Резюме

Предистория: Бъбрекът е изключително сложен орган с множество функции, които са от съществено значение за здравето. Бъбречното заболяване възниква, когато бъбреците са увредени и не функционират правилно. Едноклетъчният анализ е мощна техника, която предоставя безпрецедентна представа за нормалните и анормалните видове бъбречни клетки и ще промени нашето разбиране за механизмите на често срещаните бъбречни заболявания.

Резюме: Нашето разбиране за патогенезата на бъбречните заболявания е ограничено от непълна молекулярна характеристика на видовете клетки, отговорни за бъбречната функция. Прилагането на едноклетъчна технология в изследването на бъбреците разкри клетъчна хетерогенност, профили на генна експресия и молекулярна динамика в развитието и прогресирането на бъбречно заболяване. Едноклетъчният анализ на бъбречни органоидни и алографтни тъкани предостави нови прозрения за бъбречната органогенеза, механизмите на заболяването и терапевтичните резултати. Като цяло, по-доброто разбиране на хетерогенността на бъбречните клетки и молекулярната динамика на бъбречното заболяване ще подобри диагностичната точност и ще помогне да се идентифицират нови терапевтични стратегии в нефрологията.

Ключово послание: В тази обзорна статия ние обобщаваме скорошни едноклетъчни изследвания върху бъбречните заболявания и обсъждаме въздействието на едноклетъчната технология върху основни и клинични бъбречни изследвания.

Ключови думи

Едноклетъчна технология; Заболяване на бъбреците; Имунна клетка; Органоид на бъбреците; Алографт;Cistanche ползи.

Въведение

Бъбреците са два органа с форма на боб, отговорни за филтрирането на отпадъците, излишната вода и други примеси в кръвта и производството на урина. Бъбреците също регулират pH, нивата на сол и калий и кръвното налягане; контролират производството на червени кръвни клетки; и активира форма на витамин D, която помага на тялото да абсорбира калций. към днешна дата приблизително 850 милиона души по света страдат от бъбречно заболяване, включително хронично бъбречно заболяване (CKD), остро бъбречно увреждане, бъбречна недостатъчност и много други състояния. Бъбречното заболяване възниква, когато бъбреците са увредени и не могат да изпълняват функциите си. Увреждането може да бъде причинено от диабет, високо кръвно налягане и различни други хронични (дългосрочни) състояния. Бъбречното заболяване може да доведе до други здравословни проблеми, включително остеопороза, увреждане на нервите, недохранване и сърдечни заболявания. Настоящите стратегии за лечение на пациентите остават бъбречни трансплантации или диализа, които са скъпи.

Разнообразие от клетки в бъбрека, включително епителни, тилакоидни, ендотелни и невронни клетки, както и имунни клетъчни мрежи, взаимодействат, за да поддържат нормалната бъбречна функция. По-задълбоченото разбиране на хетерогенността на здравите бъбреци и процесите, лежащи в основата на бъбречното заболяване, ще прецизира молекулярната и хистопатологичната фенотипна дефиниция на бъбрека и ще подпомогне разработването на нови класификации на заболяванията. Едноклетъчната технология е потенциално полезна при идентифициране на клетъчни подтипове, състояния и честотни промени по време на появата и прогресията на бъбречно заболяване. През последните години, с бързото развитие на високопроизводителната технология за секвениране на едноклетъчна РНК (scRNA-seq), беше конструиран изчерпателен клетъчен атлас на нормалния бъбрек за изследване на прецизната бъбречна медицина. Проектът за прецизна медицина на бъбреците (KPMP) е разработен в световен мащаб за получаване на биопсии на човешки бъбрек, създаване на атласи на бъбречна тъкан, дефиниране на субпопулации на заболявания и в крайна сметка идентифициране на ключови клетки, пътища и цели за нови терапии. Въз основа на свързания с бъбреците набор от едноклетъчни транскрипционни данни, изследователите също анализираха профилите на генна експресия на ACE2, TMPRSS2 и SLC6A19 в подтипове бъбречни клетки, което е от решаващо значение за разбирането на патогенезата на тежък остър респираторен синдром коронавирус 2. В този преглед, ще се съсредоточим върху (1) разработването и прилагането на едноклетъчна технология, (2) използването на scRNA-seq за изследване на развитието и прогресирането на бъбречни заболявания, (3) молекулярното картографиране на имунните клетки при бъбречни заболявания, ( 4) прилагането на scRNA-seq към органи, подобни на бъбрек, и (5) използването на scRNA-seq за задълбочено изследване на бъбречни алографти (Фигура 1).

Щракнете тук, за да получитеефектите на Cistanche върху бъбреците

Разработване и приложение на едноклетъчна транскриптомна технология

Една клетка е основната единица на живота. Техниките за анализ на една клетка революционизират способността ни да идентифицираме клетъчния състав, да проследяваме молекулярната динамика и да разкриваме патологични механизми. Ранен глобален анализ на генна експресия на една клетка беше извършен с помощта на микрочипове и qPCR техники. Tietjen и др. използваха едноклетъчни микрочипове за наблюдение на профилите на молекулярна експресия на отделни неврони и прогениторни клетки и за определяне на сигнални пътища на различни етапи на развитие. В допълнение, анализът на експресията на една клетка идентифицира няколко развиващи се клетъчни подтипа, които имат нови гени на панкреаса, предоставяйки нови прозрения за развитието на панкреаса. Този клас разработи едноклетъчни qPCR техники и ги приложи към изследването на ключови регулаторни гени в развитието на миши бластоцисти и диференциацията на хематопоетичната линия.

С навлизането на технологиите за секвениране от следващо поколение, scRNA-seq показа ясни предимства в разграничаването на различни изоформи, алелна експресия и нови транскрипти в единични клетки на по-ниска цена. през 2009 г. Tang et al. съобщават за първото секвениране на цял транскриптом на едноклетъчна иРНК, демонстрирайки сложността на транскрипционните варианти в единични миши овоцити или овоцити. smart-seq беше 2012 г. е разработен за откриване на транскрипти с пълна дължина в единични клетки и чрез прилагането му към редки клетки изследователите идентифицираха кандидат биомаркери за меланомни циркулиращи туморни клетки. Година по-късно беше представен Smart-seq2 с подобрена обратна транскрипция, покритие на четене, отклонение и точност. последните разработки в Smart-seq3 значително подобриха неговата чувствителност при откриване на хиляди едноклетъчни транскрипти при разделяне на алели и изоформи. За разлика от методите за амплификация, базирани на PCR, CEL-seq улавя ефективни едноклетъчни транскриптоми чрез мултиплексна линейна амплификация. Проучване, използващо CEL-seq за изследване на ранното ембрионално развитие на Cryptobacterium hidradenoma, разкри неговите възпроизводими и чувствителни резултати при резолюция на една клетка. Първата автоматизирана платформа на scRNA-seq е Fluidigm C1, която използва микрофлуидна система за улавяне на единични клетки в 96 или 384 камери, последвано от клетъчен лизис, обратна транскрипция и PCR амплификация.

От 2015 г. едноклетъчните изследвания навлязоха напълно в ерата на висока производителност, ниска цена и автоматизация с непрекъснатата наличност на Drop-seq, inDrop, 10× Genomics, Seq-well, Microwell-seq и SPLiTseq. Drop-seq и inDrop разделят отделните клетки на капчици с размер на нанолитър и ги смесват с уникален баркод за етикетиране на всяка клетка. От друга страна, Cyto-seq, Seq-well и Microwell-seq позволяват високопроизводително секвениране на иРНК на една клетка чрез улавяне на клетка и перла с баркод в микроямка. Нашата група конструира първия миши клетъчен атлас и човешки клетъчен пейзаж на ниво единична клетка, използвайки Microwell-seq. Съвсем наскоро по-високата производителност и по-простите методи се наричат ​​SPLiT-seq и sci-RNA-seq за scRNA-seq. Тези методи използват самата клетка или ядро ​​като реакционна камера за маркирани с баркод клетки през няколко кръга на разделяне на пула. След това всички клетки се подлагат на cDNA PCR амплификация и секвениране. Cao и др. използва sci-RNA-seq3 за анализ на транскриптомите на приблизително 2 милиона миши органогенни клетки и 4 милиона човешки фетални клетки, предоставяйки глобален поглед върху процесите на развитие на бозайниците. Други едноклетъчни технологии, обхващащи геномни, протеомични и епигеномни анализи, също процъфтяват; те обаче са извън обхвата на тази статия.

Възникване и прогресиране на бъбречно заболяване

Бъбреците могат да бъдат засегнати от много общи и сериозни заболявания, включително остро бъбречно увреждане, гломерулонефрит, възходящи инфекции (пиелонефрит) и рак. Като цяло нашето разбиране за патогенезата на бъбречното заболяване е ограничено от непълна молекулярна характеристика на клетъчните типове, отговорни за специфичните за органа функции. За да затворим тази празнина в знанията, нашата група и Park et al. конструира транскрипционен атлас на здрав бъбрек на мишка, използвайки scRNA-seq. Основните подтипове епителни клетки на бъбречната единица включват клетки на дръжката, проксимални тубулни епителни клетки, пръстен на Хенле, дистални тубули и клетки на събирателния канал. Проучването идентифицира нов мигриращ клетъчен тип за събиране на дуктални клетъчни популации, потвърждавайки предишни констатации за взаимно преобразуване между интеркалирани клетки и главни клетки в проучвания на scRNA-seq. Освен това Ransick et al. анализира мъжки и женски възрастни бъбреци и генерира анатомичен атлас на миши бъбречни елементи на едноклетъчно ниво. Нашата група също извърши Microwell-seq анализ на човешка фетална и възрастна бъбречна тъкан. В допълнение към епителните клетки, ендотелните клетки, стромалните клетки и имунните клетки в тъканта, ние идентифицирахме неописани преди това s-тип соматични клетъчни типове в феталния бъбрек и нов мигриращ клетъчен тип в бъбрека на възрастен. Едноклетъчно молекулярно профилиране на бъбречната съдова система разкрива профили на специализирана експресия на изграждащите нефрони и разкрива патогенезата на бъбречното заболяване. Освен това, всички видове гломерулни клетки бяха идентифицирани от здрави мишки и различни модели на заболяване чрез анализ на групиране на едноклетъчни транскриптоми и нови гени, свързани със заболяването, и регулаторни пътища бяха открити в модели на заболяване, като пътя на Hippo, активиран в подоцити след нефротоксичен имунен нараняване.

Бъбречната фиброза е отличителен белег на ХБН и засяга повече от 10 процента от световното население. В модел на хетерогенно съжителство на бъбречна фиброза, Kramann et al. използва scRNA-seq, за да потвърди, че моноцитите допринасят за малка част от миофибробластите, но че повечето миофибробласти са получени от мезенхимни клетки. Впоследствие Kuppe et al. [37] анализира транскриптома на приблизително 135 000 клетки от проксимални и непроксимални тубули и допълнително потвърди, че различните изоформи на MSCs са основният фактор, допринасящ за човешката бъбречна фиброза. Освен това, в сравнителен анализ на здрави и фиброзни бъбречни моноцити, миофибробласт-специфичен ген, гол кератиноцитен хомолог 2 (NKD2), беше идентифициран като потенциална терапевтична цел за човешка бъбречна фиброза. Въз основа на 402 бъбречни биопсии, фибриногенът в урината е предвиден като неинвазивен биомаркер при пациенти с ХБН.

Стандартизиран Cistanche

Диабетната нефропатия (DN) се характеризира с едновременно увреждане на гломерулите и тубуларния интерстициум. Въпреки това, сравнително малко се знае за това как клетъчният статус и честота се променят с началото на заболяването и прогресирането на генната експресия. За да се изяснят промените в генната експресия на гломерулни клетки в миши DN, Fu et al. извърши scRNA-seq анализ и идентифицира няколко нови потенциални маркера на гломерулни клетки, включително Magi2, Robo2, Ramp3 и Fabp4. При диабетна нефропатия (DKD) регулирането на ангиогенните и миграционните пътища се променя в ендотелните клетки, докато транслационните и стабилните на протеини регулаторни пътища са силно обогатени в тилакоидните клетки. Като цяло, промените в молекулярната динамика на ендотелните и тилакоидните клетки ще помогнат за идентифицирането на важни патофизиологични фактори, допринасящи за прогресията на DN. Чунг и др. изобразява едноклетъчния транскриптом на гломерули в миши модел на захарен диабет. Генната експресия е променена в тилакоид и подоцити на ob/ob мишки в сравнение с контролите. Пролиферативните пътища бяха индуцирани в тилакоидните клетки и свързаните с клетъчната смърт пътища бяха индуцирани в подоцитите, в съответствие с промените в съотношенията на броя на клетките. Изчерпателен анализ на публикувани набори от данни scRNA-seq за DKD идентифицира 17 основни гена, обогатявайки разбирането ни за молекулярните механизми, лежащи в основата на патогенезата на DKD. В допълнение, безпристрастното едноядрено РНК секвениране (snRNA-seq) на криоконсервирани човешки диабетни бъбречни проби даде 23 980 транскриптома от три контролни и три ранни DN проби. Резултатите показват специфични за клетъчния тип промени в генната експресия, което предполага повишена секреция на калий в човешки DN. Предишно проучване, сравняващо scRNA-seq и snRNA-seq в бъбреците на възрастни мишки, показа, че последният има по-ефективен капацитет за улавяне. Например, гломерулни подоцити, тилакоидни клетки и ендотелни клетки бяха уловени от snRNA-seq, а не от scRNA-seq. Прилагането на snRNA-seq минимизира псевдо-ефектите на ензимното смилане и може да се извърши върху замразени проби, което се очаква да доведе до по-широко приложение за ускоряване на изследването на патологичните механизми при различни бъбречни заболявания.

Прецизният клетъчен транскриптом може да разкрие произхода на бъбречните туморни клетки и транскрипционните траектории, поддържащи злокачествена трансформация. млад и др. дефинира нормални и ракови типове човешки бъбречни клетки от каталог от 72 501 едноклетъчни транскриптоми. Чрез идентифициране на специфични нормални клетъчни корелати на бъбречни ракови клетки (RCCs), едно проучване предостави доказателства за хипотезата, че туморните клетки на Wilms са аберантни фетални клетки и че RCC могат да произхождат от малко известен подтип на проксималните тубулни клетки. По този начин, scRNA-seq осигурява мащабируема експериментална стратегия за характеризиране на човешки бъбречни ракови клетки с прецизна количествена клетъчна молекулярна разделителна способност.

Молекулярен атлас на имунните клетки при бъбречно заболяване

Имунните клетки са основен компонент на човешките тъкани и играят важна роля във физиологичния и патологичния метаболизъм. Наистина, способността на имунната система да разпознава патогенни или опасни сигнали или злокачествени клетки е от решаващо значение. Прилагането на едноклетъчна технология за изследване на бъбречни имунни клетки има потенциала да улесни по-доброто разбиране на ролята на имунната система в патогенезата на здрави бъбреци и заболявания, както и да идентифицира нови терапевтични стратегии. Тези усилия започват да картографират сложния имунен пейзаж в бъбреците и разкриват връзката между имунните клетки, живеещи в тъканите, и техните взаимно активирани съседи.

През 2018 г. прилагането на scRNA-seq в бъбречна тъкан на мишка осигури цялостен пейзаж на имунните клетки, включително резидентни макрофаги, неутрофили, В и Т лимфоцити и NK клетки. Една година по-късно беше установено безпрецедентно едноклетъчно изследване на пространствено-времевата организация на имунните клетки на човешкия бъбрек. Тъканно-резидентните миелоидни и лимфоидни имунни клетъчни мрежи бяха идентифицирани в бъбреците на плода и възрастните, а проучванията идентифицираха постнатално придобити транскрипционни програми, които насърчават защитата от инфекция. Освен това се предполага, че кръстосаният разговор между зрелите бъбречни епителни клетки и имунните клетки набира антибактериални макрофаги и неутрофили в най-чувствителните региони на бъбрека. Като цяло, цялостният имунен пейзаж на бъбреците допринася за изследването на патогенните механизми и идентифицирането на терапевтични цели при имунни и инфекциозни бъбречни заболявания.

Лупусният нефрит (LN) е потенциално фатално автоимунно заболяване, за което настоящите терапии са неефективни и често токсични. Молекулярните и клетъчните процеси, водещи до увреждане на бъбреците и хетерогенността на LN, остават неясни. scRNA-seq беше използван от Arazi et al. за идентифициране на 21 специфични за заболяването субпопулации от миелоидни, Т, естествени убийци и В клетки при пациенти с LN. По подобен начин, Der et al. прилага scRNA-seq към тъкани от бъбречна и кожна биопсия от LN пациенти. Съобщава се, че резултатите от отговора на интерферон тип I на тубулните епителни клетки са по-високи при пациенти с LN, отколкото при здрави контроли. В допълнение, възпалителни и фиброзни характеристики на тубулните клетки са свързани с неефективност на лечението. При DKD анализът на scRNA-seq показва значително по-висок брой имунни клетки в диабетните гломерули, отколкото при контролите. Тези проучвания показват, че профилите на генната експресия на имунните клетки в урината, кожата и бъбреците са силно свързани, което предполага, че биопсиите на урината и кожата могат да бъдат потенциален източник на диагностични и прогностични маркери за бъбречно заболяване.

Скорошни проучвания демонстрират ролята на имунните клетки в модели на бъбречно заболяване с разделителна способност на една клетка. Моделите на едностранна обструкция на уретера се използват широко за бъбречна интерстициална фиброза, където макрофаги и възпалителни клетки инфилтрират бъбречния интерстициум, което води до изразени промени в бъбречната хемодинамика и метаболизъм. scRNA-seq е използван в модели на обратима едностранна уретерална обструкция за дисекция на пейзажа на миелоидните клетки по време на прогресия и регресия на фиброзата. Конуей и др. разкрива хетерогенност в миелоидните клетки, с динамични промени в относителните пропорции на субпопулациите, моноцитите се набират рано в нараняването, Ccr2 плюс макрофагите се натрупват късно в нараняването и нов клъстер от Mmp12 плюс макрофаги играе роля в процеса на възстановяване. При бъбречно заболяване и трансплантация исхемично-реперфузионното увреждане (IRI) е свързано с възпаление и набиране на левкоцити. експериментални модели на IRI бяха използвани за оценка на функционалната роля на 2 групи вродени лимфоидни клетки в бъбреците и данните предполагат, че тези клетки имат излишни функции при бъбречно увреждане. Чрез прилагане на scRNA-seq към IRI модел на бъбречна трансплантация, Kremann et al. установиха, че последващата CXCR5 плюс левкоцитна инфилтрация води до повишени системни нива на CXCL13. knRNA-seq също беше приложен към IRI миши модел от Kirita et al. за характеризиране на подробни клетъчни реакции след нараняване и за идентифициране на различно провъзпалително и профиброзно състояние на проксималните тубулни клетки. Пикочната киселина, крайният продукт на окисление на пуриновия метаболизъм, е тясно свързана с бъбречно възпаление при няколко модела на заболяване. Например, NLRP3 (NOD-, LRR- и пирин-съдържащ структурен домен 3) усеща сигнали за излишък на пикочна киселина и възпалителни везикули се активират при хиперурикемична нефропатия. Не са известни обаче специфичните имунни механизми, лежащи в основата на бъбречно увреждане, предизвикано от хиперурикемия. Изграждането на възпалителен телесен пейзаж на едноклетъчно ниво в модел на индуцирано от хиперурикемия бъбречно увреждане се очаква да бъде реализирано в близко бъдеще.

Имунната инфилтрация съществува в бъбречните тумори и се влияе от туморната микросреда. Предишно проучване показа, че инфилтриращите тумор популации на макрофаги експресират васкуларен ендотелен растежен фактор А и участват в сложния VEGF сигнален път в RCC тъкан. Настоящото проучване демонстрира, че scRNA-seq може да се справи с туморогенезата и да идентифицира предполагаеми патофизиологични механизми и клетъчни сигнални мрежи, които могат да служат като мишени за лекарствена терапия. Като цяло, проучването подчертава напредъка в scRNAseq, който предоставя представа за имунната система и клетъчните мрежи, работещи в здрави и болни бъбреци.

Билкова цистанче

Приложение на scRNA-seq към бъбречни органоиди

В допълнение към изследването на болни бъбречни тъкани, бъбречните органоиди са се превърнали в ключов инструмент за изследване на органогенезата и механизмите на заболяването и имат потенциала да ускорят развитието на терапии като източник на алтернативни тъкани. Успоредно с това напредъкът в scRNA-seq доведе до по-подробен анализ на различни клетъчни субпопулации и промени в генната експресия в органи, подобни на бъбреците.

Като цяло е необходимо по-добро разбиране на ембрионалното развитие на бъбреците на едноклетъчно ниво, за да се ръководи узряването на подобни на бъбреците органи. Едноклетъчни транскриптомични изследвания на човешки фетален бъбрек са идентифицирали 22 типа клетки и съответните маркерни гени.

Сравнението на различни етапи на развитие показва непрекъснатостта на молекулярната динамика на клетките на краката. Друг единичен клетъчен анализ беше извършен върху човешки фетален бъбрек и органи, подобни на бъбрек, получени от ембрионални стволови клетки. Сравнителният анализ на едноклетъчните траектории на развитие в бъбреците разкри подобни профили на генна експресия in vivo и in vitro, с изключение на подоцитите в късен стадий, което предполага непълен процес на съзряване на органи, подобни на подоцити. Експериментите с трансплантация допълнително предполагат, че тилакоидът и съдовият лумен могат да бъдат оптимизирани с помощта на органоидни модели. Скорошно проучване, използващо задни бъбречни мезенхимни и подобни на уретерални пъпки клетки за генериране на бъбречни органоиди, показа, че scRNA-seq подобрява узряването на проксималните тубули и намалява популациите извън целевите клетки. scRNA-seq анализ на бъбречни органоиди, получени от човешки плурипотентни стволови клетки (PSC), е извършен от Subramanian et al. и Wu et al. В сравнение с едноклетъчни набори от данни за човешки фетален и възрастен бъбрек, различните подобни на бъбрек органи показват до голяма степен възпроизводими типове клетки, но с различни клетъчни пропорции поради наличието на нецелеви клетки. В допълнение, мрежовият анализ на транскрипционния фактор разкрива пътища на диференциация на бъбречни органоиди, подчертавайки силата на едноклетъчната технология при характеризиране и насочване на органоидната диференциация.

В заключение, органите, подобни на човешки бъбреци, са полезен ресурс за модели на минни заболявания, потенциални регулаторни механизми, скрининг на лекарства с висока производителност и в крайна сметка регенеративни терапии. Тези проучвания подчертават потенциалното използване на scRNA-seq в бъбречни моделни системи за изясняване на in vivo физиологични и патологични процеси и предоставят насоки за бъдещи изследвания в диагностиката и лечението на бъбречни заболявания.

Вникване в алографтите на бъбреците от scRNA-seq

Алогенната бъбречна трансплантация е едно от най-ефективните клинични лечения за краен стадий на бъбречно заболяване. Едноклетъчната технология предлага възможност за точно и прецизно характеризиране на видовете и състоянието на бъбречните клетки, като се използват проби от човешка биопсия след алогенна трансплантация. Първият публикуван доклад за проби от биопсия на бъбречна трансплантация анализира 8746 едноклетъчни транскриптоми и дефинира различни възпалителни реакции. Моноцитите образуват некласическата CD16 плюс група и класическата CD16- група; ендотелните клетки представиха състояние на покой и 2 състояния на антитяло-медиирано отхвърляне. Тези открития допринасят за нашето по-добро разбиране на имунното отхвърляне при бъбречна трансплантация. В сравнително изследване на бъбречни моноцити от източници на реципиент и донор, пробите от бъбречна биопсия показват значително различна транскрипционна генна експресия. В реципиентите са наблюдавани активирани от възпаление макрофаги и цитотоксично експресирани Т клетки. По подобен начин, Liu et al. анализирани клетки от хронично отхвърляне на бъбречен трансплант и съпоставени здрави възрастни бъбреци на едноклетъчно ниво. Неконтролиран клъстерен анализ разкри, че увеличеният брой имунни клетки и миофибробласти в групата с хронично отхвърляне на бъбречен трансплантат може да допринесе за бъбречно отхвърляне и фиброза. Трябва да се отбележи, че скорошно проучване описва първия едноклетъчен атлас на урината на възрастни и идентифицира SOX9 плюс популации от бъбречни стволови/прогениторни клетки в урината. Прогениторните клетки успешно пролиферират и се диференцират in vivo, придобивайки някои от свойствата на тубулните клетки и осигурявайки потенциално полезен ресурс за бъдеща терапия на бъбречна трансплантация. Като цяло технологията scRNA-seq предоставя нови и проницателни прозрения за отхвърлянето на човешки бъбречен трансплантант, като в крайна сметка подобрява диагностичната точност и ускорява приемането на интерпретация на молекулярна биопсия.

Cistanche добавки

Заключение

През последното десетилетие scRNA-seq се превърна в незаменим инструмент за анализ на диференциална генна експресия в целия транскриптом за изследване на физиологичната биология и идентифициране на молекулярни регулаторни аномалии при заболяване. За разлика от традиционните дискретни фенотипове, молекулярната характеристика на ниво една клетка може да осигури систематичен стандарт за характеризиране на фенотипове на бъбречно заболяване. Прилагането на едноклетъчна технология в здрава бъбречна тъкан или проби от клинична бъбречна биопсия предоставя изчерпателен молекулярен атлас на бъбрека и разширява нашето разбиране за нефрологията. Атласът на единичните бъбречни клетки ще бъде неразделна част от международната работа на Атласа на човешките клетки, която има за цел да създаде изчерпателна и систематична референтна карта на човешкото тяло. В бъдещи проучвания се очаква едноклетъчните ултра-високопроизводителни и пространствени транскриптомни анализи да разширят нашето разбиране за бъбрека. Интегрирането на мултиомични данни допълнително ще подобри персонализираната диагностика и лечение на бъбречни заболявания.

ПРЕПРАТКИ

1. Kriz W, Bankir L. Стандартна номенклатура за структурите на бъбрека. Бъбречна комисия на Международния съюз на физиологичните науки (IUPS). Kidney Int. януари 1988 г.; 33 (1): 1–7.

2. Kurts C, Panzer U, Anders HJ, Rees AJ. Имунната система и бъбречните заболявания: основни понятия и клинични последици. Nat Rev Immunol. 2013 октомври;13(10):738–53.

3. Luyckx VA, Al-Aly Z, Bello AK, Bellorin Font E, Carlini RG, Fabian J, et al. Целите за устойчиво развитие са от значение за здравето на бъбреците: актуална информация за напредъка. Nat Rev Nephrol. 2021 януари;17(1):15–32.

4. Clark AR, Greka A. Силата на едно: напредък в едноклетъчната геномика в бъбреците. Nat Rev Nephrol. 2020 февруари;16(2):73–4.

5. Han X, Wang R, Zhou Y, Fei L, Sun H, Lai S и др. Картографиране на клетъчния атлас на мишката чрез microwell-seq. клетка. 2018 февруари; 172 (5): 1091–107.e17.

6. Park J, Shrestha R, Qiu C, Kondo A, Huang S, Werth M, et al. Едноклетъчна транскриптомия на миши бъбрек разкрива потенциални клетъчни цели на бъбречно заболяване. Наука. 2018 май; 360 (6390): 758–63.

7. Hochane M, van den Berg PR, Fan X, Bérenger-Currias N, Adegeest E, Bialecka M, et al. Едноклетъчната транскриптомика разкрива динамиката на генната експресия на бъбречното развитие на човешки плод. PLoS Biol. 2019 февруари;17(2): e3000152.

8. Han X, Zhou Z, Fei L, Sun H, Wang R, Chen Y и др. Изграждане на човешки клетъчен пейзаж на ниво една клетка. Природата. 2020 май; 581 (7808): 303–9.

9. Liao J, Yu Z, Chen Y, Bao M, Zou C, Zhang H, et al. Едноклетъчно РНК секвениране на човешки бъбрек. Научни данни. 2020 януари;7(1):4.

10. Прецизна медицина в нефрологията. Nat Rev Nephrol. 2020 ноември;16(11):615.

11. Chen QL, Li JQ, Xiang ZD, Lang Y, Guo GJ, Liu ZH. Локализация на свързани с клетъчни рецептори гени на SARS-CoV-2 в бъбрека чрез анализ на едноклетъчен транскриптомен. бъбречна дис. 2020 юли;6(4):258–70.

12. Tietjen I, Rihel JM, Cao Y, Koentges G, Zakhary L, Dulac C. Едноклетъчен транскрипционен анализ на невронни предшественици. неврон. 2003 април;38(2):161–75.

13. Chiang MK, Melton DA. Анализ на едноклетъчен транскрипт на развитието на панкреаса. Dev Cell. 2003 март;4(3):383–93.

14. Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND, et al. Резолюция на решения за клетъчна съдба, разкрити чрез анализ на експресия на ген от една клетка от зигота до бластоциста. Dev Cell. 2010 април; 18 (4): 675–85.

15. Guo G, Luc S, Marco E, Lin TW, Peng C, Kerenyi MA, et al. Картографиране на клетъчната йерархия чрез анализ на една клетка на репертоара на клетъчната повърхност. Клетъчна стволова клетка. 2013 октомври;13(4):492–505.

16. Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: революционен инструмент за транскриптомика. Nat Rev Genet. 2009 януари;10(1):57–63.

17. Tang F, Barbacioru C, Wang Y, Nordman E, Lee C, Xu N, et al. mRNA-Seq анализ на цял транскриптом на единична клетка. Nat методи. 2009 май; 6 (5): 377–82.

18. Ramsköld D, Luo S, Wang YC, Li R, Deng Q, Faridani OR, et al. Пълна дължина на mRNA-seq от едноклетъчни нива на РНК и отделни циркулиращи туморни клетки. Nat Biotechnol. 2012 август;30(8):777–82.

19. Picelli S, Björklund ÅK, Faridani OR, Sagasser S, Winberg G, Sandberg R. Smart-seq2 за чувствително профилиране на транскриптоми с пълна дължина в единични клетки. Nat методи. 2013 ноември; 10 (11): 1096–8.

20. Hagemann-Jensen M, Ziegenhain C, Chen P, Ramsköld D, Hendriks GJ, Larsson AJM, et al. Преброяване на едноклетъчна РНК при разделяне на алели и изоформи с помощта на Smart-seq3. Nat Biotechnol. 2020 юни;38(6):708–14.

21. Hashimshony T, Wagner F, Sher N, Yanai I. CEL-seq: едноклетъчна RNA-seq чрез мултиплексирана линейна амплификация. Cell Rep. 2012 септември; 2 (3): 666–73.

22. Yanai I, Hashimshony T. CEL-seq2-едноклетъчна РНК секвенция чрез мултиплексирана линейна амплификация. Методи Mol Biol. 2019; 1979: 45–56.

23. Стрийтс AM, Zhang X, Cao C, Pang Y, Wu X, Xiong L и др. Микрофлуидно секвениране на цял транскриптом от една клетка. Proc Natl Acad Sci US A. 2014 май;111(19):7048–53.

24. Klein AM, Mazutis L, Akartuna I, Tallapragada N, Veres A, Li V, et al. Баркодиране на капчици за едноклетъчна транскриптомия, приложена към ембрионални стволови клетки. клетка. 2015 май; 161 (5): 1187–201.

25. Macosko EZ, Basu A, Satija R, Nemesh J, Shekhar K, Goldman M, et al. Силно паралелно профилиране на експресия в целия геном на отделни клетки с помощта на нанолитрови капчици. клетка. 2015 май; 161 (5): 1202–14.

26. Фен ХК, Фу ГК, Фодор С.П. Профилиране на израза. Комбинаторно маркиране на единични клетки за цитометрия на генна експресия. Наука. 2015 февруари; 347(6222):1258367.

27. Gierahn TM, Wadsworth MH, Hughes TK, Bryson BD, Butler A, Satija R, et al. Seq-well: преносимо, евтино РНК секвениране на единични клетки с висока производителност. Nat методи. 2017 април;14(4):395–8.

28. Cao J, Packer JS, Ramani V, Cusanovich DA, Huynh C, Daza R, et al. Цялостно едноклетъчно транскрипционно профилиране на многоклетъчен организъм. Наука. 2017 август; 357 (6352): 661–7.

29. Rosenberg AB, Roco CM, Muscat RA, Kuchina A, Sample P, Yao Z, et al. Едноклетъчно профилиране на развиващия се мозък и гръбначен мозък на мишка с баркодиране на разделен пул. Наука. 2018 април;360(6385):176–82.

30. Cao J, Spielmann M, Qiu X, Huang X, Ibrahim DM, Hill AJ и др. Едноклетъчният транскрипционен пейзаж на органогенезата на бозайниците. Природата. 2019 февруари;566(7745):496–502.

31. Cao J, O'Day DR, Pliner HA, Kingsley PD, Deng M, Daza RM и др. Атлас на човешки клетки на фетална генна експресия. Наука. 2020 г.; 370(6518):370.

32. Chen L, Lee JW, Chou CL, Nair AV, Battistone MA, Păunescu TG и др. Транскриптоми на основни типове клетки на бъбречни събирателни канали при мишки, идентифицирани чрез едноклетъчна RNA-seq. Proc Natl Acad Sci US A. 2017 ноември;114(46): E9989–98.

33. Ransick A, Lindström NO, Liu J, Zhu Q, Guo JJ, Alvarado GF и др. Едноклетъчното профилиране разкрива пол, родословие и регионално разнообразие в бъбрека на мишката. Dev Cell. 2019 ноември;51(3):399– 413.e7.

34. Barry DM, McMillan EA, Kunar B, Lis R, Zhang T, Lu T, et al. Молекулярни детерминанти на съдовата специализация на нефрона в бъбрека. Nat Commun. 2019 декември;10(1):5705.

35. Chung JJ, Goldstein L, Chen YJ, Lee J, Webster JD, Roose-Girma M, et al. Профилирането на едноклетъчен транскриптом на бъбречния гломерул идентифицира ключови типове клетки и реакции към нараняване. J Am Soc Nephrol. 2020 октомври;31(10): 2341–54.

36. Kramann R, Machado F, Wu H, Kusaba T, Hoeft K, Schneider RK и др. Парабиозата и едноклетъчното РНК секвениране разкриват ограничен принос на моноцитите към миофибробластите при бъбречна фиброза. JCI Insight. 2018 май; 3 (9): e99561.

37. Kuppe C, Ibrahim MM, Kranz J, Zhang X, Ziegler S, Perales-Patón J, et al. Декодиране на произхода на миофибробластите при човешка бъбречна фиброза. Природата. 2021 януари;589(7841):281–6.

38. Wang H, Zheng C, Lu Y, Jiang Q, Yin R, Zhu P, et al. Фибриногенът в урината като предиктор на прогресията на ХБН. Clin J Am Soc Nephrol. 2017 декември;12(12):1922–9.

39. Fu J, Akat KM, Sun Z, Zhang W, Schlondorff D, Liu Z и др. Профилирането на едноклетъчна РНК на гломерулни клетки показва динамични промени в експерименталното диабетно бъбречно заболяване. J Am Soc Nephrol. 2019 април;30(4):533–45.

40. Zhang Y, Li W, Zhou Y. Идентифициране на хъб гени при диабетно бъбречно заболяване чрез анализ на множество микрочипове. Ann Transl Med. 2020 август;8(16):997.

41. Wilson PC, Wu H, Kirita Y, Uchimura K, Ledru N, Rennke HG и др. Едноклетъчният транскриптомичен пейзаж на ранна човешка диабетна нефропатия. Proc Natl Acad Sci US A. 2019 Sep;116(39):19619–25.

42. Wu H, Kirita Y, Donnelly EL, Humphreys BD. Предимства на едноядреното пред едноклетъчното РНК секвениране на възрастния бъбрек: редки типове клетки и нови клетъчни състояния, разкрити при фиброза. J Am Soc Nephrol. 2019 януари;30(1):23–32.

43. Young MD, Mitchell TJ, Vieira Braga FA, Tran MGB, Stewart BJ, Ferdinand JR, et al. Едноклетъчни транскриптоми от човешки бъбреци разкриват клетъчната идентичност на бъбречните тумори. Наука. 2018 август;361(6402):594–9.

44. Stewart BJ, Ferdinand JR, Young MD, Mitchell TJ, Loudon KW, Riding AM, et al. Пространствено-времево имунно зониране на човешкия бъбрек. Наука. 2019 септември;365(6460):1461–6.

45. Arazi A, Rao DA, Berthier CC, Davidson A, Liu Y, Hoover PJ и др. Пейзажът на имунните клетки в бъбреците на пациенти с лупусен нефрит. Nat Immunol. 2019 юли;20(7):902–14.

46. ​​Der E, Ranabothu S, Suryawanshi H, Akat KM, Clancy R, Morozov P, et al. Едноклетъчно РНК секвениране за дисекция на молекулярната хетерогенност при лупусен нефрит. JCI Insight. 2017 май;2(9):e93009.

47. Der E, Suryawanshi H, Morozov P, Kustagi M, Goilav B, Ranabothu S, et al. Тубулна клетъчна и кератиноцитна едноклетъчна транскриптомия, приложена към лупусен нефрит, разкрива тип I IFN и пътища, свързани с фиброзата. Nat Immunol. 2019 юли;20(7):915–27.

48. Conway BR, O'Sullivan ED, Cairns C, O'Sullivan J, Simpson DJ, Salzano A, et al. Бъбречният едноклетъчен атлас разкрива миелоидна хетерогенност в прогресията и регресията на бъбречното заболяване. J Am Soc Nephrol. 2020 декември; 31 (12): 2833–54.

49. Cameron GJM, Cautivo KM, Loering S, Jiang SH, Deshpande AV, Foster PS, et al. Вродените лимфоидни клетки от група 2 са излишни при експериментално бъбречно исхемично-реперфузионно увреждане. Преден имунол. 2019; 10: 826.

50. Kreimann K, Jang MS, Rong S, Greite R, von Vietinghoff S, Schmitt R, et al. Исхемично-реперфузионно увреждане предизвиква освобождаване на CXCL13 и набиране на В клетки след алогенна бъбречна трансплантация. Преден имунол. 2020; 11: 1204.

51. Kirita Y, Wu H, Uchimura K, Wilson PC, Humphreys BD. Клетъчното профилиране на остро бъбречно увреждане при мишка разкрива запазени клетъчни реакции към нараняване. Proc Natl Acad Sci US A. 2020 юли;117(27):15874–83.

52. Wen L, Yang H, Ma L, Fu P. Ролите на NLRP3 инфламазомно-медиирани сигнални пътища при хиперурикемична нефропатия. Mol Cell Biochem. 2021 март;476(3):1377–86.

53. Nishinakamura R. Човешки бъбречни органоиди: напредък и оставащи предизвикателства. Nat Rev Nephrol. 2019 октомври;15(10):613–24.

54. Tran T, Lindström NO, Ransick A, De Sena Brandine G, Guo Q, Kim AD, et al. In vivo траекториите на развитие на човешки подоцити информират in vitro диференциацията на плурипотентни подоцити, получени от стволови клетки. Dev Cell. 2019 юли;50(1):102–e6.

55. Uchimura K, Wu H, Yoshimura Y, Humphreys BD. Бъбречни органоиди, получени от човешки плурипотентни стволови клетки, с подобрено съзряване на събирателния канал и моделиране на нараняване. Cell Rep. 2020 декември;33(11):108514.

56. Subramanian A, Sidhom EH, Emani M, Vernon K, Sahakian N, Zhou Y, et al. Едноклетъчно преброяване на човешки бъбречни органоиди показва възпроизводимост и намалени нецелеви клетки след трансплантация. Nat Commun. 2019 ноември;10(1):5462.

57. Wu H, Uchimura K, Donnelly EL, Kirita Y, Morris SA, Humphreys BD. Сравнителен анализ и усъвършенстване на човешка PSC-извлечена бъбречна органоидна диференциация с едноклетъчна транскриптомия. Клетъчна стволова клетка. 2018 декември;23(6):869–e8.

58. Czerniecki SM, Cruz NM, Хардър JL, Menon R, Annis J, Otto EA, et al. Високопроизводителният скрининг подобрява диференциацията на бъбречните органоиди от човешки плурипотентни стволови клетки и позволява автоматизирано многоизмерно фенотипизиране. Клетъчна стволова клетка. 2018 юни; 22 (6): 929–e4.

59. Dvela-Levitt M, Kost-Alimova M, Emani M, Kohnert E, Thompson R, Sidhom EH, et al. Малката молекула е насочена към TMED9 и насърчава лизозомното разграждане за обръщане на протеинопатията. клетка. 2019 юли;178(3):521–e23.

60. Wu H, Malone AF, Donnelly EL, Kirita Y, Uchimura K, Ramakrishnan SM, et al. Едноклетъчна транскриптомия на проба от биопсия на алографт на човешки бъбрек определя разнообразен възпалителен отговор. J Am Soc Nephrol. 2018 август;29(8):2069–80.

61. Malone AF, Wu H, Fronick C, Fulton R, Gaut JP, Humphreys BD. Използване на експресирана единична нуклеотидна вариация и едноклетъчно РНК секвениране за определяне на химеризма на имунните клетки в отхвърлящия бъбречен трансплантат. J Am Soc Nephrol. 2020 септември;31(9):1977–86.

62. Liu Y, Hu J, Liu D, Zhou S, Liao J, Liao G и др. Едноклетъчният анализ разкрива имунния пейзаж в бъбреците на пациенти с хронично отхвърляне на трансплантант. Теранотика. 2020 г.; 10 (19): 8851–62.

63. Wang Y, Zhao Y, Zhao Z, Li D, Nie H, Sun Y и др. Едноклетъчен RNA-Seq анализ идентифицира бъбречни прогениторни клетки от човешка урина. Протеинова клетка. 2021 април;12(4):305–12.

64. Stark R, Grzelak M, Hadfield J. РНК секвениране: тийнейджърските години. Nat Rev Genet. 2019 ноември;20(11):631–56. 65 Regev A, Teichmann SA, Lander ES, Amit I, Benoist C, Birney E, et al. Атлас на човешки клетки. Елайф. 2017; 12: 6.

Менгмен Джианг^a,b; Хайде Чен^{b, c}; Гуоджи Гуо^{a, b, c, d, e}

a: лаборатория Liangzhu, медицински център на университета Zhejiang, Hangzhou, Китай;

b: Център за стволови клетки и регенеративна медицина, Медицински факултет на университета Zhejiang, Ханджоу, Китай;

c: Ключова лаборатория на провинция Zhejiang за тъканно инженерство и регенеративна медицина, д-р Li Dak Sum & Yip Yio Chin, Център за стволови клетки и регенеративна медицина, Hangzhou, Китай;

d: Център за трансплантация на костен мозък, Първата свързана болница, Медицински факултет на университета Zhejiang, Хангжу, Китай;

e: Институт по хематология, Zhejiang University, Hangzhou, Китай