Част 2 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

Щракнете тук за част 1

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 набъбрекнараняванеи болести, 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 за лечение набъбрекзаболяванияибъбрекрегенерация.

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

Отговорите на REC на промените в напрежението на срязване EC са постоянно изложени на сила на разтягане, предизвикана от пулсацията на кръвния поток и сила на триене, успоредна на стената на съда, напрежението на срязване на течността¹⁹⁵. Тези клетки са оборудвани да усещат тези сили и да ги трансдуцират в биохимични сигнали, които могат да повлияят на хомеостазата на съдовете чрез регулиране на съдовия тонус и ремоделиране на ЕК, което регулира кръвния поток, за да отговори на тъканните изисквания195. Интересно е, че ЕК от различни части на съдовото легло са изложени на специфични типове поток и реагират съответно195 (фиг. 5а). В артериите и артериолите кръвният поток е силно пулсаторен, докато в капилярите той е с подобна величина, но по-малко пулсаторен, а във венули и вени кръвният поток е около три пъти до десет пъти по-нисък и пулсатилността е минимална195. Вбъбрек, the vasculature of the cortex receives >94 процента от бъбречния кръвен поток¹⁹⁶което предполага, че медуларната васкулатура е изложена на среда с относително ниско напрежение на срязване. Обратно, gRECs са изложени на относително високо напрежение на срязване (изчислено на от 1dyn/cm2 до 95dyn/cm2), в резултат на висок кръвен поток и налягане, комбинирани с повишен вискозитет на кръвта в резултат на филтрацията процес197 (фиг. 5b). Излагането на gREC на стрес на срязване е критично, тъй като предотвратява агрегацията на тромбоцитите, отчасти чрез индуциране на конформационното разгръщане на кръвния гликопротеин фактор на фон Вилебранд (vWF), което повишава неговата чувствителност към разцепване от ADAMTS13 металопротеазата^198,199. Значението на това явление за здравето на gREC се демонстрира от протромботичния фенотип, наблюдаван при хемолитичен уремичен синдром, свързан с Shiga токсин. Шига токсинът насърчава секрецията на vWF от gRECs и образуването на ултра-големи vWF мултимери, които са устойчиви на разцепване от ADAMTS13 и индуцират тромботична микроангиопатия в гломерулите ибъбрекмикроваскулатура200, което в крайна сметка води до AKI. При тромботична тромбоцитопенична пурпура ниската активност на ADAMTS13 води до подобен резултат¹⁹⁹.

Значението на напрежението на срязване се илюстрира и от развитието на атеросклеротични лезии в бъбречните артерии, което може да доведе до стеноза на бъбречната артерия - най-голямата причина за вторична хипертония201,202. Тези лезии се развиват в атеропронни участъци в артериите и артериолите, които са изложени на по-слаб ламинарен стрес на срязване в сравнение с други участъци, като например области на артериална бифуркация, където кръвният поток обикновено е нарушен201 (фиг. 5c).

Ефекти от напрежението на ламинарно срязване върху ECs.Ламинарният стрес на срязване индуцира регулиране на транскрипционните фактори Крюпел-подобен фактор 2 (KLF2) и KLF4 в ECs, отчасти чрез освобождаване на ATP и последващо активиране на P2X4 пуринергични рецептори203, и отчасти чрез активиране на сигнализирането на MEK5–ERK5–MEF2 пътека^204,205(фиг. 5d). Вбъбрек, Klf2 и Klf4 заедно с целевия ген KLF4, Thbd (който кодира тромбомодулин), се съобщава, че са маркери на gRECs, получени от еферентните артериоли при възрастни мишки^10,11(фиг. 3b). Местоположението на тези чувствителни към потока маркери е в съответствие с факта, че RECs, разположени на непосредственото изходно място на гломерулите, са изложени на висок ламинарен стрес на срязване, потенциално свързан с високия вискозитет на кръвта в този регион. Повишаването на регулацията и активирането на KLF2 медиират EC quiescence, характеризиращо се с увеличаване на експресията на VE-кадхерин и -катенин, за да се подпомогне поддържането на стегната съдова бариера206, подравняването на ECs в посоката на потока207, инхибирането на възпалението и поддържането на антиатерогенен фенотип, повишена регулация на антиоксиданти и намаляване на съдовия тонус вследствие на ендотелното производство на NO и простациклини 208-210 (фиг. 5d). Активирането на KLF2 в gREC ги предпазва от нараняване и прогресия на заболяването при животински модели на ХБН^211,212. Съответно, KLF2 се регулира нагоре в гломерулния ендотел в отговор на напрежението на срязване in vitro, където насърчава антикоагулантен и противовъзпалителен фенотип и задейства ендотелно-зависимо намаляване на резистентността на подоцитната бариера, необходимо за правилната филтрационна функция204. Повишаването на gREC KLF2 вследствие на гломерулна хиперфилтрация осигурява защита срещу дисфункция на ЕК и отслабва прогресирането на ХБН в модел на едностранна нефректомия212. Обратно, загубата на ендотелен KLF2 изостри гломерулната хипертрофия и протеинурията в модел на индуциран от стрептозотоциндиабетикбъбрекзаболяване²¹¹. Ендотелният KLF4 също е ренопротективен при AKI213. EC-специфична загуба на KLF4 изостри бъбречно увреждане в модел на исхемична AKI чрез насърчаване на EC придобиване на провъзпалителен фенотип²¹³. Заслужава обаче да се отбележи, че KLF2 и KLF4 имат специфични за контекста роли в ендотела214. Например, те могат да насърчат активирането на ЕК и образуването на лезии, водещи до церебрални кавернозни малформации в развитието^214,215.

Излагането на ламинарен стрес на срязване намалява усвояването на глюкоза²¹⁶и стимулира митохондриалната биогенеза в ЕК^217–219. Активирането на KLF2 регулира надолу експресията на PFKFB3 заедно с тази на други гликолитични гени като HK2 (който кодира хексокиназа 2) и PFK1 (който кодира фосфофруктокиназа 1 (PFK1)), което води до намаляване на гликолизата216 и преместването на наличните ранни гликолитични междинни продукти към биосинтетичния път на хексозамин и глюкуронова киселина за синтез на UDP-GlcUA и UDP-GlcNAc, съответно, които са ограничаващите субстрати на хиалуронан синтазата (HAS2)^{133,220–222}. KLF2 също индуцира експресията и мембранната транслокация на HAS2 и последващия синтез на гликокаликсния компонент хиалуронан^133,222. По този начин, ЕК, изложени на ламинарен поток, показват много по-дебел гликокаликс, отколкото ЕК, изложени на нарушен поток133 (фиг. 5d, e). Специфичното за EC изтриване на Has2 има дълбок ефект върхубъбрек, включително увреждане на структурата на гликокаликса на капилярните gRECs, разрушаване на гломерулните ендотелни фенестрации40, албуминурия, показателна за дисфункция на филтрационната бариера, нарушено гликокаликс-зависимо сигнализиране на ангиопоетин 1 и анормални подоцитни структури в резултат на анормално пресичане на EC-подоцити, което води до гломерулна разреждане на капилярите и гломерулосклероза⁴⁰.

Митохондриалното дишане и генерирането на АТФ също се увеличават в ЕК при еднопосочен поток в сравнение с тези, изложени на нарушен поток 223, 224. Блокирането на генерирането на митохондриален АТФ инхибира предизвиканото от срязване освобождаване на АТФ, докато, обратно, инхибирането на гликолизата няма ефект, което предполага, че EC митохондриалното дишане е необходимо за активиране на пуринергичен рецептор, което от своя страна индуцира експресия на KLF2 в отговор на напрежението на срязване^203,218,224. Освен това, митохондриалната биогенеза се регулира нагоре в отговор на напрежението на срязване, поради активирането на сигнална каскада SIRT1–PGC1a–TFAM217,219, докато експресията на антиоксидантни гени, като хемоксигеназа 1 и глутаредоксин 1, се увеличава, за да защити ECs от ROS225,226 (фиг. 5d). Инхибирането на електронната транспортна верига в ЕК, изложени на ламинарен поток, доведе до възпаление на ЕК, което предполага, че митохондриалното дишане предотвратява активирането на ЕК²²³. Вбъбрек, активирането на 5-HT1F рецептора за стимулиране на митохондриалната биогенеза в REC може да намали съдовото разреждане и да насърчи възстановяването от нараняване, както е показано в модел на AKI227.

KLF4 също индуцира регулирането на холестерол-25- хидроксилазата (CH25H) и чернодробния X рецептор при излагане на атеропротективен пулсиращ стрес на срязване²²⁸. CH25H катализира производството на 25-хидроксихолестерол, който предотвратява активирането на стерол регулаторен елемент-свързващ протеин 2 (SREBP2), важен медиатор в отговора на EC към нарушения кръвен поток (виж по-долу)229,230. Следователно, модулирането на KLF2 и KLF4 експресията и активирането чрез ламинарен стрес на срязване и техните последващи метаболитни реакции могат да имат критична роля в поддържането на REC покой и гломерулна филтрация (фиг. 5d).

Ефекти от нарушения кръвен поток върху ЕК.ЕК, изложени на нарушен кръвен поток, като например при артериални бифуркации или изкривявания, се активират и проявяват провъзпалителен и атерогенен фенотип 231 (фиг. 5е). По този начин, активирането на артериални и аферентни артериоларни RECs, разположени в такива атеропронни области, може да насърчи развитието на атеросклеротична стеноза на бъбречната артерия.

Експресията на KLF4 се потиска от нарушен кръвен поток, с повишено метилиране на промоторната област на KLF4, което предотвратява свързването на MEF2 и последващата транскрипция на KLF4²³². Освен това микроРНК (miR)-92a, която се индуцира в атеропронови региони в отговор на ниско напрежение на срязване, потиска ендотелната експресия на KLF2, KLF4 и SIRT1 и регулира надолу фосфатазата на фосфатидната киселина тип 2B (PPAP2B)216,233,234. При условия на нормален ламинарен стрес на срязване, PPAP2B дефосфорилира циркулиращата лизофосфатидна киселина (LPA), предотвратявайки нейното свързване към LPAR1 рецептора, който иначе индуцира провъзпалително сигнализиране233 (фиг. 5е). Ендотелната загуба на PPAP2B води до изострено локално и системно възпаление, свързано с повишаване на ендотелната пропускливост235. LPA сигнализацията участва вбъбрекзаболяване чрез индуциране на ROS, възпалителни цитокини и фиброза236

Ендотелното излагане на нисък стрес на срязване и нарушен поток индуцира експресията на гликолитични ензими и на пируват дехидрогеназа киназа 1 (PDK1), като по този начин отделя гликолизата от митохондриалния метаболизъм и намалява митохондриалното дишане в ECs^223,237(фиг. 5д). Механично, нарушеният поток индуцира производството на получена от NAD(P)H оксидаза 4 (NOX4) ROS и активира NF-κB, което води до регулиране нагоре и стабилизиране на HIF1 чрез предотвратяване на неговото разграждане^223,237. Активирането на NF-κB пътя е свързано с хепариназната активност и последващото разграждане на гликокаликса^238.В съответствие с тези открития, активирането на NF-κB се потиска от хроничен стрес на срязване в гломерулния ендотел239. Активирането на HIF1 в отговор на нарушен поток усилва артериалната ЕК пролиферация и експресията на възпалителни маркери, докато инхибирането на гликолизата предотвратява тези реакции 223,237. Освен това, активирането на митохондриалното окислително фосфорилиране предотвратява провъзпалителния фенотип, индуциран от нарушен поток в артериалните ECs²²³.

Смущенията в ниския стрес на срязване също предизвикват активиране на провъзпалителните транскрипционни фактори YAP и TAZ, докато ламинарен стрес на срязване ги инхибира по интегрин-зависим начин^240,241. Активирането на YAP и TAZ модулира EC метаболизма чрез стимулиране на гликолизата и митохондриалната активност по MYC-зависим начин²⁴²и чрез регулиране на глутаминолизата²⁴³. Обратно, гликолитичният ензим PFK1 стимулира активността на YAP и TAZ в положителна обратна връзка244. YAP и TAZ са механорегулатори на сигналния път на TGF –SMAD вбъбрек. Доказано е, че те насърчават бъбречна фиброза в експериментален модел на едностранна обструкция на уретера, въпреки че ролята на RECs в този фиброзен отговор в резултат на преход от ендотел към мезенхим е слабо проучена^245,246

Интересно е, че ECs, изложени на нарушен кръвен поток, също показват активиране на SREBP2, който регулира гените, участващи в синтеза на холестерол, включително ограничаващия скоростта ензим на мевалонатния път HMG-CoA редуктаза (фиг. 5e) и намалява изтичането на холестерол^230,247, повишавайки вътреклетъчното ниво на холестерол в ЕК^230,247. Интересно е, че инхибирането на HMG-CoA редуктазата от статини индуцира ендотелно повишаване на експресията на KLF2 и намалява провъзпалителната сигнализация от NF-κB, HIF1 и YAP–TAZ, като по този начин индуцира EC-подобен отговор на ламинарен поток^241,248,249. Освен това, активирането на SREBP2 насърчава транскрипцията на miR-92a, регулира експресията на NOX2, което индуцира производството на ROS, и увеличава експресията на NLRP3 инфламазома, като в крайна сметка насърчава ендотелно възпаление и атеросклероза 216,230. По този начин, SREBP2 може да бъде един от ключовите двигатели в бъбречната артериална и аферентна артериоларна ендотелна реакция към нарушен поток.

REC отговаря на промени в осмоларитета

Theбъбрециможе да произвежда урина с широко вариращ осмоларитет в зависимост от състоянието на хидратация. Противоточният умножител на примката на Henle генерира градиент на медуларен осмоларитет, който е в основата на механизма за концентрация на урината и определя крайния осмоларитет на урината. Накратко, TALH — тубулен сегмент, който е предимно непропусклив за вода — активно пренася NaCl от филтрата към медуларния интерстициум, установявайки разлика в осмоларитета от 20 mOsm/kg H2O във възходящия и низходящия поток²⁵⁰ (фиг. 6а). Като осмотичен отговор, водата се реабсорбира през тънкия низходящ крайник на Henle (TDLH), като по този начин се увеличава осмоларността на филтрата250. Докато този филтрат напредва от TDLH към TALH, активната реабсорбция на NaCl от TALH възстановява разликата в осмоларитета от 20 mOsm/kg H2O между TALH и интерстициума, като допълнително увеличава осмоларитета на медуларния интерстициум250. Умножаването на тези малки осмоларни разлики между противотоковите потоци води до голям кортикомедуларен градиент на осмолалитет (умножител на противотока)²⁵⁰. На нивото на vasa recta изтичането на вода, улеснено от аквапорините, се случва успоредно с реабсорбцията на урея и NaCl в DVR, движено от разликата между кръвния и медуларния осмоларитет, което води до повишен кръвен осмоларитет към папилата²⁵⁰(фиг. 6а). Обратно, силно фенестрираният AVR реабсорбира медуларната вода и освобождава NaCl в интерстициума, тъй като кръвта, идваща от папилата, е с по-висок осмоларитет от медуларния интерстициум²⁵⁰(фиг. 6а). Този противотоков обмен между DVR и AVR поддържа градиента на медуларния осмоларитет, създаден от противотоковата умножителна система (фиг. 6а). Високата осмоларност на медулата също се поддържа от събирателните канали, които активно изнасят урея във вътрешния медуларен интерстициум, докато концентрират урината според градиента на медуларния осмоларитет чрез воден транспорт, улеснен от аквапорин. В резултат на това медуларните клетки, включително mREC, са изложени на екстремни нива на хиперосмоларност, особено при условия на дехидратация, при които осмоларитетът може да се повиши до 1400 mOsm/kg при хора²⁵⁰(фиг. 6а). Както е описано по-долу, наличните доказателства предполагат, че mRECs са се адаптирали към тези екстремни условия чрез активиране на защитни механизми и разработване на специфичен метаболитен профил10. Трябва да се отбележи, че други (R)EC могат да бъдат изложени на хиперосмоларни състояния като следствие от хипергликемия в контекста на захарен диабет²⁵¹.

Отговорът на ECs към състояния на хиперосмоларност е слабо проучен, като повечето от изследванията в тази област се фокусират върху бъбречните епителни клетки, в които хиперосмоларитетът предизвиква спиране на клетъчния цикъл, производството на ROS и увреждане на ДНК²⁵². По-конкретно, епителният отговор на хиперосмоларитет се характеризира с реорганизация на цитоскелетния актин чрез процес, зависим от интегрини и Rho семейството на GTPases253, активиране на Na плюс каналите NHE4 (реф. 254), NKCC1 и NKCC2 (реф. 255 ), и полученият приток на Na плюс йони за поддържане на клетъчния обем. Тези реакции задействат експресията на протеини на топлинен шок, за да поддържат правилното сгъване на протеини и активиране на чувствителния към хиперосмоларност транскрипционен фактор TonEBP (известен също като NFAT5); при условия на продължителна хиперосмоларност, като например в папилата, тези реакции в крайна сметка водят до натрупване на инертни органични осмолити²⁵².

Доказателства от изследване на транскриптоми при мишки, изложени на лишаване от вода, предполагат, че подобен процес протича в бъбречния медуларен ендотел 10 (фиг. 6b). Тези mREC демонстрират повишена експресия на гени, свързани с пътищата на гликолитично и окислително фосфорилиране10 (фиг. 6b). Освен това анализите на транскриптоми предполагат, че тези клетки включват ензимни и транспортни процеси, за да подпомогнат натрупването на инертни органични осмолити - като захарни производни, полиоли (по-специално сорбитол, който се получава от полиолния път и мио-инозитол, който може да бъдат поети или синтезирани от гликолитични междинни продукти), аминокиселини (по-специално таурин) и евентуално метиламини като бетаин и глицерофосфохолин — за балансиране на осмоларитета между вътреклетъчните и извънклетъчните компартменти10 (фиг. 6b). При продължително лишаване от вода, mRECs също регулират нагоре Na плюс /K плюс ATPase, вероятно за да ограничат вътреклетъчното натрупване на Na плюс (фиг. 6b). При тази настройка окислителното фосфорилиране, което дава 32 ATP молекули на глюкозна молекула, би представлявало по-ефективна стратегия от анаеробната гликолиза, която освобождава само две ATP молекули на глюкозна молекула, за поддържане на по-висока активност на Na плюс /K плюс ATPase. Освен това, някои от междинните продукти на гликолизата, които се натрупват в ECs, изложени на хиперосмоларни условия, вероятно ще се отклонят от тяхната гликолитична съдба, за да навлязат в пътищата на осмолитния синтез, по-специално полиолите, сорбитола и мио-инозитола¹⁰. Заедно тези метаболитни адаптации на mRECs към промените в осмоларитета биха позволили тяхното оцеляване в екстремни хиперосмоларни среди и биха им позволили да поддържатбъбрекфункция^10,256.

EC адаптация в тъканната хомеостаза

ECs се инструктират от сигнализиране на ангиогенен растежен фактор от поддържащи клетки като перицити, епителни клетки и подоцити. Обратно, ендотелиумът инструктира своите преки съседни клетки чрез автокринно сигнализиране.

REC излагане на ангиогенни фактори

Въпреки че ECs се считат за неподвижни в зряла възраст при физиологични условия, едно от най-интригуващите открития, получени от наличните едноклетъчни RNA-seq изследвания на RECs, е наличието на някои типични ангиогенни ECs вбъбреккортекс и медула при здрави възрастни мишки 6,10. Тези RECs се характеризират с генетична програма, наподобяваща тази на ангиогенните мигриращи ECs (известни също като върхови клетки) (фиг. 7а). Тези клетки вероятно са изложени на ангиогенни растежни фактори и могат да допринесат за съдова регенерация в васкулатурата на възрастни, въпреки че тяхната роля все още е неизвестна. Клетките в бъбреците могат да произвеждат ангиогенни растежни фактори, или по конститутивен начин (например, в случая на VEGFA, получен от подоцити), или в отговор на промени в условията на микросредата като хипоксия, оксидативен стрес, стрес на срязване или възпаление. Ангиогенните растежни фактори стимулират васкуларизацията на гломерулите и тубулите по време набъбрекразвитие в процес, който зависи главно от сътрудничеството на поникването и интусуцептивната ангиогенеза 257 (фиг. 7a, b). Например, ангиопоетините и техният сроден ендотелен рецептор Tie2 поддържат лимфангиогенезата и са критични за развитието на AVR в миши ембриони и са необходими за способността за концентрация на урина30. VEGF сигнализирането също е необходимо за правилното развитие на гломерулната архитектура. Например, медиираната от антитяло неутрализация на VEGF при новородени мишки уврежда образуването на съдове в повърхностния бъбречен кортекс и гломерулите и в крайна сметка уврежда развитието на нефрон 258, докато постнаталната делеция на VEGFR2 уврежда гломерулния ендотел 48. Освен това загубата на VEGFA, получена от подоцити, изключва гломерулна васкуларизация и води до перинатална смърт, докато хетерозиготната загуба на Vegfa води до гломерулни ендотелини и протеинурия49. Следователно VEGF, получен от подоцити, е критичен ключ за установяване на гломерулния ендотел и поддържането му в качулка на възрастни 257. По подобен начин VEGFA, получен от тубулни епителни клетки, е необходим за развитието и поддържането на перитубулни капиляри⁵⁰.

Както при ендотелното активиране при имунното активиране, физиологичният отговор на REC към ангиогенното сигнализиране може да стане нерегулиран при болестни състояния²⁵⁹. Например, нерегулирана ангиогенеза се наблюдава при отхвърленибъбрекалографти²⁶⁰. Освен това, загубата на ангиогенни фактори, главно VEGF, е замесена в капилярна загуба след AKI261; обратно, регулирането на VEGF се подобрявабъбрекфункция и приложението на VEGF намалява разреждането на капилярите в контекста на исхемично-реперфузионно увреждане^262,263. Експериментални и клинични доказателства сочат, че при ХБН балансът между проангиогенните и антиангиогенните фактори е нарушен^259,264. Въпреки че ХБН се характеризира с разреждане на перитубулните капиляри, което насърчавабъбрекхипоксия, предотвратява повторното диференциране на регенериращи тубули и е вероятно да бъде свързано с ендотелен към мезенхимален преход, което допринася за бъбречна фиброза, проангиогенното сигнализиране в капилярните gREC благоприятства разрушаването на филтрационната бариера259. Например, доказателства от животински модели предполагат, че в ранните фази на диабетно бъбречно заболяване, гломерулният ендотел и ЕК, намиращи се в близост до гломерула, претърпяват VEGF-медиирана анормална ангиогенеза; блокадата на ангиогенезата в тези модели подобрява бъбречната функция²⁶⁵.

Въпреки че се знае малко за интусуцептивния растеж на съдовете, поникващата ангиогенеза е интензивно характеризирана1. Процесът на поникване се управлява чрез активиране на повърхностни рецептори на ЕК и сигнални пътища надолу по веригата от ангиогенни растежни фактори и появата на два основни ангиогенни фенотипа на ЕК — пролифериращи ЕК (известни също като стволови клетки) и мигриращи ЕК (известни също като върхови клетки; описано подробно другаде^1,266,267). На метаболитно ниво, всеки тип ангиогенен ЕК има специфични нужди (енергийни и биомасови изисквания), в съответствие с техните пролиферативни или миграционни фенотипове, и адаптира своя метаболизъм съответно144 (Каре 1). Остава да се определи дали ангиогенните RECs, идентифицирани чрез едноклетъчни RNA-seq изследвания при здрави възрастни мишки, проявяват фенотипна и метаболитна активност, подобна на тази на върховите клетки. Освен това, потенциалната способност на метаболитни стратегии като метаболитни добавки да насърчават ангиогенезата или лимфангиогенезата забъбрекремонт и регенерация също изисква допълнително проучване.

Ангиокринна сигнализация в бъбреците

EC също директно инструктират своите съседни клетки чрез освобождаване на растежни фактори и цитокини и експресията на адхезионни молекули 268. Вбъбрек, васкулатурата създава ниша, която поддържа развитието и поддържането набъбрекструктура и функция4,11. Пряко доказателство за тази концепция е осигурено от проучвания на индуцирани плурипотентни бъбречни органоиди, получени от стволови клетки, в които съзряването на гломерулни и тубулни структури може да бъде предизвикано чрез насърчаване на васкуларизацията и кръвния поток чрез трансплантация на органоида под бъбречната капсула на мишки 269. В допълнение, разрушаването на гломерулния ендотел в ембрионални миши бъбреци предотвратява узряването на подоцитите, по-специално придобиването на израстъци на крака и нарязани диафрагми⁴⁹. Интересно е, че както развиващата се, така и васкулатурата на възрастния бъбрек демонстрират пространствени разлики в експресията на ендокринни фактори. По време на развитието на гломерула, получената от EC матрична металопротеиназа 2 изглежда регулира взаимодействието на ECs с подоцитите за гломерулно сглобяване²⁷⁰, докато експресията на PDGFB стимулира набирането на мезангиални клетки^271,272. Развиващият се гломеруларен ендотел също експресира гени на растежен фактор като Fgf1 и Vegfa, Notch лиганд Dll4, невронна насочваща реплика Sema5a и Wnt антагонист Dkk2 (refs4,11); Dkk2 също е обогатен с аферентни артериоли gRECs, които са свързани с JGA в зряла възраст10. Развиващите се бъбречни артерии и артериоли също експресират растежни фактори, включително Pdgfb, Tgfb2 и Ltbp4 (реф. 11); експресията на Tgfb2 и Ltbp4 остава обогатена в същите REC подгрупи в зряла възраст10. Поразително е, че сигналната система на инсулиноподобния растежен фактор показва ясна зоналност в рамките на възрастниябъбрекваскулатура: Igf1 се експресира главно вбъбрекмедула от RECs на AVR в папилата, Igfbp7 се счита за широк маркер на mRECs, Igfbp4 се намира в аферентните артериоларни gRECs, Igfbp3 се експресира предимно от перитубуларни капилярни cRECs и Igfbp5 е обогатен както в кортикалните перитубуларни, така и в гломерулните капиляри 10,11. Множество други ендокринни фактори също показват хетерогенна експресия сред различните EC фенотипове в бъбреците на възрастни мишки10. Тяхната роля в поддържането набъбректъканите и функциите остават да бъдат изследвани.

Ангиокринното сигнализиране също е критично за възстановителните процеси след увреждане на бъбреците. Например, REC могат да допринесат за възстановяване на бъбреците след AKI чрез регулиране на възпалителните реакции или осигуряване на протубулогенни сигнали²⁷³. В съвместни култури клетките на проксималните тубули на бъбреците стимулират RECs да експресират редица ангиокринни фактори, включително VEGF, TGF, неговия антагонист 2-макроглобулин и хепатоцитен растежен фактор, които от своя страна подпомагат оцеляването, пролиферацията и диференциацията на проксималните тубули клетки274. Вероятно разреждането на капилярите предизвиква процеси на „хронично увреждане – нерегулирано възстановяване“, което води до нарушена епителна регенерация, загуба на нефрони и провъзпалителни и фиброзни сигнали, вероятно поради недостатъчни ангиокринни сигнали273. В подкрепа на тази хипотеза са доказателства, демонстриращи, че екстрактите от ендотелни прогениторни клетки притежават ренопротективна активност при животински модели на AKI чрез предотвратяване на капилярна загуба и намаляване на фиброзата, като ендокринни фактори като инхибиторен фактор на левкемия предотвратяват и обръщат прехода от фибробласти към миофибробласти²⁷⁵.

Необходимо е по-нататъшно изследване на физиологичните и патологични микросреди, които оформят ендокринните профили на RECs. Освен това, механизмите, чрез които метаболитните процеси на REC се свързват с тези различни ендокринни сигнатури, остават да бъдат определени. Интересно е, че проучване от 2020 г. описва ендокринна метаболитна комуникация при мускулна регенерация след исхемия. Това проучване демонстрира, че полученият от EC лактат индуцира макрофагите да приемат про-регенеративен M{3}}подобен фенотип, повдигайки въпроса дали подобен механизъм може да възникне вбъбрекза насърчаване на регенерацията след исхемични инсулти²⁷⁶.

Изводи

Съдовата система на бозайниците отдавна се счита за пасивен проводник за доставяне на кислород и хранителни вещества до различните органи, както и за отстраняване на отпадъци, като ендотелиумът служи като кръвно-тъканна бариера. Тази парадигма вече не е валидна, тъй като интензивните изследвания в съдовата област разкриха активна роля на ендотела не само в регулирането на вазотона и възпалението, но също и в съзряването на органите чрез производството на ендокринни медиатори, имунитет и функция на органи. Значението на ЕК за тези процеси се доказва от факта, че всеки орган се възползва от уникален ендотелиум, съобразен с неговите специфични нужди и оформен от клетъчната и неклетъчната микросреда.

Ендотел вбъбреке уникален за този орган и проявява огромна хетерогенност, за да поддържа многобройните дейности на бъбрека в хомеостазата на течностите и кръвното налягане. Важно е, че дисфункцията на REC не е свързана само с бъбречно заболяване, но може да стимулира прогресията на заболяването, идентифицирайки бъбречния ендотел като подходяща терапевтична цел. През последното десетилетие обширни анализи разкриха, че метаболизмът на ECs е строго регулиран на клетъчни и субклетъчни нива и че различните фенотипове на EC показват уникални метаболитни профили. Пластичността на метаболизма на ЕК осигурява механизъм за оркестриране на фенотипното поведение на ЕК, позволявайки на ЕК да реагират активно на промените в тяхната микросреда, но също така предоставя потенциална възможност за терапевтично насочване. Например, инхибирането на ендотелния PFKFB3 в туморни ЕК нормализира гликолитичния поток и подобреното съзряване на съдовете се свързва с намалено ендотелно активиране и затягане на ендотелната бариера²⁷⁷. Освен това добавянето на ECs с прекурсора на ацетил-CoA, ацетат, насърчава (лимфната)ангиогенеза, in vitro и in vivo^278–280. Специфичните диети могат също да предложат нови терапевтични възможности: проучване от 2019 г. показа, че кетогенната диета насърчава лимфангиогенезата чрез увеличаване на групата от ацетил-КоА в LECs и намаляване на лимфоедема в животински модел²⁸¹

По същия начин, вбъбрек, смята се, че фенотипната хетерогенност на REC се задвижва от метаболитни адаптации към клетъчните нужди и сигнали от микросредата както в здравето, така и в болестта. Метаболитното насочване към ендотелната дисфункция, както и ангиогенезата и лимфангиогенезата, са потенциални стратегии за подобряване на бъбречната функция в контекста на бъбречно заболяване. Бъбречните органоиди са предложени като регенеративен подход за заместванебъбрекфункция, но тяхната липса на развита васкулатура е основно ограничение^282–284. Стратегии (включително метаболитни стратегии) ​​за стимулиранебъбрекорганоидната васкуларизация и насърчаване на съзряването на ЕК може да насърчи съзряването на тези органоиди и в крайна сметка да улесни тяхната терапевтична употреба²⁶⁹. Въпреки необходимостта от по-нататъшно изследване на спецификите на бъбречния ендотел, наличните доказателства подкрепят ключовата роля на тези клетки вбъбрекфизиологични процеси и предполага, че (метаболитното) насочване на REC може да бъде много полезна стратегия за насърчаване на бъбречното възстановяване и регенерация.

1. Carmeliet, P. & Jain, RK Молекулярни механизми и клинични приложения на ангиогенезата. Nature 473, 298–307 (2011).

2. Wong, BW, Zecchin, A., Garcia-Caballero, M. & Carmeliet, P. Нововъзникващи концепции в органоспецифичните лимфни съдове и метаболитната регулация на лимфното развитие. Dev. Клетка 45, 289–301 (2018).

3. Marcu, R. et al. Специфична за човешки орган ендотелна клетъчна хетерогенност. iScience 4, 20–35 (2018).

4. Нолан, DJ и др. Молекулярни сигнатури на тъканно-специфична хетерогенност на микроваскуларните ендотелни клетки при поддържане и регенерация на органи. Dev. Клетка 26, 204–219 (2013).

5. Augustin, HG & Koh, GY Органотипна васкулатура: от описателна хетерогенност до функционална патофизиология. Наука 357, eaal2379 (2017).

6. Kalucka, J. et al. Атлас на едноклетъчен транскриптом на миши ендотелни клетки. Клетка 180, 764–779.e20 (2020).

7. Herzlinger, D. & Hurtado, R. Моделиране на бъбречното съдово легло. Семин. Cell Dev. Biol. 36, 50–56 (2014).

8. Jourde-Chiche, N. et al. Структура и функция на ендотела при бъбречно здраве и заболяване. Нац. преп. Нефрол. 15, 87–108 (2019).

9. Molema, G. & Aird, WC Съдова хетерогенност в бъбрека. Семин. Нефрол. 32, 145–155 (2012).

10. Dumas, SJ et al. Едноклетъчното РНК секвениране разкрива хетерогенност на бъбречния ендотел и метаболитна адаптация към лишаване от вода. J. Am. Soc. Нефрол. 31, 118–138 (2020).

11. Barry, DM et al. Молекулярни детерминанти на съдовата специализация на нефрона в бъбрека. Нац. Общ. 10, 5705 (2019).

12. Jang, C. et al. Метаболитен обмен между органи на бозайници, количествено определени при прасета. Cell Metab. 30, 594–606.e3 (2019).

13. Wong, BW, Marsch, E., Treps, L., Baes, M. & Carmeliet, P. Метаболизъм на ендотелните клетки при здраве и болест: въздействие на хипоксия. EMBO J. 36, 2187–2203 (2017).

14. Makris, K. & Spanou, L. Остро бъбречно увреждане: определение, патофизиология и клинични фенотипове. Clin. Biochem. Rev. 37, 85–98 (2016).

15. Levey, AS et al. Дефиниция и класификация на хронично бъбречно заболяване: изявление за позиция от Бъбречно заболяване: Подобряване на глобалните резултати (KDIGO). Kidney Int. 67, 2089–2100 (2005).

16. Verma, SK & Molitoris, BA Бъбречно ендотелно увреждане и микроваскуларна дисфункция при остро бъбречно увреждане. Семин. Нефрол. 35, 96–107 (2015).

17. Goligorsky, MS Патогенеза на дисфункцията на ендотелните клетки при хронично бъбречно заболяване: ретроспектива и какво може да има бъдещето. Kidney Res. Clin. Практ. 34, 76–82 (2015).

18. Rosivall, L. & Peti-Peterdi, J. Хетерогенност на аферентната артериола – корелации между морфология и функция. Нефрол. Набиране. Транспл. 21, 2703–2707 (2006).

19. Guerci, P., Ergin, B. & Ince, C. Макро- и микроциркулацията на бъбрека. Най-добра практика. Рез. Clin. Анестезиол. 31, 315–329 (2017).

20. Wang, K. & Kestenbaum, B. Проксимален тубуларен секреторен клирънс: пренебрегван партньор на бъбречната функция. Clin. J. Am. Soc. Нефрол. 13, 1291–1296 (2018).