотел може да е от съществено значение за освобождаването на мастни киселини в ултрафилтрата, който впоследствие може да се използва като източник на енергия от епителните клетки на тубулите или за регулирането на съдържание на липиди в кръвта или може да допринесе за натрупването на гломерулни липиди, както се наблюдава в патологични контексти^6,10,61,62. Интересно е, че бъбречната експресия на гени, участващи в липидния метаболизъм, корелира с GFR и възпалението при пациенти сдиабетикбъбрекзаболяване, докато дефектното окисляване на мастни киселини (FAO) в тубулните клетки допринася за развитието набъбрекфиброза^61,62.

Транскрипционни фактори, като SOX17 и COUP-TFII (кодирани от Nr2f2) в артериални и венозни RECs, съответно, управляват транскриптомни сигнатури и идентичността на специфични съдови легла63,64. Идентичността на gRECs разчита на активността на поне два транскрипционни фактора: GATA5 и TBX3 (refs10,11,32) (фиг. 2c), които медиират придобиването на gREC-подобен профил на генна експресия, когато са свръхекспресирани заедно в човешка пъпна вена ECs (HUVECs), често използван EC модел11. GATA5 регулонът се регулира нагоре в gRECs, но не и в други REC популации^10,11и селективната делеция на Gata5 в ECs причинява гломерулни лезии65. Освен това, EC-специфичната делеция на Tbx3 причинява морфогенни дефекти като микроаневризми в подгрупи от гломерули, намален брой капилярни gREC фенестрации и деформирани процеси на крака на подоцитите, което предполага роля на този транскрипционен фактор в поддържането на структурната организация на гломерулните капиляри¹¹. В допълнение, както GATA5, така и TBX3 участват в регулирането на кръвното налягане. GATA5 засяга типичната съдова функция, протеин киназа А и NO сигналните пътища⁶⁵, докато се смята, че TBX3 модулира кръвното налягане чрез регулиране на секрецията на ренин вбъбрек¹¹.

Регулирането на съдовия тонус на аферентните и еферентните артериоли е необходимо за поддържане на постоянно високо гломерулно капилярно налягане, необходимо за гломерулна филтрация¹⁸. Този регулаторен процес позволява да се поддържа постоянна GFR въпреки промените в системното налягане и сърдечния дебит66. Аферентните артериоли имат един до три слоя васкуларни гладкомускулни клетки (VSMCs), които в близост до JGA са частично заменени от ренин-продуциращи гранулирани клетки67 (фиг. 2d). EC хетерогенност съществува и в рамките на аферентната артериола, с недиафрагмирани фенестрации на ендотела, който е най-близо до JGA68,69 — подобен на този на гломерулния капилярен ендотел — вероятно за улесняване на бързото транспортиране на ренин в кръвта18 (фиг. 2d). Експресията на Gja5 (кодиращ конексин 40) е обогатена в тази подгрупа от gRECs^10,70и има важна роля в комуникацията между ендотела и гранулираните клетки в JGA за регулиране на освобождаването на ренин^35,70,71. Тези ECs също са обогатени с други гени, участващи във взаимодействието между клетката, като тези, свързани с Wnt и Notch сигналните пътища, Ephrin и цитокини, и хемокини (фиг. 2c), които могат да медиират кръстосаното слушане между мезангиалните клетки и/ или гранулирани клетки и gRECs в JGA и потенциално допринасят за авторегулация и модулация на кръвното налягане¹⁰.

Обратно, gREC в горната (най-дисталната) част на аферентните артериоли експресират гени, участващи в регулацията на бензина, като Edn1 (който кодира ендотелин 1), Alox12 (арахидонат 12-липоксигеназа) и S1pr1 (сфингозин{{6 }}фосфатен рецептор 1)^10,72,73(фиг. 2в). Сигналната пътека S1P–S1PR1 мощно регулира аферентния артериолен бензин чрез активиране на системата eNOS^74–76. В съответствие с тази роля S1P рецепторът е обогатен с gRECs в аферентните артериоли и не се открива в еферентните артериоли¹⁰.

За разлика от gRECs в аферентните артериоли, gRECs в еферентните артериоли показват по-ниска експресия на конексин77, особено конексин 37 и конексин 40 (кодирани съответно от Gja4 и Gja5)10. Подобно на ECs от аферентните артериоли обаче, транскриптомните анализи на ECs от еферентните артериоли показват наличието на две gREC популации: едната вероятно е свързана с JGA (експресиращи гени, свързани с адхезията на имунните клетки и екстравазацията и пропускливостта на EC) и втора което съответства на дисталната част на еферентната артериола (обогатена с гени, участващи в реакциите на хиперосмоларност) 10 (фиг. 2с).

Тези прозрения предполагат, че фенотипното и функционално разнообразие на gRECs е в основата на способността на тези ендотели да поддържат GFR чрез активната модулация на гломерулния кръвен поток и чрез осигуряване на ефективност на гломерулната филтрация. Чрез интегрирането на тубулогломерулна обратна връзка и миогенни сигнали, gRECs, свързани с JGA, по-специално, вероятно са критични регулатори на GFR.

Хетерогенност на кортикалните бъбречни ендотелни клетки.В допълнение към гломерулния капилярен ендотел и прегломерулните и постгломерулните аферентни и еферентни артериоли,бъбрекмозъчната кора съдържа лимфни съдове и големи артерии и вени заедно със свързаните с тях vasa vasora, посткапилярни венули и перитубулни капиляри. В съответствие с тяхната роля в реабсорбцията и секрецията на разтворени вещества, йони и вода, кортикалните перитубулни капиляри са тънкостенни капиляри, съдържащи ECs, които са функционално свързани с тубуларния епител9 (фиг. 3a). В сравнение с gRECs и mRECs, cRECs — по-специално перитубуларните капилярни ECs — експресират високи нива на Igfbp3 (кодиращ инсулиноподобен растежен фактор-свързващ протеин 3) и Npr3 (кодиращ натриуретичен пептиден рецептор 3)10,11 (фиг. 3b) .

Кортикалните перитубулни капиляри възникват от еферентните артериоли и обграждат проксималните и дисталните извити тубули (фиг. 3а), осигурявайки кислород и хранителни вещества и допринасяйки за поглъщането на разтворени вещества и реабсорбцията на вода от тубулния лумен⁹. За разлика от гломерулните капиляри, перитубуларните капилярни EC експресират Plvap, чийто протеинов продукт (PV1) обхваща перитубуларните капилярни EC фенестри. Тези диафрагмени фенестри са с диаметър 62–68 nm и вероятно улесняватобмен на вода, йони и малки разтворени вещества с проксималните и дисталните тубули9,10

Гломерулите филтрират приблизително 180 g глюкоза на ден78 и при физиологични условия почти цялата се реабсорбира в проксималните тубули. Филтрираната глюкоза първо се реабсорбира от лумена на проксималните тубули вътре в епителните клетки чрез натриево-глюкозни котранспортери (SGLT). След като вътреклетъчната концентрация на глюкоза надвиши тази на интерстициума, тя дифундира в интерстициалното пространство чрез специфични улеснени глюкозни транспортери (GLUTs), откъдето се реабсорбира в кръвния поток79. В съответствие с тяхната роля в този процес, перитубуларните капилярни ECs експресират по-високи нива на Slc2a1 (кодиращ GLUT1), отколкото ECs на други бъбречни съдови легла11 (Фиг. 3b), което предполага, че реабсорбцията на глюкоза може да бъде улеснена от GLUT1 в перитубуларните капилярни ECs.

Кортикалните перитубулни капиляри включват две EC популации - една, която експресира високи нива на Арое (кодиращ аполипопротеин Е) и една, която експресира малко или никакво Арое10 (фиг. 3b). Популацията с високо ниво на Apoe показва обогатена експресия на други гени, свързани с липидния метаболизъм, като Plpp3 и Thrsp10, 80, 81. За разлика от това, Apoe-ниската популация експресира гени, кодиращи VEGF рецептори (Kdr, Flt1 и Nrp1, кодиращи VEGFR2, VEGFR1 и невропилин 1, съответно), протеини, свързващи инсулиноподобен растежен фактор и рецептор (Igfbp5, Igfbp3 и Insr) и Npr3, който кодира рецептор за натриуретичен пептид, който регулира обема на кръвта и екскрецията на натрий 10,82–85. Понастоящем не е известно дали тези две EC популации съществуват в отделни капиляри, които взаимодействат с проксималните извити тубули или дисталните тубули, или дали съществуват в едни и същи капиляри.

Изненадващо, две допълнителни капилярни EC популации също са описани в миши бъбречен кортекс - ангиогенно-подобна EC популация и популация, която се характеризира с експресията на интерферон-стимулирани гени и гени, участващи в антигенната обработка и представяне10 (фиг. 3b) . Ангиогенно-подобните EC могат да играят роля в регенерирането на увредени RECs, докато активираните с интерферон ECs могат да участват в имунното наблюдение, въпреки че са необходими допълнителни проучвания за изследване на тези възможности10.

cREC в големите артерии се характеризират с експресията на гена на артериалния транскрипционен фактор Sox17 и гена за плътна връзка Cldn5 (claudin 5), докато cREC в големите вени се характеризират с експресията на транскрипционния фактор Nr2f2 (COUP-TFII) и фенестрационен маркер Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(фиг. 3b).

Артериалните cREC експресират семафорин-кодиращия ген Sema3g, който има автокринни и паракринни ефекти върху ECs и VSMCs, съответно, коннексин-кодиращите гени Gja4 и Gja5, които са компоненти на миоендотелните връзки, и члена на семейството Notch Jag1 (refs6,10, 11,87–90) (фиг. 3б). Големите артерии са изложени на високо кръвно налягане и техният съдов тонус се модулира в отговор на промените в кръвното налягане. Тяхната способност да реагират на механични сигнали се осигурява от наличието на еластичен слой в tunica media, който е богат на еластични влакна^9,91и чрез експресията на гени, свързани със сглобяването на еластични влакна, като Eln (еластин), Ltbp4 (латентно-трансформиращ растежен фактор- -свързващ протеин 4), Fbln5 (фибулин 5) и Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). Те също експресират високи нива на Mgp (матричен Gla протеин) 6, 10, който потиска васкуларната калцификация, вероятно чрез инхибиране на BMP2 и BMP4 сигнализация 96. В съответствие с тяхната роля в регулирането на бъбречния кръвен поток, cRECs на големите артерии също експресират гени, които са отговорни за регулирането на бензина, като Ace, Edn1 и S1pr1 (справки 6, 10, 97–99) (Фиг. 3b).

Доставянето на кислород и хранителни вещества и отстраняването на отпадъчните продукти, освободени в съдовата стена на големите артерии и вени, се улесняват от vasa vasora100. Vasa vasora RECs не са идентифицирани в публикуваните проучвания на миши едноклетъчни RECs, вероятно защото съдовете с диаметър на лумена от<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Извършването на такива изследвания при по-големи животни или при хора, които имат по-големи бъбречни съдове, може да увеличи вероятността за улавяне на vasa vasora REC. Понастоящем няма описани маркери за RECs, получени от vasa vasora.

Отвъд кръвоносната съдова система, бъбречната кора също съдържа два комплекта бъбречни лимфни съдове. И двата произхождат като капиляри със слепи краища в бъбречната лобула, откъдето единият комплект следва артериите към хилуса, за да свърже хиларната и капсулната система, а другият прониква в капсулата, за да се присъедини към капсулните лимфни пътища 28,101 (фиг. 1а). Бъбречните лимфни капиляри могат да бъдат разграничени от капилярите на кръвоносните съдове, тъй като присъстват главно в интерстициума, имат слепи краища и нямат перицити^28,29. Бъбречните лимфни капиляри се състоят от еднослойни, с форма на дъбови листа, частично припокриващи се LECs28,29, които могат да бъдат разграничени от BECs чрез експресията на няколко маркера⁶, от които най-известните са Pdpn (подопланин)102, генът Lyve1, кодиращ рецептора на хиалуронан (реф. 103), Flt4 (който кодира VEGFR3)104 и генът на транскрипционния фактор Prox1 (реф. 105) (фиг. 3b) . Въпреки че тези маркери се експресират и в други типове клетки, те могат да се използват за разграничаване между двата основни типа EC29. В човешкотобъбрек, подопланинът е описан като най-надеждният маркер за LEC^28,29. Въпреки това нито един от двамата не е известенбъбрекLEC популациите са идентифицирани в публикувани едноклетъчни RNA-seq проучвания^6,10,11, вероятно поради загубата им по време на етапи на техническа обработка (например по време на ензимно смилане или пречистване на EC) и/или защото те представляват твърде малка EC фракция в сравнение с популацията от бъбречни BEC. Следователно са необходими допълнителни изследвания, за да се характеризира хетерогенността на бъбречния лимфен ендотел.

Хетерогенност на медуларните бъбречни ендотелни клетки.Основната роля на бъбречната медула е концентрацията на урина⁹. Анатомичното разположение на vasa recta и ниският кръвен поток на бъбречната медула (10 процента от общия бъбречен кръвен поток9) предотвратяват измиването на разтворени вещества, като урея и NaCl, създавайки осмоларитетен градиент от външната медула към бъбречната папила , което е от съществено значение за концентрацията на урина26,106. Този градиент варира в зависимост от състоянието на хидратация106.

Бъбречният медуларен ендотел се характеризира с експресията на Igfbp7 (справки 10,11), уринарен маркер набъбрекувреждане, което предсказва възстановяване на бъбреците след остро бъбречно увреждане (AKI)107, и Cd36 (справки 10,32), който кодира рецептор за очистване, който е отговорен за усвояването на дълговерижни мастни киселини от кръвообращението108 (фиг. 3c). Следователно, липидите могат да се придвижват по CD36-зависим начин през медуларния ендотел до медуларните интерстициални клетки, фибробластоподобна клетъчна популация, която се характеризира с липидни капчици, чието изобилие корелира със състоянието на диурезата109. Делецията на Cd36 при мишки се свързва с повишен зависим от бъбреците риск от спонтанна хипертония^10,110, но отслабна развитието набъбрекфиброза в отговор на диета с високо съдържание на мазнини111 (фиг. 3с), което предполага както защитна, така и патологична роля за липидния транспорт в тези процеси.

Подобно на кортикалния и гломерулния ендотелиум, бъбречният медуларен ендотел проявява обширна интра-компартментална хетерогенност^10,11. DVR е артериоподобен съд, включващ непрекъснат ендотелиум, заобиколен от перицити, подобни на гладка мускулатура или VSMC, които реагират на вазоактивни стимули, за да контролират бъбречния медуларен кръвен поток. В съответствие с техния артериоларен фенотип, DVR EC експресират Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 и Cxcl12 (CXCL12, известен също като SDF1 - хемокинов протеин който действа като лиганд за CXCR4 и CXCR7, експресирани от VSMC и перицити)^10,63,113. DVR ECs също експресират Slc14a1 и Aqp1, които кодират транспортера на урея B (UTB)^10,11,112и водния канал аквапорин 1 (реф^10,11,55), като и двете са необходими за концентрацията на урината114,115 (фиг. 3c,d). Тези ECs също експресират Scin, който кодира пепел в - протеин, който свързва аквапорин 2 в мултипротеинов комплекс в събирането на епителни клетки на каналите, вероятно за да улесни трафика на аквапорин 2116. Ко-експресията на Aqp1 и Scin в DVR ECs предполага подобно взаимодействие в медуларния ендотел¹⁰.

Градиентът на осмоларитета създава враждебна среда за клетките на бъбречната медула, особено за тези в бъбречната папила, където осмоларитетът е най-висок (съответстващ на състояние на физиологична хиперосмоларност, при което осмоларитетът е по-висок, отколкото в системната плазма)117. Миши DVR ECs могат да бъдат разделени на два основни фенотипа според тяхното местоположение в бъбречната папила или във външната или вътрешната медула10 и се отличават с експресията на индуцирани от хиперосмоларност и на вазотон-регулаторни гени10 (фиг. 3c). DVR ECs на бъбречната папила експресират гени, реагиращи на хиперосмоларност, включително целеви гени на индуцируемия от хиперосмоларност транскрипционен фактор NFAT5, като S100a4 и S100a6 (refs10,118), докато DVR ECs от вътрешната и външната медула показват обогатена експресия на Hpgd, който кодира основен ензим, участващ в катаболизма на вазоактивни простагландини, Edn1, който кодира вазоконстриктора ендотелин 1, и Adipor2, който кодира рецептор за адипонектин, който индуцира вазодилататорни ефекти119,120 (фиг. 3c). Този модел на експресия е в съответствие с по-видното присъствие на перицити, подобни на гладка мускулатура, във външната медуларна част на DVR и следователно по-голямата чувствителност на този регион към вазоактивни фактори, в сравнение с по-ниските части на DVR9,121.

За разлика от DVR, AVR са фенестрирани венозни съдове (фиг. 3d). Тези съдове реабсорбират вода от бъбречния медуларен интерстициум, която се натрупва по време на концентрация на урина от събирателните канали, примката на Хенле и DVR, събирайки я обратно в общата циркулация по начин, подобен на функцията на лимфните съдове30. В съответствие с тази роля, AVR EC експресират венозния транскрипционен фактор Nr2f2 (refs10,11,64) и Plvap - вероятно за да поддържат ролята си в реабсорбцията на вода^10,11,47,122(фиг. 3c). AVR ECs също експресират Tek, кодиращ ангиопоетиновия Tie2 рецептор, който е необходим за образуването на AVR по време на развитието. Делецията на Tek при мишки предизвиква бързо натрупване на течност и кисти в медуларния интерстициум и загуба на медуларни васкуларни снопове и води до намалена способност за концентриране на урината³⁰.

Подобно на DVR, AVR може да бъде разделен на две транскриптомно различни EC популации, разположени в папилата и във външната и вътрешната медула. Тези в папилата се характеризират с експресията на реагиращи на хиперосмоларност гени (Cryab, Fxyd2 и Cd9 (refs10,123,124)), гликолитични гени (Ldha, Aldoa и Gapdh10,125,126) и Car2, който кодира ензима карбоанхидраза 2 , чието отсъствие нарушава концентрацията на урина и предизвиква полиурия при мишки 127 (фиг. 3с). Папиларните AVR ECs специфично експресират Na плюс /K плюс ATPase субединица-кодиращ ген Fxyd2, докато алтернативен субединица-кодиращ ген Fxyd6 се регулира нагоре в AVR ECs във външната и вътрешната медула¹⁰ (фиг. 3c).

Папиларните части на AVR и DVR показват различни профили на генна експресия, но споделят експресията на няколко реагиращи на хиперосмоларност гени, включително Akr1b3, който кодира алдозоредуктазата - ограничаващият скоростта ензим на полиолния път, който е отговорен за превръщането на глюкозата в сорбитол, инертен органичен осмолит, който е важен за поддържане на клетъчния обем при условия на хиперосмоларност117. Те също така експресират S100a6, както и други гени - като Fxyd5 (който кодира друга Na плюс /K плюс ATPase субединица), Nrgn (който кодира калмодулин-свързващия протеин неврогранин) и Crip1 (който кодира богат на цистеин протеин 1) 10,118 - което потенциално може да бъде свързано с хиперосмотичната среда (фиг. 3c).

Бъбречният медуларен капилярен плексус, който свързва DVR и AVR (фиг. 3а), се характеризира с Plvap-положителен фенестриран ендотел и обогатената ендотелна експресия на гени, които кодират VEGF рецептори, като Kdr, Flt1 и Nrp1, също като гени, участващи в транспорта и метаболизма на мастни киселини (Cd36 и Plpp3)10 (фиг. 3c). mRECs също така включват ECs от посткапилярни венули, както и ангиогенни и интерферон-активирани EC популации, подобни на капилярите на бъбречната кора10.

REC хетерогенност и бъбречно заболяване

При физиологични условия ендотелиумът е в покой - състояние, което се поддържа до голяма степен чрез S-нитрозилирането на протеини и транскрипционни фактори от eNOS-получен NO128,129. Самата активност на eNOS се регулира от напрежението на срязване¹³⁰и вътреклетъчни метаболити, като субстрата на eNOS, l-аргинин и неговия кофактор, тетрахидробиоптерин¹³¹. При определени условия - например в отговор на инфекция - това състояние на покой може да бъде изключено, предизвиквайки активирането на ЕК и набирането на имунните клетки. Редокс сигнализирането и по-специално отделянето на ензима eNOS, което води до производството на супероксид вместо NO, е от решаващо значение за този процес на активиране. Отделянето на eNOS задвижва каскада, която води до ремоделиране на ендотелния повърхностен слой и индуцира експресията на рецептори, които могат да взаимодействат с тромбоцитите и имунните клетки¹³². Въпреки че ендотелната активация е част от защитната система на гостоприемника, тази молекулярна машина може да бъде неподходящо активирана при болестни състояния като автоимунно заболяване или при наличие на сърдечно-съдови рискови фактори или инфекция. Трябва да се отбележи, че съществува хетерогенност в отговора на RECs на вредни сигнали¹³³. Например, при атипичен хемолитично-уремичен синдром, мутациите в инхибиторния на комплемента фактор Н са свързани с намалено свързване на фактор Н с гломерулен ендотелен хепаран сулфат134, като по този начин се индуцира гломерулна тромботична микроангиопатия. Друг пример е хронично хуморално отхвърляне на алографт, при което перитубуларните капиляри изглежда са основната цел на увреждане¹³⁵; свързаната загуба на перитубулната капилярна мрежа предсказва появата набъбрекпровал136. В контекста на пандемията от COVID-19 трябва да се отбележи, че AKI често се наблюдава при пациенти с тежко заболяване (засягащо до 50 процента от пациентите в интензивни отделения)¹³⁷, при които широко разпространената дисфункция на ЕК може да насърчи ескалация на заболяването в резултат на съдово изтичане, коагулопатия и изострено възпаление^138,139.

В допълнение към хетерогенността в реакцията на ендотелиално активиране, реакцията на RECs към сигналите на околната среда от циркулацията може да бъде специфична за мястото. Например, gRECs от пациенти със захарен диабет тип 1 демонстрират нерегулиран ангиогенен отговор, водещ до гломерулен растеж и вторична подоцитопатия^140,141. При исхемично увреждане — по-специално в перитубулните капиляри — ендотелното активиране и отделянето на ECs води до така наречения феномен на „no-reflow“, при който перфузията не се възстановява дори при възстановяване на проходимостта, което води до увреждане на тубулните епителни клетки и AKI¹⁴². Клиничната патология, предизвикана от активирането на REC, се обсъжда подробно другаде.

Появата на техники с висока разделителна способност като едноклетъчна RNA-seq предостави нови прозрения за молекулярната регулация на ендотелната фенотипна хетерогенност и процесите, включени вбъбрекнараняване. Редица проучвания през последните няколко години, от нашата група и други, разшириха концепцията, че ендотелната хетерогенност е взаимосвързана с вътреклетъчния метаболизъм^{3,6,10,143–145}. Както е описано по-долу, различните микросреди, на които са изложени REC, помагат да се установи както тяхното фенотипно разнообразие, така и метаболитна специализация.

Метаболитна специализация на REC

ECs проявяват активен метаболизъм, дори когато са в покой, за да поддържат процеси като производство на енергия, синтез на биомаса и редокс хомеостаза, които са необходими за поддържане на целостта на съдовата бариера, вазорегулаторна функция, транспорт на разтворени вещества и инхибиране на тромбоза и съдово възпаление. Например, неподвижните ECs поддържат високи нива на FAO, което помага да се поддържа целостта на съдовата бариера отчасти чрез регенерирането на NADPH, което осигурява защита срещу реактивни кислородни видове (ROS)146. В съответствие с тази роля, инхибирането на FAO в ECs увеличава оксидативния стрес, пропускливостта на ендотелната бариера, левкоцитната инфилтрация146 и прехода от ендотел към мезенхим¹⁴⁷, което предполага, че FAO е необходима за поддържането на ендотелната функция и фенотипа. RECs показват различни метаболитни профили и транскриптоми към ECs, изолирани от други органи при мишки^3,6. По-специално, те се характеризират с повишена регулация на гени, участващи в биосинтезата на аминокиселини и пиримидин, както и метаболизма на глюкозата⁶. Освен това, някои метаболитни гени са селективно обогатени с артериални, капилярни или венозни ЕК, което е показателно за вътрешноорганна метаболитна хетерогенност⁶. Както е обсъдено по-долу, различните условия на микросреда, на които са изложени различни REC популации, също могат да повлияят на техните метаболитни профили и да подкрепят фенотипната хетерогенност на REC, както и техния отговор на болестни стимули.

REC отговаря на промените в кислородното напрежение

Макар чебъбрециса най-перфузираните органи в тялото, по-малко от 10 процента от циркулиращия кислород се изразходва по време на преминаването на кръвта презбъбреци¹⁴⁸. Theбъбрекмедулата е изложена на ниско кислородно напрежение, с рО2 от 10–20 mmHg (хипоксия) в сравнение с 50 mmHg в бъбречната кора117 (фиг. 4а). Кислородният градиент, който следва кортикопапилярната ос, е следствие от няколко фактора, включително артериовенозен кислороден шънт, който е резултат от паралелното разположение на AVR и DVR в медулата, ограничения кръвен поток към и вътре в медулата, за да се минимизира отмиването на разтворени вещества , и използването на окислително фосфорилиране за производство на високи нива на енергия, необходими за Na plus /K plus ATPase за реабсорбиране на Na plus и за осигуряване на правилното функциониране на други транспортери на разтворени вещества в клетъчната мембрана117. Следователно хипоксията е присъща на механизма за концентрация на урина в медулата^10,117.

Изисква се и за подходящобъбрекразвитие149. Хипоксията обаче може да бъде пагубна и се счита за основна причина за AKI150 и рисков фактор за хронично бъбречно заболяване (CKD)151 (фиг. 4а). Бъбречната хипоксия може да бъде резултат от исхемични събития, като например по време на бъбречна трансплантация или в резултат на анормална бъбречна перфузия поради разреждане на перитубулните капиляри, гломерулно увреждане, атеросклероза, дисрегулация на артериалния съдов тонус, анемия и нарушена дифузия на кислород поради фиброза152 ( Фиг. 4а). Във васкуларната система краткосрочното излагане на хипоксия причинява обратима модулация на съдовия тонус и кръвния поток, докато дългосрочното излагане води до необратимо ремоделиране на васкулатурата и околните тъкани с VSMC пролиферация и фиброза¹⁵³. Клетъчният отговор на хипоксия зависи от инактивирането на Fe2 плюс -зависими оксигенази и 2-оксоглутарат (2-OG)-зависими оксигенази152 и последващото активиране на индуцируем от хипоксия транскрипционен фактор (HIF)-зависим и HIF-независими пътища. Излагането на хипоксия задейства активирането на HIF1 и HIF2 в ECs154 (фиг. 4b). Вбъбрек, RECs широко експресират HIF2 при хипоксия, докато протеиновата експресия на HIF1 е ограничена до mRECs в папилата 155–157, където вероятно стимулира гликолизата (фиг. 4b). Активирането на HIF2 в REC като цяло медиира защитата и възстановяването от исхемично бъбречно увреждане чрез насърчаване на еритропоезата и чрез потискане на бъбречно възпаление, разреждане на капиляри и фиброза156 (Фигура 4b). Излагане на REC на хипоксия в контекста набъбрекследователно заболяването може да предизвика различни реакции в gRECs и cRECs, отколкото в mRECs. Например, хипоксията насърчава HIF1 -зависима пролиферация и миграция на култивирани ECs158,159; въпреки това, при несливащи се състояния, култивираните gREC претърпяват зависима от митохондриите апоптоза при излагане на хипоксия 155, 160, 161, което предполага неправилно адаптиране на gREC към хипоксия. Въпреки че gRECs изглеждат доста устойчиви на хипоксия in vivo, вероятно поради паракринния ефект на VEGF161, получен от подоцити, хипоксията може да индуцира прогресивна загуба на плътно свързващите протеини оклудин и ZO-1 в gRECs в HIF{{ 11}}зависим начин, в крайна сметка увеличавайки пропускливостта на ендотелната бариера162. Малко се знае за реакцията на mRECs към хипоксия. mRECs в AVR и DVR, по-специално, са изложени на ниско кислородно напрежение в папилата при физиологични условия, а Epas1 регулонът (кодиращ HIF2) се регулира нагоре в mRECs при лишаване от вода, вероятно в отговор на увеличаване на хипоксията, предизвикана от процес на концентрация на урина¹⁰.

Метаболитна адаптация на ЕК към промени в напрежението на кислорода.При нормоксични условия, ЕК разчитат предимно на гликолиза за производство на АТФ, а не на митохондриално окислително фосфорилиране163. В отговор на хипоксия, тези метаболитни реакции се изострят, с допълнително усилване на гликолизата и потискане на митохондриалното дишане (фиг. 4b), обяснявайки защо ECs са устойчиви на хипоксия, докато глюкозата остава налична164. При излагане на остра хипоксия, като например исхемично събитие, ЕК показват бързо нарастване на митохондриалната и/или получената от NAD(P)H оксидаза ROS, което стабилизира HIF1 и позволява по-висок гликолитичен поток164 - отговори, които са в съответствие с HIF{{6 }}предизвикана регулация на метаболизма на глюкозата и понижаване на митохондриалната активност^164,165 (фиг. 4b). Нещо повече, анализите на метаболитния път на ЕК, изложени на хронична хипоксия, каквато може да възникне в медулата или в контекста на ХБН, разкриват HIF2 -зависима регулация на гликолитичните гени¹⁶⁶. Интересно е, че някои гликолитични гени като Eno1 и Aldoa, които кодират ензимите енолаза 1 и алдолаза А, които са необходими за производството на АТФ и пируват от глюкоза, са регулирани в по-голяма степен в mRECs, отколкото в cRECs и gRECs10. По-конкретно, mRECs от папиларната част на AVR - това е частта от бъбречното съдово легло, което е най-изложено на хипоксия - показаха най-високата експресия на гликолитичните гени Aldoa, Ldha и Gapdh сред всички mRECs в мишки 10. По този начин папиларните mREC могат да демонстрират по-висок анаеробен гликолитичен поток от други REC в резултат на тяхната хипоксична микросреда. По същия начин медуларните епителни клетки имат по-висок капацитет за производство на анаеробно гликолитично АТФ, отколкото проксималните тубулни клетки¹¹⁷. mRECs също регулират няколко гликолитични гена при лишаване от вода, едновременно с повишената HIF2 активност, спомената по-горе¹⁰.

В ECs, HIF2 се регулира нагоре отчасти след активиране на митохондриалната NAD плюс -зависима деацетилаза сиртуин 3 (SIRT3) (реф. 167) (Фиг. 4b). Загубата на SIRT3 уврежда хипоксичното сигнализиране в ECs и води до дефектна ангиогенеза и микроваскуларна дисфункция, вторично на метаболитен превключвател от кислород-независима гликолиза към митохондриално дишане. Това метаболитно превключване е свързано с намаляване на експресията на 6-фосфофрукто-2-киназа (PFKFB3), ензим, който действа като положителен регулатор на гликолизата и образуването на ROS¹⁶⁷(фиг. 4b). При хипоксия SIRT3 регулира митохондриалните антиоксидантни ензими по начин, зависим от FOXO3 (реф.¹⁶⁸) — транскрипционен фактор, който също се регулира нагоре от HIF1¹⁶⁹ (фиг. 4b). Интересното е, че антиоксидантният път SIRT3–FOXO3 действа в gRECs, предотвратявайки прехода от ендотел към мезенхим ибъбрекфиброза при животински модел на индуцирана от ангиотензин-II хипертония¹⁷⁰(фиг. 4b). Фармакологичните подходи, които увеличават SIRT3, също така ограничават индуцираната от цисплатин AKI чрез защита срещу тубулно увреждане и чрез подобряванебъбрекфункция¹⁷¹. За разлика от това, мишките с нокаут Sirt3-проявяват по-тежка AKI, въпреки че приносът на REC за тези ефекти не е определен¹⁷¹. Остава да се определи дали този антиоксидантен път SIRT3–FOXO3 също е включен във физиологичния отговор на mRECs към хипоксия в медулата.

Метаболизмът на мастните киселини също се влияе от наличието на кислород, тъй като хипоксията предизвиква повишаване на експресията и активността на синтазата на мастни киселини (FAS), ключов ензим, контролиращ скоростта на пътя на биосинтеза на мастни киселини, което води до намаляване на малонилната киселина. -CoA пул и увеличаване на нивата на палмитат в ECs172 (фиг. 4b). В ECs на човешката белодробна артерия, инхибирането на FAS води до увреждане на стабилизирането на HIF1 и последващи HIF1 -медиирани промени в транспорта и метаболизма на глюкозата и до възстановяване на функцията на eNOS, което предполага, че инхибирането на синтеза на мастни киселини може да бъде от полза за ЕК функция при хипоксия¹⁷²(фиг. 4b). Вбъбрек, Fans — който кодира FAS — беше регулиран нагоре в експериментален модел на хронична бъбречна недостатъчност и допринесе за хипертриглицеридемия¹⁷³. Повишена регулация на Fans и други чувствителни към хипоксия гени също се наблюдава вбъбреккора на миши модел на сърповидно-клетъчна анемия, която показва прогресивно гломерулно и тубулно увреждане¹⁷⁴. Променен липиден метаболизъм е характеристика на протеинуричната ХБН и както клиничните, така и експерименталните доказателства подкрепят идеята, че променения липиден метаболизъм може да допринесе за патогенезата и прогресията на бъбречното заболяване¹⁷⁵. Независимо от това, ролята на RECs в нерегулирания метаболизъм на мастни киселини в контекста набъбрекзаболяванеостава да се изясни допълнително.

Хипоксията също индуцира регулирането нагоре на аргиназа II по начин, зависим от активирането на HIF2¹⁷⁶или HIF1¹⁷⁷и намалява синтеза и транспорта на неговия субстрат, аргинин, в ЕК^178,179(фиг. 4b). Аргиназа II е металоензим, който е особено експресиран вбъбреции катализира хидролизата на l-аргинин в урея и l-орнитин. Увеличаването на активността на аргиназа II понижава бионаличността на аргинин, което потиска активността на eNOS, намалява производството на ендотелен NO и задейства отделянето на eNOS, което в крайна сметка води до производството на ROS и нитрозативен стрес¹⁷⁶. Тези стъпки са критични за насърчаване на ендотелна дисфункция, диабетно бъбречно заболяване ибъбреквъзпаление в контекста на затлъстяване, предизвикано от диета^180,181. При физиологични условия аргиназа II се експресира главно във външната медула, което предполага, че тази метаболитна адаптация вероятно не се случва в mRECs, които са най-изложени на хипоксия¹⁸¹.

И накрая, излагането на папиларни mRECs на остра хипоксия предизвиква освобождаване на пурини и ATP, заедно с UTP и UDP, в извънклетъчното пространство^182–184. ATP активира ендотелните P2Y рецептори, което води до производство на NO, вазодилатация и повишена тъканна перфузия¹⁸⁵. ATP също образува аденозин след метаболизма на ATP от ектоензими^185,186. Важно е, че хипоксията задейства HIF2 -зависима регулация на аденозин A2a рецептор (кодиран от ADORA2A) в ECs^187,188, чието активиране увеличава синтеза на HIF1 протеин, като допълнително насърчава експресията на гликолитичен ген и гликолитичния поток¹⁸⁷(фиг. 4b). В повечето случаи активирането на A2a и A2b рецепторите, експресирани от ECs и VSMCs, медиира вазодилататорните ефекти на аденозина, освободен по време на хипоксия185. Вбъбрекразлични аденозинови рецептори присъстват в различните части на васкулатурата¹⁸⁹, а извънклетъчният АТФ и аденозинът играят ключова роля в регулирането на бъбречната хемодинамика и микроциркулацията^185,190. В медулата, аденозинът се произвежда в медуларния дебел възходящ крайник на бримката на Хенле (TALH) след оксидативен стрес¹⁹¹и действа като вазодилататор, предизвиквайки увеличаване на медуларния кръвен поток чрез механизъм, който може да включва DVR mRECs¹⁹². Обаче, противно на неговите ефекти в повечето други съдове, медиираното от аденозин активиране на А2а рецептори, които са особено експресирани в аферентните артериоли, предизвиква вазоконстрикция на бъбречната васкулатура, като по този начин потенциално засяга бъбречния кръвен поток и гломерулната филтрация^185,193. Трябва да се отбележи, че е идентифицирана ролята на пуринергичните рецептори в прогресията на ХБН¹⁹⁴.