1. dio Fenotipska raznolikost i metabolička specijalizacija bubrežnih endotelnih stanica

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-pošta:audrey.hu@wecistanche.com

Sébastien J. Dumas^1,6, Elda Meta^1,6, Mila Borri^1,6, Yonglun Luo ^2,3, Xuri Li⁴, Ton J. Rabelink⁵i Peter Carmeliet^1,4

Cistanche tubulosa sprječava bolesti bubrega, kliknite ovdje za uzorak

Sažetak |

Složeni višestanični život kod sisavaca oslanja se na funkcionalnu suradnju različitih organa za opstanak cijelog organizma. Thebubregaigraju ključnu ulogu u ovom procesu kroz održavanje volumena tekućine i homeostaze sastava, što omogućuje drugim organima da ispune svoje zadatke. Bubrežni endotel pokazuje fenotipske i molekularne osobine koje ga razlikuju od endotela drugih organa. Štoviše, vaskulatura bubrega odrasle osobe sastoji se od različitih populacija uglavnom mirnih, ali ne metabolički neaktivnih endotelnih stanica (EC) koje se nalaze unutarbubregglomerula, korteksa i medule. Svaka od ovih populacija podržava specifične funkcije, na primjer, u filtraciji krvne plazme, reapsorpciji i izlučivanju vode i otopljenih tvari te koncentraciji urina. Transkripcijsko profiliranje ovih raznolikih EC populacija sugerira da su se prilagodili lokalnim uvjetima mikrookoliša (hipoksija, smični stres, hiperosmolarnost), što im omogućuje da podržavaju funkcije bubrega. Izloženost EC-a angiogenim čimbenicima koji potiču iz mikrookruženja utječe na njihov metabolizam i održavabubregrazvoj i homeostazu, dok endokrini čimbenici izvedeni iz EC čuvaju različite niše mikrookoliša. U kontekstu bubrežne bolesti, bubrežni ECs pokazuju promjene u svom metabolizmu i fenotipu kao odgovor na patološke promjene u lokalnom mikrookruženju, dodatno potičući disfunkciju bubrega. Razumijevanje raznolikosti i specijalizacije bubrežnih EC-a moglo bi pružiti nove načine za liječenje bolesti bubrega ibubregregeneracija.

Vaskularni sustav sisavaca sastoji se od dvije povezane i vrlo razgranate mreže koje prožimaju cijelo tijelo — svaka ima specifične uloge. Krvožilni sustav dostavlja kisik i hranjive tvari parenhimskim tkivima i olakšava uklanjanje otpada, imunološki nadzor i promet imunoloških stanica, koagulaciju i proizvodnju endokrinih signala za održavanje i regeneraciju tkiva1. Nasuprot tome, limfni vaskularni sustav odvodi ekstravaziranu intersticijsku tekućinu iz propusnih krvnih kapilara natrag u vene i olakšava promet imunoloških stanica i transport lipida². Sve krvne žile obložene su krvnim endotelnim stanicama (BEC, u daljnjem tekstu EC), dok limfne endotelne stanice (LEC) tvore najunutarnji sloj limfnih žila — pri čemu svaka populacija podržava svoje zadatke specifične za vaskulaturu. Međutim, heterogenost endotela daleko nadilazi široke razlike između krvnog i limfnog endotela. Konkretno, EC iz različitih organa pokazuju jedinstvene molekularne profile koji podržavaju specifične funkcije organa^3–6. Thebubregkoristiiz visoko specijalizirane vaskulature, koja je čvrsto povezana s epitelnim sustavom bubrega⁷. Točnije, fenotipski različite populacije bubrežnih endotelnih stanica (REC) koegzistiraju unutar tri anatomska i funkcionalna odjeljkabubreg, glomeruli, korteks i medula — gdje podržavaju specifične zadaće bubrega8,9. Važno je da je tehnološki napredak omogućio proučavanje REC heterogenosti na razini jedne stanice, pružajući nove uvide u njihovu specijaliziranu ulogu u zdravlju i bolesti bubrega^6,10,11.

Thebubregkritičan je za održavanje homeostaze organizma, regulaciju volumena i sastava tjelesnih tekućina⁷. Bubrezi primaju 20-25 posto minutnog volumena srca i pokazuju stereotipnu strukturu krvnih žila. Ova arhitektura ne samo da omogućuje dostavu kisika i hranjivih tvari ububrega, ali također omogućuje sudjelovanje u filtraciji krvne plazme, reapsorpciji iona i metabolita iz filtrata, izlučivanju iona i metabolita u primarnom urinu te koncentraciji u urinu.^7,8. Ovi visoko orkestrirani procesi omogućuju fino podešavanje volumena izvanstanične tekućine, krvnog tlaka, osmolalnosti i koncentracije iona^7,8. Bubrezi također reguliraju razine cirkulirajućih metabolita, ne samo izlučivanjem metaboličkog otpada, već i otpuštanjem glukoze (putem glukoneogeneze) i aminokiselina, na primjer¹². Organi sisavaca kontinuirano razmjenjuju metabolite putem cirkulacije, uz selektivnu upotrebu za potporu vlastitih metaboličkih aktivnosti¹².

Sukladno tome, metaboličke funkcije EC-a unutar različitih organa vjerojatno pokazuju razlike specifične za organe, što potvrđuju nalazi iz analiza metaboličkih transkriptoma EC-a u različitim organima⁶. Nadalje, metabolička plastičnost EC-a omogućuje im prilagodbu i odgovor na promjene okoliša s obzirom na njihove metaboličke potrebe i funkcije3,13. Pojavljujući se dokazi upućuju na to da specijalizirani REC-ibubregprilagoditi svoj metabolički transkriptom kako bi podržao funkciju bubrega¹⁰.

REC disfunkcija prati akutni ili progresivni gubitakbubregfunkcija^14,15. Ova disfunkcija povezana je s povećanjem arterijske vazokonstrikcije i smanjenjem bubrežnog protoka krvi, stjecanjem proupalnih i protrombotičkih fenotipova koji pogoduju adheziji i infiltraciji imunoloških stanica i stvaranjem mikrotromba, disocijacijom muralnih pericita od endotelnih sloj, razgradnju endotelne barijere što rezultira intersticijskim edemom, razrjeđivanjem peritubularnih kapilara (čime potiče hipoksiju bubrega) i prijelaz endotela u mezenhim, što pridonosi fibrozi bubrega16,17, što sugerira da bi endotel mogao biti usmjeren na zaštitu od bubrega ozljede i/ili regeneracije funkcije bubrega.

Ovaj pregled sažima naše trenutno razumijevanjebubregvaskulature, usredotočujući se na nedavni napredak u našem razumijevanju fenotipske, molekularne i metaboličke heterogenosti REC-a u odnosu na njihovo mikrookruženje. Također raspravljamo o potencijalnoj primjeni ciljanja REC metabolizma kao terapijske strategije ububregbolestiili za regeneraciju bubrega.

Ključne točke

• Endotel se razlikuje između različitih organa, vjerojatno kako bi podržavao različite funkcije organa.

• Višestruki specijalizirani fenotipovi endotelnih stanica koegzistiraju unutar bubrežnih glomerula, korteksa i medule; oni funkcioniraju kao podrška glomerularnoj filtraciji, reapsorpciji i sekreciji iona i metabolita te koncentraciji urina.

• Različita lokalna mikrookruženja ububregoblikovati molekularnu i metaboličku heterogenost bubrežnog endotela; obrnuto, endokrini čimbenici koji potječu iz endotelnih stanica održavaju niše različitihbubregmikrookruženja.

• Metabolizam endotelnih stanica bubrega može se promijeniti u kontekstububregozljeda i bolesti, djelomično kao posljedica promjena u mikrookolišu.

• Bolje razumijevanje fenotipske raznolikosti i metaboličke specijalizacije bubrežnih endotelnih stanica može pomoći u identifikaciji novih ciljeva zaliječenje odbubregbolestiibubregregeneracija.

Heterogenost endotela bubrega

Vaskularna anatomija bubrega

Thebubregopskrbljuje se krvlju preko bubrežne arterije koja nakon ulaska ububregpreko bubrežnog hiluma, grana se u segmentne, interlobarne, arkuatne i interlobularne arterije (Slika 1a), i konačno, aferentne arteriole, koje su žile visokog otpora odgovorne za kontrolu glomerularnog protoka krvi i brzine glomerularne filtracije (GFR) 18. Iz aferentnih arteriola, krv ulazi u glomerularni pramen — mrežu visoko fenestriranih glomerularnih kapilara gdje se ultrafiltracija krvne plazme događa brzinom od ~120-140 ml/min kod odraslih ljudi, omogućujući otopljenim tvarima niske molekularne težine da prođu iz glomerularnih kapilare u Bowmanov prostor¹⁹. Nakon što je dio plazme filtriran, krv napušta glomerularni pramen kroz eferentne arteriole kako bi vaskularizirala distalne i proksimalne zakrivljene tubule, tvoreći kortikalnu peritubularnu kapilarnu mrežu. Krv unutar peritubularnih kapilara obogaćena je otopljenim tvarima visoke molekularne težine i ima nizak sadržaj tekućine zbog gubitka tekućine tijekom glomerularne ultrafiltracije. Stoga su peritubularne kapilare namijenjene reapsorpciji vode, iona i esencijalnih hranjivih tvari iz proksimalnog^7,20i distalnih tubula²¹. Nekoliko iona kao što su H plus (ref. 22) i K plus (ref. 23), kao i molekule kao što je kreatinin²⁴i metaboliti lijekova²⁵— koje nisu u potpunosti filtrirale glomerularne kapilare, ali se ipak moraju eliminirati iz tijela — kreću se iz peritubularnih kapilara u epitelne stanice proksimalnih20 ili distalnih tubula da bi se izlučivale i eliminirale urinom21. Eferentne arteriole iz jukstamedularnih nefrona stvaraju silaznu vasa rectu (DVR), koja se povezuje s uzlaznom vasa recta (AVR) kroz kapilarne pleksuse. AVR i DVR rade protustrujno prema Henleovoj petlji i sudjeluju u medularnoj protustrujnoj izmjeni, koja je, kako je opisano kasnije, neophodna za održavanje gradijenta osmolarnosti za koncentraciju urina26. Na kraju, kortikalni i medularni kapilarni sustav zajedno s AVR spajaju se u venski sustav na kortikomedularnom spoju. Točnije, bubrežna venska vaskulatura drenira krv iz peritubularnih kapilara i AVR-a u interlobularne i arkuate vene, a zatim interlobarne vene, tvoreći konačno bubrežnu venu koja izlazi izbubreghiluma i konačno se grana u donju šuplju venu⁷.

Thebubregtakođer se opskrbljuje limfnim žilama, koje prate ukupnu topografijububregkrvne žile²⁷(slika 1a). Uglavnom su prisutni u korteksu bubrega gdje je njihova primarna uloga uklanjanje tekućine i makromolekula (kao što je albumin) iz intersticijalnog prostora između tubula i kapilara²⁸. Oni također imaju ulogu u infiltraciji imunoloških stanica i naknadnoj upali²⁹. U glomerulima okružuju Bowmanovu kapsulu bez prodiranja u glomerularni pramen²⁸. Nasuprot tome, tradicionalne limfne žile rijetko su prisutne u srži bubrega; u ovoj regiji intersticijsku tekućinu i makromolekule uklanja AVR, koji predstavlja vrstu hibridne krvne žile sa značajkama sličnim limfnim^28,30.

Fenotipovi endotelnih stanica bubrega

EK iz različitih organa su fenotipski heterogeni^3–6,31. Jedinstvena svojstva REC-a, a posebno glomerularnih EC-a, odavno su cijenjena. Globalno transkripcijsko profiliranje EC-a iz miševa potvrdilo je postojanje potpisa transkriptoma specifičnih za organe^3,4,6. Treba napomenuti da su ove studije pokazale da su REC-i najsličniji EC-ima iz drugih organa, uključujući mozak, srce, pluća, mišiće i testise⁴(Sl. 1b) putem njihove ekspresije gena povezanih s signalizacijom interferona, kao i gena koji kodiraju endokrine čimbenike FGF1 i IL-33 (ref.^4,6). Organski specifična heterogenost EC-a vjerojatno je u osnovi njihove molekularne prilagodbe za ispunjavanje specifičnih funkcionalnih uloga^3–6,31.

Međutim, heterogenost REC-a proteže se izvan organotipske razine, s nevjerojatnom raznolikošćububregvaskulaturu, kao što je u početku pokazano elektronskom mikroskopijom i studijama mikromreža, a zatim analizom pojedinačnih stanica^6,32,33. Thebubregkorteks, glomeruli i medula sadrže jedinstvene EC populacije (cRECs, gRECs, odnosno mRECs). Ova raznolikost u populacijama EZ-a mogla bi proizaći iz izloženosti različitim mikrookolišima ovih regija. Na primjer, glomerularni endotel je izložen visokom vaskularnom tlaku i tijesno djeluje s podocitima kako bi regulirao ultrafiltraciju, dok su mREC-i izloženi visokoj osmolarnosti i hipoksiji, koji su povezani s održavanjem gradijenta osmolarnosti i koncentracije u urinu^6,9,10,32(Slika 1c). Osim heterogenosti između odjeljaka, REC također pokazuju heterogenost unutar odjeljaka, što je vjerojatno određeno nizom genetskih i okolišnih čimbenika, uključujući vrstu vaskularnog sloja (arterijski, kapilarni, venski), njihove interakcije s drugim tipovima stanica (na primjer , glatke mišićne stanice, pericite, granularne stanice, podocite i epitelne stanice tubula) i njihovu izloženost različitim mikrookolišima unutar istog odjeljka, kao što je izloženost različitim vrstama protoka ili različitim razinama osmolarnosti34 (Slika 1c). Razvoj tehnologija jednostanične transkriptomije omogućio je mapiranje heterogenosti mišjih REC-ova u vrlo visokoj rezoluciji^6,10,11, otkrivajući do 24 transkripcijski različite REC populacije^6,10,11. Treba napomenuti da nalaze iz jednostaničnih RNA-seq studija sažetih u nastavku treba potvrditi na razini proteina, kako da se sveobuhvatno provjeri prostorna lokalizacija predviđenih proteina, tako i da se integrira znanje o post-translacijskim promjenama i/ili signalni mehanizmi koji mogu utjecati na aktivnost proteina. Također treba napomenuti činjenicu da relativno obogaćivanje gena unutar određene REC populacije kako je određeno jednostaničnim sekvenciranjem ne znači nužno da je ekspresija tog gena ograničena na tu specifičnu staničnu populaciju.

Heterogenost endotelnih stanica bubrega glomerula.Thebubregglomerulus je visoko specijalizirana struktura koja je odgovorna za filtraciju krvne plazme za stvaranje primarnog filtrata urina, a istovremeno osigurava zadržavanje bitnih proteina plazme u krvi. Sastoji se od glomerularnih kapilara koje se nalaze između aferentnih i eferentnih arteriola, koje su otporne žile koje kontroliraju kapilarni protok krvi i tlak. Arteriole nefrona su u djelomičnom kontaktu s jukstaglomerularnim aparatom (JGA) — specijaliziranom strukturom koja se sastoji od makule dense distalnog zavojitog tubula, zrnatih stanica koje proizvode renin koje su povezane s aferentnom arteriolom i ekstraglomerularnih mezangijskih stanica (Sl. 2a). JGA regulira GFR jednog nefrona i krvni tlak kroz tubuloglomerularnu povratnu spregu, miogeni odgovor i otpuštanje renina^19,35–37.

Endotel glomerularnih kapilara sastavljen je od jedinstvenih EC s nedijafragmiranim fenestracijama koje omogućuju filtraciju velikih količina tekućine38 (Slika 2b).

Fenestracije su veličine 50-100 nm i zauzimaju oko 20 posto stanične površine, a na elektronskoj mikroskopskoj slici pojavljuju se kao transcelularne rupe³⁸. Promjer ovih otvora je teoretski dovoljno velik da omogući prolaz tekućine i velikih proteina u tubule. Međutim, kapilarni gREC također proizvode debeli sloj glikokaliksa koji sadrži negativno nabijene glikoproteine ​​i polisaharide koji djeluju kao prepreka prolasku proteina^39,40. Štoviše, komponente plazme adsorbirane su u glikokaliksu i tvore širi sloj koji se naziva endotelni površinski sloj41, koji svojom filamentoznom strukturom dodatno pojačava permeselektivnost glomerularne endotelne barijere⁴². Zaista, albuminurija i proteinurija se opažaju nakon oštećenja glikokaliksa^39,43,44. Zajedno s podocitima, kapilarni gREC također sintetiziraju i dijele zajednički izvanstanični matriks poznat kao glomerularna bazalna membrana (GBM), koja se uglavnom sastoji od kolagena tipa IV, laminina i sulfatiranih proteoglikana42. Mutacije koje utječu na sintezu bilo koje komponente GBM dovode do proteinurije45,46. Stoga kapilarni gREC, podociti i GBM čine učinkovitu barijeru glomerularne filtracije. Važno je napomenuti da endotel glomerularnih kapilara nema dijafragmu i stoga ne eksprimira protein 1 (PV1) povezan s transmembranskim glikoproteinom plazmaleme vezikulama tipa II, koji je kodiran s Plvap10 i tipičan je marker fenestriranih EC-a povezanih s premošćujućim dijafragmama endotela fenestre i kaveole⁴⁷

Za razvoj i održavanje kapilarnih gREC fenestracija potreban je vaskularni endotelni faktor rasta (VEGF) izveden iz podocita, koji djeluje na parakrini način preko endotelnog VEGF receptora 2 (VEGFR2, također poznat kao KDR)⁴⁸. Prekomjerna ekspresija VEGF-a uzrokuje kolaps glomerula, brz gubitak kapilarnih gREC-ova i masivnu proteinuriju⁴⁹. Stoga je potrebna čvrsta regulacija VEGF podocita za uspostavljanje glomerularne vaskulature tijekom embrionalnog razvoja i za održavanje fenestracija u zrelim glomerularnim kapilarama^38,42. Slično tome, VEGF izveden iz tubularnih epitelnih stanica omogućuje održavanje peritubularne kapilarne mreže⁵⁰

Za razliku od drugih kapilarnih EC-a, gREC-i su izloženi visokom krvnom tlaku i velikom protoku krvi, što pokreće proces glomerularne filtracije i izlaže gREC-e značajnom smičnom naprezanju⁵¹. Sukladno tome, gREC izražavaju visoke razine transkripta Pi16 reguliranog naprezanjem na smicanje (ref.^6,10,11,52) (Slika 2c; Dodatna tablica 1). Kapilarni gREC također izražavaju niz drugih markera^10,11,32,53, uključujući Ehd3, koji kodira člana obitelji proteina EHD^{10,11,38,54,55}koji regulira endocitno recikliranje i smatra se da regulira recikliranje VEGFR2 u kapilarnim gREC-ovima (slika 2c), zajedno s EHD4 (ref. 54). Stoga bi EHD3 mogao pridonijeti održavanju glomerularnih kapilarnih fenestracija. Kapilarni gREC-ovi također pokazuju obogaćenu ekspresiju gena povezanih s TGF-BMP signalnim putem (Eng, Smad6, Smad7, Xiao i Hipk2 (refs 10,56-58)), koji je uključen u formiranje glomerularnih kapilara. Prekomjerna ekspresija TGF-a uzrokuje proteinuriju i glomerulosklerozu⁵⁹, a time i prisutnost inhibicijskih SMAD-ova, poput onih koje kodiraju Smad6 i Smad7 u gREC-ovima, može spriječiti pretjerano TGF signaliziranje i glomerularnu disfunkciju. Nasuprot tome, BMP koji potječe iz podocita ključan je za normalno stvaranje glomerularnih kapilara60. Kapilarni gREC također specifično izražavaju Nostrin³², čiji proteinski produkt veže endotelnu sintazu dušikovog oksida (eNOS) kako bi pokrenuo njezino premještanje iz plazma membrane u podstanične strukture nalik na vezikule i smanjuje proizvodnju dušikovog oksida (NO) — važnog regulatora GFR32. Štoviše, ograničena ekspresija lipoproteinske lipaze (Lpl) u kapilarnim gREC-ovima sugerira da bi glomerularni endotel mogao biti neophodan za otpuštanje masnih kiselina u ultrafiltrat, koje bi kasnije epitelne stanice tubula mogle koristiti kao izvor energije ili za regulaciju sadržaja lipida u krvi ili bi moglo pridonijeti nakupljanju glomerularnih lipida kao što je uočeno u patološkim kontekstima^6,10,61,62. Zanimljivo, bubrežna ekspresija gena uključenih u metabolizam lipida korelira s GFR-om i upalom u bolesnika sdijabetičarbubregbolest, dok neispravna oksidacija masnih kiselina (FAO) u tubularnim stanicama doprinosi razvojububregfibroza^61,62.

Transkripcijski faktori, kao što su SOX17 i COUP-TFII (kodirani s Nr2f2) u arterijskim i venskim REC-ovima, pokreću transkriptomske potpise i identitet specifičnih vaskularnih slojeva63,64. Identitet gREC-a oslanja se na aktivnost najmanje dva transkripcijska faktora: GATA5 i TBX3 (ref. 10, 11, 32) (Slika 2c), koji posreduju u stjecanju profila ekspresije gena sličnog gREC-u kada su prekomjerno eksprimirani zajedno u ljudskoj pupčanoj veni ECs (HUVECs), često korišteni EC model11. GATA5 regulon je reguliran prema gore u gREC-ovima, ali ne i u drugim REC populacijama^10,11a selektivna delecija Gata5 u EC uzrokuje glomerularne lezije65. Štoviše, EC-specifična delecija Tbx3 uzrokuje morfogene nedostatke kao što su mikroaneurizme u podskupovima glomerula, smanjeni broj kapilarnih gREC fenestracija i deformirani procesi stopala podocita, što ukazuje na ulogu ovog faktora transkripcije u održavanju strukturne organizacije glomerularnih kapilara¹¹. Osim toga, i GATA5 i TBX3 uključeni su u regulaciju krvnog tlaka. GATA5 utječe na tipičnu vaskularnu funkciju, protein kinazu A i NO signalne putove⁶⁵, dok se smatra da TBX3 modulira krvni tlak putem regulacije lučenja renina ububreg¹¹.

Regulacija vaskularnog tonusa aferentnih i eferentnih arteriola potrebna je za održavanje stalno visokog glomerularnog kapilarnog tlaka potrebnog za glomerularnu filtraciju¹⁸. Ovaj regulacijski proces omogućuje održavanje konstantne GFR unatoč promjenama u sustavnom tlaku i minutnom volumenu srca66. Aferentne arteriole imaju jedan do tri sloja vaskularnih glatkih mišićnih stanica (VSMC), koje su, u blizini JGA, djelomično zamijenjene granularnim stanicama koje proizvode renin67 (Slika 2d). Heterogenost EC također postoji unutar aferentne arteriole, s nedijafragmiranim fenestracijama endotela najbližim JGA68,69 — sličnim endotelu glomerularnih kapilara — vjerojatno radi olakšavanja brzog transporta renina u krv18 (Slika 2d). Ekspresija Gja5 (koji kodira koneksin 40), obogaćena je ovim podskupom gREC-ova^10,70i ima važnu ulogu u komunikaciji između endotela i granularnih stanica u JGA za regulaciju otpuštanja renina^35,70,71. Ovi EC su također obogaćeni drugim genima uključenim u međustaničnu interakciju, kao što su oni koji se odnose na signalne putove Wnt i Notch, Ephrin i citokine te kemokine (Sl. 2c), koji bi mogli posredovati u preslušavanju između mezangijalnih stanica i/ili ili zrnate stanice i gREC-ove u JGA, te potencijalno doprinose autoregulaciji i modulaciji krvnog tlaka¹⁰.

Nasuprot tome, gREC-ovi u uzvodnom (najdistalnijem) dijelu aferentnih arteriola izražavaju gene uključene u regulaciju benzina kao što su Edn1 (koji kodira endotelin 1), Alox12 (arahidonat 12-lipoksigenaza) i S1pr1 (sfingozin{{6 }}fosfatni receptor 1)^10,72,73(Slika 2c). Signalni put S1P–S1PR1 snažno regulira aferentni arteriolski benzin aktiviranjem sustava eNOS^74–76. U skladu s ovom ulogom, receptor S1P obogaćen je gREC-ovima u aferentnim arteriolama i ne detektira se u eferentnim arteriolama¹⁰.

Za razliku od gREC-ova u aferentnim arteriolama, gREC-ovi u eferentnim arteriolama pokazuju nižu ekspresiju koneksina77, posebno koneksina 37 i koneksina 40 (kodiranih s Gja4 odnosno Gja5)10. Međutim, slično EC-ima iz aferentnih arteriola, analize transkriptoma EC-a iz eferentnih arteriola ukazuju na prisutnost dviju gREC populacija: jedna vjerojatno povezana s JGA (koja eksprimira gene povezane s adhezijom i ekstravazacijom imunoloških stanica i propusnošću EC) i drugu koji odgovara distalnom dijelu eferentne arteriole (obogaćen genima uključenim u reakcije hiperosmolarnosti)10 (Slika 2c).

Ovi uvidi sugeriraju da je fenotipska i funkcionalna raznolikost gREC-ova temelj sposobnosti ovih endotela da održavaju GFR kroz aktivnu modulaciju glomerularnog protoka krvi i osiguravanjem učinkovitosti glomerularne filtracije. Kroz integraciju tubuloglomerularne povratne sprege i miogenih signala, gREC-ovi povezani s JGA, posebice, vjerojatno su kritični regulatori GFR-a.

Heterogenost kortikalnih endotelnih stanica bubrega.Uz glomerularni kapilarni endotel i preglomerularne i postglomerularne aferentne i eferentne arteriole,bubregKorteks sadrži limfne žile i velike arterije i vene zajedno s njima povezanim vasa vasora, postkapilarnim venulama i peritubularnim kapilarama. U skladu s njihovom ulogom u reapsorpciji i izlučivanju otopljenih tvari, iona i vode, kortikalne peritubularne kapilare su kapilare tankih stijenki koje sadrže EC koje su funkcionalno povezane s tubularnim epitelom9 (Slika 3a). U usporedbi s gREC-ima i mREC-ima, cREC-ovi — posebice peritubularni kapilarni EC-i — izražavaju visoke razine Igfbp3 (kodiraju protein 3 koji veže faktor rasta sličan inzulinu) i Npr3 (kodira receptor za natriuretski peptid 3)10,11 (Slika 3b) .

Kortikalne peritubularne kapilare proizlaze iz eferentnih arteriola i okružuju proksimalne i distalne zavojite tubule (Slika 3a), opskrbljujući kisikom i hranjivim tvarima te pridonoseći unosu otopljenih tvari i reapsorpciji vode iz lumena tubula⁹. Za razliku od glomerularnih kapilara, peritubularne kapilarne EC eksprimiraju Plvap, čiji proteinski produkt (PV1) obuhvaća peritubularne kapilarne EC fenestre. Ove dijafragmirane fenestre su 62-68 nm u promjeru i vjerojatno olakšavajuizmjena vode, iona i malih otopljenih tvari s proksimalnim i distalnim tubulima9,10

Glomeruli filtriraju približno 180 g glukoze dnevno78 i pod fiziološkim uvjetima, gotovo sva se reapsorbira u proksimalnim tubulima. Filtrirana glukoza prvo se reapsorbira iz lumena proksimalnih tubula unutar epitelnih stanica preko kotransportera natrij-glukoza (SGLT). Nakon što unutarstanična koncentracija glukoze premaši onu u intersticiju, ona difundira u intersticijski prostor kroz specifične olakšane transportere glukoze (GLUT), odakle se ponovno apsorbira u krvotok79. U skladu s njihovom ulogom u ovom procesu, peritubularni kapilarni EC izražavaju više razine Slc2a1 (koji kodira GLUT1) nego EC drugih bubrežnih vaskularnih slojeva11 (Slika 3b), što sugerira da bi reapsorpciju glukoze mogao olakšati GLUT1 u peritubularnim kapilarnim EC.

Kortikalne peritubularne kapilare uključuju dvije EC populacije - onu koja izražava visoke razine Apoe (kodirajući apolipoprotein E) i onu koja izražava malo ili nimalo Apoe10 (Slika 3b). Populacija s visokom Apoe pokazuje obogaćenu ekspresiju drugih gena povezanih s metabolizmom lipida kao što su Plpp3 i Thrsp10,80,81. Nasuprot tome, Apoe-low populacija eksprimira gene koji kodiraju VEGF receptore (Kdr, Flt1 i Nrp1, koji kodiraju VEGFR2, VEGFR1 i neuropilin 1, respektivno), proteine ​​koji vežu faktor rasta sličan inzulinu i receptor (Igfbp5, Igfbp3 i Insr) i Npr3, koji kodira receptor za natriuretski peptid, koji regulira volumen krvi i izlučivanje natrija10,82-85. Postoje li ove dvije EC populacije u odvojenim kapilarama koje su u interakciji s proksimalnim uvijenim tubulima ili distalnim tubulima, ili postoje li u istim kapilarama, trenutno nije poznato.

Iznenađujuće, dvije dodatne kapilarne EC populacije također su opisane u mišjem bubrežnom korteksu — populacija EC slična angiogenici i populacija koju karakterizira ekspresija gena stimuliranih interferonom i gena uključenih u procesiranje i prezentaciju antigena10 (Slika 3b) . EC-ovi slični angiogenima mogu imati ulogu u regeneraciji oštećenih REC-ova, dok EC-i aktivirani interferonom mogu sudjelovati u imunološkom nadzoru, iako su potrebne daljnje studije kako bi se istražile te mogućnosti10.

cREC-ove u velikim arterijama karakterizira ekspresija gena arterijskog transkripcijskog faktora Sox17 i gena za usko spajanje Cldn5 (claudin 5), dok su cREC-ovi u velikim venama karakterizirani ekspresijom transkripcijskog faktora Nr2f2 (COUP-TFII) i fenestracijski biljeg Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(Slika 3b).

Arterijski cREC eksprimiraju gen koji kodira semaforin Sema3g, koji ima autokrine i parakrine učinke na ECs odnosno VSMCs, gene Gja4 i Gja5 koji kodiraju koneksin, koji su komponente mioendotelnih spojeva, i člana obitelji Notch Jag1 (refs6,10, 11,87–90) (sl. 3b). Velike arterije izložene su visokom krvnom tlaku i njihov se vaskularni tonus modulira kao odgovor na promjene krvnog tlaka. Njihova sposobnost da reagiraju na mehaničke signale omogućena je prisutnošću elastičnog sloja u tunici mediji koji je bogat elastičnim vlaknima^9,91i putem ekspresije gena povezanih sa sastavljanjem elastičnih vlakana kao što su Eln (elastin), Ltbp4 (faktor rasta latentne transformacije- -vezujući protein 4), Fbln5 (fibulin 5) i Bmp4 (refs6,10,11,92 –95). Oni također izražavaju visoke razine Mgp (matrični Gla protein)6,10, koji potiskuje vaskularnu kalcifikaciju vjerojatno putem inhibicije BMP2 i BMP4 signalizacije96. U skladu s njihovom ulogom u regulaciji bubrežnog protoka krvi, cREC-ovi velikih arterija također izražavaju gene koji su odgovorni za regulaciju benzina kao što su Ace, Edn1 i S1pr1 (refs 6,10,97-99) (Slika 3b).

Isporuku kisika i hranjivih tvari te uklanjanje otpadnih proizvoda koji se oslobađaju unutar vaskularne stijenke velikih arterija i vena olakšava vasa vasora100. Vasa vasora REC nisu identificirani u objavljenim studijama mišjih jednostaničnih REC, vjerojatno zato što su žile s promjerom lumena od<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Provođenje takvih studija na većim životinjama ili ljudima, koji imaju veće bubrežne žile, može povećati vjerojatnost hvatanja vasa vasora REC-a. Trenutno nema opisanih markera za REC izvedene iz vasa vasora.

Osim krvožilnog sustava, bubrežni korteks također sadrži dva niza bubrežnih limfnih žila. Oba potječu kao slijepo završene kapilare u bubrežnom režnjuku odakle jedan niz prati arterije prema hilumu kako bi povezao hilarni i kapsularni sustav, a drugi prodire kroz kapsulu kako bi se spojio s kapsularnim limfnim žilama28,101 (Slika 1a). Limfne kapilare bubrega mogu se razlikovati od kapilara krvnih žila jer su uglavnom prisutne u intersticiju, imaju slijepe krajeve i nemaju pericite^28,29. Bubrežne limfne kapilare sastoje se od jednoslojnih LEC-ova u obliku 'hrastova lista' koji se djelomično preklapaju28,29, koji se mogu razlikovati od BEC-a po ekspresiji nekoliko markera⁶, od kojih su najpoznatiji Pdpn (podoplanin)102, gen koji kodira hijaluronanski receptor Lyve1 (ref. 103), Flt4 (koji kodira VEGFR3)104 i gen Prox1 za faktor transkripcije (ref. 105) (Slika 3b) . Iako su ovi markeri eksprimirani i u drugim vrstama stanica, mogu se koristiti za razlikovanje dva glavna tipa EC29. U ljudskombubreg, podoplanin je opisan kao najpouzdaniji marker LEC-a^28,29. Ipak, ni jedno od njih dvoje nije poznatobubregLEC populacije identificirane su u objavljenim jednostaničnim RNA-seq studijama^6,10,11, vjerojatno zbog njihovog gubitka tijekom tehničkih koraka obrade (na primjer, tijekom enzimske probave ili EC pročišćavanja), i/ili zato što predstavljaju premalu frakciju EC u usporedbi s populacijom bubrežnih BEC. Stoga su potrebna daljnja istraživanja kako bi se karakterizirala heterogenost bubrežnog limfnog endotela.

Heterogenost endotelnih stanica medularnog bubrega.Primarna uloga bubrežne srži je koncentracija urina⁹. Anatomski raspored vasa recta i slaba prokrvljenost bubrežne srži (10 posto ukupnog bubrežnog krvotoka9 ), sprječavaju ispiranje otopljenih tvari, kao što su urea i NaCl, stvarajući gradijent osmolarnosti od vanjske srži do bubrežne papile , koji je bitan za koncentraciju urina26,106. Ovaj gradijent varira ovisno o statusu hidratacije106.

Endotel bubrežne medule karakterizira ekspresija Igfbp7 (refs 10,11), urinarnog markerabubregozljeda koja predviđa oporavak bubrega nakon akutne ozljede bubrega (AKI)107, i Cd36 (ref. 10,32), koji kodira receptor za sakupljanje koji je odgovoran za unos dugolančanih masnih kiselina iz cirkulacije108 (Slika 3c). Stoga se lipidi mogu kretati na CD36-ovisan način kroz medularni endotel do medularnih intersticijskih stanica, populacije stanica sličnih fibroblastima koju karakteriziraju kapljice lipida, čija je količina u korelaciji sa stanjem diureze109. Delecija Cd36 kod miševa povezana je s povećanim rizikom od spontane hipertenzije ovisnim o bubrezima^10,110, ali je oslabio razvojbubregfibroze kao odgovor na prehranu bogatu masnoćama111 (Slika 3c), što ukazuje na zaštitnu i patološku ulogu transporta lipida u tim procesima.

Poput kortikalnog i glomerularnog endotela, endotel bubrežne srži pokazuje veliku heterogenost unutar odjeljaka^10,11. DVR su žile slične arterijama koje se sastoje od kontinuiranog endotela okruženog pericitima sličnim glatkim mišićima ili VSMC-ima koji reagiraju na vazoaktivne podražaje za kontrolu protoka krvi u srži bubrega. U skladu sa svojim fenotipom sličnim arteriolama, DVR EC eksprimiraju Sox17 (refs10,55), Cldn5 (refs10,55,86,112), Fbln5, Gja4 i Cxcl12 (CXCL12, također poznat kao SDF1 — protein kemokin koji djeluje kao ligand za CXCR4 i CXCR7 koje izražavaju VSMC i periciti)^10,63,113. DVR EC također izražavaju Slc14a1 i Aqp1 koji kodiraju transporter uree B (UTB)^10,11,112i vodeni kanal akvaporin 1 (ref^10,11,55), a oba su potrebna za koncentraciju urina114,115 (Sl. 3c,d). Ovi EC također eksprimiraju Scin, koji kodira pepeo u — proteinu koji veže akvaporin 2 u multiproteinskom kompleksu u epitelnim stanicama sabirnih kanalića, vjerojatno kako bi se olakšala trgovina akvaporinom 2116. Zajednička ekspresija Aqp1 i Scin u DVR EC sugerira sličnu interakciju u medularnom endotelu¹⁰.

Gradijent osmolarnosti uspostavlja neprijateljsko okruženje za stanice bubrežne srži, posebno za one u bubrežnoj papili, gdje je osmolarnost najveća (što odgovara stanju fiziološke hiperosmolarnosti u kojoj je osmolarnost viša nego u sistemskoj plazmi)117. Mišji DVR EC mogu se podijeliti u dva glavna fenotipa prema njihovoj lokaciji u bubrežnoj papili ili u vanjskoj ili unutarnjoj srži10, a razlikuju se po ekspresiji gena induciranih hiperosmolarnošću i gena za regulaciju vazotona10 (Slika 3c). DVR EC bubrežne papile izražavaju gene koji reagiraju na hiperosmolarnost, uključujući ciljne gene faktora transkripcije NFAT5 induciranog hiperosmolarnošću, kao što su S100a4 i S100a6 (refs10,118), dok DVR EC iz unutarnje i vanjske medule pokazuju obogaćenu ekspresiju Hpgd, koji kodira glavni enzim uključen u katabolizam vazoaktivnih prostaglandina, Edn1, koji kodira vazokonstriktor endotelin 1, i Adipor2, koji kodira receptor za adiponektin koji izaziva vazodilatatorske učinke119,120 (Slika 3c). Ovaj obrazac ekspresije u skladu je s izraženijom prisutnošću pericita sličnih glatkim mišićima u vanjskom medularnom dijelu DVR-a i stoga većom osjetljivošću ove regije na vazoaktivne čimbenike, u usporedbi s nižim dijelovima DVR-a9,121.

Za razliku od DVR-a, AVR su fenestrirane žile nalik venama (slika 3d). Te žile reapsorbiraju vodu iz medularnog intersticija bubrega koja se nakuplja tijekom koncentracije urina putem sabirnih kanala, Henleove petlje i DVR-a, skupljajući je natrag u opću cirkulaciju na način sličan funkciji limfnih žila30. U skladu s ovom ulogom, AVR EC eksprimiraju faktor venske transkripcije Nr2f2 (refs10,11,64) i Plvap — vjerojatno kako bi održali svoju ulogu u reapsorpciji vode^10,11,47,122(Slika 3c). AVR EC također izražavaju Tek, kodirajući angiopoetin Tie2 receptor, koji je neophodan za formiranje AVR tijekom razvoja. Brisanje Tek u miševa izaziva brzo nakupljanje tekućine i cista u medularnom intersticiju i gubitak medularnih vaskularnih snopova i rezultira smanjenom sposobnošću koncentriranja urina³⁰.

Slično DVR-u, AVR se može podijeliti u dvije transkriptomski različite EC populacije smještene u papili te u vanjskoj i unutarnjoj meduli. One u papili karakterizirane su ekspresijom gena koji reagiraju na hiperosmolarnost (Cryab, Fxyd2 i Cd9 (refs10,123,124)), glikolitičkih gena (Ldha, Aldoa i Gapdh10,125,126) i Car2, koji kodira enzim karboanhidrazu 2 , čija odsutnost smanjuje koncentraciju urina i izaziva poliuriju u miševa127 (Slika 3c). Papilarni AVR EC specifično eksprimiraju Na plus /K plus ATPazni gen koji kodira podjedinicu Fxyd2, dok je alternativni gen koji kodira podjedinicu Fxyd6 reguliran prema gore u AVR EC u vanjskoj i unutarnjoj meduli¹⁰ (Slika 3c).

Papilarni dijelovi AVR i DVR pokazuju različite profile ekspresije gena, ali dijele ekspresiju nekoliko gena koji reagiraju na hiperosmolarnost, uključujući Akr1b3, koji kodira aldoza reduktazu — enzim poliolnog puta koji ograničava brzinu i koji je odgovoran za konverziju glukoze u sorbitol, inertni organski osmolit koji je važan za održavanje volumena stanice u uvjetima hiperosmolarnosti117. Oni također izražavaju S100a6, kao i druge gene — kao što je Fxyd5 (koji kodira još jednu podjedinicu Na plus /K plus ATPaze), Nrgn (koji kodira protein neurogranin koji veže kalmodulin) i Crip1 (koji kodira protein 1 bogat cisteinom) 10,118 — koji bi potencijalno mogli biti povezani s hiperosmotskim okruženjem (Slika 3c).

Bubrežni medularni kapilarni pleksus, koji povezuje DVR i AVR (Sl. 3a), karakterizira Plvap-pozitivan fenestrirani endotel i obogaćena endotelna ekspresija gena koji kodiraju VEGF receptore, kao što su Kdr, Flt1 i Nrp1, također kao geni uključeni u transport i metabolizam masnih kiselina (Cd36 i Plpp3)10 (slika 3c). mREC također uključuje EC iz postkapilarnih venula, kao i angiogene i interferonom aktivirane EC populacije, slične kapilarama bubrežnog korteksa10.

REC heterogenost i bolest bubrega

U fiziološkim uvjetima, endotel je u stanju mirovanja — stanje koje se velikim dijelom održava putem S-nitrozilacije proteina i transkripcijskih faktora NO128,129 izvedenim iz eNOS-a. Sama aktivnost eNOS-a regulirana je smičnim naprezanjem¹³⁰i unutarstanični metaboliti, kao što je eNOS supstrat, l-arginin, i njegov kofaktor, tetrahidrobiopterin¹³¹. Pod posebnim uvjetima - na primjer, kao odgovor na infekciju - ovo stanje mirovanja može se isključiti, potičući aktivaciju EC-a i regrutiranje imunoloških stanica. Redox signalizacija, a posebno odvajanje enzima eNOS što rezultira proizvodnjom superoksida umjesto NO, ključna je za ovaj proces aktivacije. Odvajanje eNOS-a pokreće kaskadu koja dovodi do remodeliranja površinskog sloja endotela i potiče ekspresiju receptora koji mogu komunicirati s trombocitima i imunološkim stanicama¹³². Iako endotelna aktivacija čini dio obrambenog sustava domaćina, ovaj molekularni mehanizam može se neprikladno aktivirati u bolesnim stanjima kao što je autoimuna bolest ili u okruženju kardiovaskularnih čimbenika rizika ili infekcije. Treba napomenuti da postoji heterogenost u odgovoru REC-a na štetne signale¹³³. Na primjer, u atipičnom hemolitičkom uremijskom sindromu, mutacije u komplementarnom inhibitornom faktoru H povezane su sa smanjenim vezanjem faktora H na glomerularni endotelni heparan sulfat134, čime se inducira glomerularna trombotička mikroangiopatija. Drugi primjer je kronično humoralno odbacivanje alografta u kojem se čini da su peritubularne kapilare primarni cilj ozljede¹³⁵; povezani gubitak peritubularne kapilarne mreže predviđa pojavububregkvar136. U kontekstu pandemije COVID-19, važno je napomenuti da se AKI često opaža kod pacijenata s teškom bolešću (pogađa do 50 posto pacijenata u jedinicama intenzivne njege)¹³⁷, kod kojih rasprostranjena disfunkcija EC-a može potaknuti eskalaciju bolesti kao rezultat vaskularnog curenja, koagulopatije i pogoršane upale^138,139.

Uz heterogenost u odgovoru endotelne aktivacije, odgovor REC-a na okolišne znakove iz cirkulacije može biti specifičan za mjesto. Na primjer, gREC-ovi pacijenata s dijabetes melitusom tipa 1 pokazuju nereguliran angiogenetski odgovor koji rezultira rastom glomerula i sekundarnom podocitopatijom^140,141. Kod ishemijske ozljede — posebno u peritubularnim kapilarama — aktivacija endotela i skidanje EC rezultiraju takozvanim fenomenom 'no-reflow', pri čemu se perfuzija ne uspostavlja čak ni nakon ponovnog uspostavljanja prohodnosti, što dovodi do ozljede tubularnih epitelnih stanica i AKI.¹⁴². O kliničkoj patologiji izazvanoj REC aktivacijom raspravlja se detaljno drugdje.

Pojava tehnika visoke razlučivosti kao što je jednostanična RNA-seq pružila je nove uvide u molekularnu regulaciju endotelne fenotipske heterogenosti i procese uključene ububregozljeda. Niz studija u proteklih nekoliko godina, iz naše grupe i drugih, unaprijedilo je koncept da je heterogenost endotela međusobno povezana s unutarstaničnim metabolizmom^{3,6,10,143–145}. Kao što je opisano u nastavku, različita mikrookruženja kojima su REC-i izloženi pomažu uspostaviti njihovu fenotipsku raznolikost i metaboličku specijalizaciju.

Metabolička specijalizacija REC-a

EC pokazuju aktivan metabolizam čak i kada miruju kako bi održali procese kao što su proizvodnja energije, sinteza biomase i redoks homeostaza, koji su neophodni za održavanje integriteta vaskularne barijere, vazoregulacijske funkcije, transporta otopljenih tvari i inhibicije tromboze i vaskularne upale. Na primjer, mirne EC održavaju visoke razine FAO, što pomaže u održavanju integriteta vaskularne barijere dijelom kroz regeneraciju NADPH, koji pruža zaštitu od reaktivnih kisikovih vrsta (ROS)146. U skladu s ovom ulogom, inhibicija FAO u EC povećava oksidativni stres, propusnost endotelne barijere, infiltraciju leukocita146 i prijelaz endotela u mezenhim¹⁴⁷, što sugerira da je FAO potreban za održavanje endotelne funkcije i fenotipa. REC pokazuju različite metaboličke profile i transkriptome za EC izolirane iz drugih organa kod miševa^3,6. Osobito ih karakterizira pojačana regulacija gena uključenih u biosintezu aminokiselina i pirimidina, kao i metabolizam glukoze⁶. Štoviše, neki metabolički geni su selektivno obogaćeni arterijskim, kapilarnim ili venskim EC, što ukazuje na metaboličku heterogenost unutar organa⁶. Kao što je objašnjeno u nastavku, različiti uvjeti mikrookoliša kojima su izložene različite REC populacije također mogu utjecati na njihove metaboličke profile i podržati REC fenotipsku heterogenost kao i njihov odgovor na podražaje bolesti.

REC reagira na promjene u napetosti kisika

Iakobubregasu najprokrvljeniji organi u tijelu, manje od 10 posto cirkulirajućeg kisika troši se tijekom prolaska krvi krozbubrega¹⁴⁸. Thebubregmedula je izložena niskoj napetosti kisika, s pO2 od 10-20 mmHg (hipoksija) u usporedbi s 50 mmHg u korteksu bubrega117 (Slika 4a). Gradijent kisika koji prati kortikopapilarnu os posljedica je nekoliko čimbenika, uključujući arteriovenski šant kisika koji je rezultat paralelnog rasporeda AVR i DVR u meduli, ograničenog protoka krvi u i unutar medule kako bi se smanjilo ispiranje otopljenih tvari. , i korištenje oksidativne fosforilacije za proizvodnju visokih razina energije potrebne za Na plus /K plus ATPazu za reapsorpciju Na plus i omogućavanje pravilnog funkcioniranja drugih prijenosnika otopljenih tvari na staničnoj membrani117. Stoga je hipoksija svojstvena mehanizmu koncentracije urina u meduli^10,117.

Također je potrebno za odgovarajućebubregrazvoj149. Međutim, hipoksija može biti štetna i smatra se glavnim uzrokom AKI150 i čimbenikom rizika za kroničnu bubrežnu bolest (CKD)151 (Slika 4a). Hipoksija bubrega može biti posljedica ishemijskih događaja, kao što se može dogoditi tijekom transplantacije bubrega ili kao rezultat abnormalne bubrežne perfuzije zbog prorijeđenja peritubularnih kapilara, ozljede glomerula, ateroskleroze, disregulacije arterijskog vaskularnog tonusa, anemije i poremećene difuzije kisika zbog fibroze152 ( Slika 4a). Unutar krvožilnog sustava, kratkotrajna izloženost hipoksiji uzrokuje reverzibilnu modulaciju vaskularnog tonusa i protoka krvi, dok dugotrajna izloženost rezultira nepovratnim remodeliranjem vaskulature i okolnih tkiva s proliferacijom VSMC i fibrozom¹⁵³. Stanični odgovor na hipoksiju ovisi o inaktivaciji oksigenaza ovisnih o Fe2 plus i oksigenaza ovisnih o 2-oksoglutaratu (2-OG)152, te naknadnoj aktivaciji faktora transkripcije induciranog hipoksijom (HIF) ovisnog i Putevi neovisni o HIF-u. Izloženost hipoksiji izaziva aktivaciju i HIF1 i HIF2 u ECs154 (slika 4b). ububreg, REC-ovi široko izražavaju HIF2 nakon hipoksije, dok je ekspresija proteina HIF1 ograničena na mREC-ove u papilama155-157, gdje vjerojatno stimulira glikolizu (Sl. 4b). Aktivacija HIF2 u REC-ima, općenito, posreduje u zaštiti i oporavku od ishemijske ozljede bubrega promicanjem eritropoeze i suzbijanjem upale bubrega, prorjeđivanja kapilara i fibroze156 (Slika 4b). Izloženost REC hipoksiji u kontekstububregbolest stoga može izazvati različite odgovore u gREC-ovima i cREC-ovima nego u mREC-ovima. Na primjer, hipoksija potiče proliferaciju i migraciju uzgojenih EC-a ovisnu o HIF1 -158,159; međutim, u nekonfluentnim uvjetima, uzgojeni gREC-ovi prolaze kroz apoptozu ovisnu o mitohondrijima nakon izlaganja hipoksiji155,160,161, što ukazuje na neprilagodbu gREC-ova na hipoksiju. Iako se čini da su gREC-ovi prilično otporni na hipoksiju in vivo, vjerojatno zahvaljujući parakrinom učinku VEGF161 izvedenog iz podocita, hipoksija može izazvati progresivni gubitak proteina uskog spoja okludina i ZO-1 u gREC-ovima u HIF-u{{ 11}}ovisan način, u konačnici povećavajući propusnost endotelne barijere162. Malo se zna o odgovoru mREC-a na hipoksiju. Posebno su mREC-ovi u AVR-u i DVR-u izloženi niskoj napetosti kisika u papili u fiziološkim uvjetima, a Epas1 regulon (koji kodira HIF2) je pojačano reguliran u mREC-ima nakon nedostatka vode, vjerojatno kao odgovor na povećanje hipoksije potaknuto proces koncentracije urina¹⁰.

Metabolička prilagodba EC-a na promjene u napetosti kisika.Pod normoksičnim uvjetima, EC se primarno oslanjaju na glikolizu za proizvodnju ATP-a, a ne na mitohondrijsku oksidativnu fosforilaciju163. Kao odgovor na hipoksiju, ti se metabolički odgovori pogoršavaju, s daljnjim pojačanjem glikolize i supresijom mitohondrijske respiracije (Slika 4b), što objašnjava zašto su ECs otporne na hipoksiju sve dok je glukoza dostupna164. Nakon izlaganja akutnoj hipoksiji kao što je ishemijski događaj, EC pokazuju brzi porast mitohondrijskih i/ili NAD(P)H oksidaza izvedenih ROS, što stabilizira HIF1 i omogućuje veći glikolitički tok164 — odgovore koji su u skladu s HIF{{6 }}inducirana pojačana regulacija metabolizma glukoze i smanjena regulacija aktivnosti mitohondrija^164,165 (Slika 4b). Štoviše, analize metaboličkih puteva EC-a izloženih kroničnoj hipoksiji, kao što se može dogoditi u meduli ili u kontekstu CKD-a, otkrile su HIF2 -ovisnu regulaciju glikolitičkih gena¹⁶⁶. Zanimljivo je da su neki glikolitički geni kao što su Eno1 i Aldoa, koji kodiraju enzime enolazu 1 i aldolazu A koji su neophodni za proizvodnju ATP-a i piruvata iz glukoze, bili regulirani u većoj mjeri u mREC nego u cREC i gRECs10. Točnije, mREC-ovi iz papilarnog dijela AVR-a — to jest dijela bubrežnog vaskularnog sloja koji je najviše izložen hipoksiji — pokazali su najveću ekspresiju glikolitičkih gena Aldoa, Ldha i Gapdh među svim mREC-ovima u miševa10. Prema tome, papilarni mREC-ovi mogu pokazati veći anaerobni glikolitički tok od ostalih REC-ova kao rezultat njihove hipoksične mikrookruženja. Slično tome, epitelne stanice medule imaju veći kapacitet za anaerobnu glikolitičku proizvodnju ATP-a nego proksimalne tubularne stanice¹¹⁷. mREC također pojačavaju nekoliko glikolitičkih gena nakon nedostatka vode, istodobno s gore spomenutom povećanom aktivnošću HIF2¹⁰.

U EC-ima, HIF2 je djelomično reguliran prema gore nakon aktivacije mitohondrijskog NAD plus-ovisnog deacetilaze sirtuina 3 (SIRT3) (ref. 167) (Slika 4b). Gubitak SIRT3 narušava hipoksičnu signalizaciju u EC-ima i rezultira neispravnom angiogenezom i mikrovaskularnom disfunkcijom, sekundarno zbog metaboličkog prijelaza s glikolize neovisne o kisiku na mitohondrijsko disanje. Ova metabolička promjena povezana je sa smanjenjem ekspresije 6-fosfofrukto-2-kinaze (PFKFB3), enzima koji djeluje kao pozitivan regulator glikolize i stvaranja ROS-a¹⁶⁷(Slika 4b). Nakon hipoksije, SIRT3 pojačava mitohondrijske antioksidativne enzime na način koji ovisi o FOXO3 (ref.¹⁶⁸) — faktor transkripcije koji također regulira HIF1¹⁶⁹ (Slika 4b). Zanimljivo je da je antioksidativni put SIRT3–FOXO3 operativan u gREC-ovima, sprječavajući prijelaz endotela u mezenhim ibubregfibroza u životinjskom modelu hipertenzije izazvane angiotenzinom-II¹⁷⁰(Slika 4b). Farmakološki pristupi koji povećavaju SIRT3 također ograničavaju AKI izazvanu cisplatinom štiteći od tubularne ozljede i poboljšavajućibubregfunkcija¹⁷¹. Nasuprot tome, Sirt3-nokautirani miševi pokazuju ozbiljniji AKI, iako doprinos REC-ova tim učincima nije utvrđen¹⁷¹. Je li ovaj antioksidativni put SIRT3–FOXO3 također uključen u fiziološki odgovor mREC-a na hipoksiju u meduli, tek treba utvrditi.

Na metabolizam masnih kiselina također utječe dostupnost kisika, budući da hipoksija izaziva povećanje ekspresije i aktivnosti sintaze masnih kiselina (FAS), ključnog enzima koji kontrolira brzinu u putu biosinteze masnih kiselina, što rezultira smanjenjem malonila. -CoA skup i povećanje razine palmitata u ECs172 (slika 4b). U ljudskim plućnim arterijskim EC-ima, inhibicija FAS-a dovodi do oštećenja stabilizacije HIF1 i naknadnih HIF{5}}posredovanih promjena u transportu glukoze i metabolizmu te do obnove funkcije eNOS, što sugerira da bi inhibicija sinteze masnih kiselina mogla biti korisna. za funkciju EC u hipoksiji¹⁷²(Slika 4b). ububreg, Fans — koji kodira FAS — bio je reguliran prema gore u eksperimentalnom modelu kroničnog zatajenja bubrega i pridonio je hipertrigliceridemiji¹⁷³. Pojačana regulacija fanova i drugih gena koji reagiraju na hipoksiju također je primijećena ububregkorteks mišjeg modela anemije srpastih stanica koji je pokazao progresivno oštećenje glomerula i tubula¹⁷⁴. Promijenjeni metabolizam lipida karakteristika je proteinurijske kronične bubrežne bolesti, a i klinički i eksperimentalni dokazi podupiru ideju da bi promijenjeni metabolizam lipida mogao pridonijeti patogenezi i napredovanju bolesti bubrega.¹⁷⁵. Unatoč tome, uloga REC-a u nereguliranom metabolizmu masnih kiselina u kontekstububregbolestostaje da se dodatno razjasni.

Hipoksija također inducira regulaciju arginaze II na način koji ovisi o aktivaciji HIF2¹⁷⁶ili HIF1¹⁷⁷, i smanjuje sintezu i transport svog supstrata, arginina, u EC^178,179(Slika 4b). Arginaza II je metaloenzim koji je posebno izražen ububregate katalizira hidrolizu l-arginina u ureu i l-ornitin. Povećanje aktivnosti arginaze II smanjuje bioraspoloživost arginina, što prigušuje aktivnost eNOS-a, smanjujući endotelnu proizvodnju NO i pokrećući odvajanje eNOS-a, što u konačnici dovodi do proizvodnje ROS-a i nitrozativnog stresa¹⁷⁶. Ovi su koraci ključni u promicanju endotelne disfunkcije, dijabetičke bolesti bubrega ibubregupala u kontekstu pretilosti uzrokovane prehranom^180,181. U fiziološkim uvjetima, arginaza II se uglavnom eksprimira u vanjskoj meduli, što sugerira da se ova metabolička prilagodba vjerojatno ne događa u mREC-ovima koji su najviše izloženi hipoksiji¹⁸¹.

Konačno, izloženost papilarnih mREC-ova akutnoj hipoksiji izaziva otpuštanje purina i ATP-a, zajedno s UTP-om i UDP-om, u izvanstaničnom prostoru^182–184. ATP aktivira endotelne P2Y receptore, što rezultira proizvodnjom NO, vazodilatacijom i povećanom perfuzijom tkiva¹⁸⁵. ATP također stvara adenozin nakon metabolizma ATP-a pomoću ektoenzima^185,186. Važno je da hipoksija pokreće HIF2 -ovisnu regulaciju adenozinskog A2a receptora (kodiran ADORA2A) u EC-ima^187,188, čija aktivacija povećava sintezu proteina HIF1, dodatno potičući ekspresiju glikolitičkog gena i glikolitički tok¹⁸⁷(Slika 4b). U većini slučajeva, aktivacija A2a i A2b receptora izraženih pomoću EC i VSMC posreduje u vazodilatacijskim učincima adenozina koji se oslobađa tijekom hipoksije185. ububreg, različiti adenozinski receptori prisutni su u različitim dijelovima vaskulature¹⁸⁹, a izvanstanični ATP i adenozin imaju ključnu ulogu u regulaciji bubrežne hemodinamike i mikrocirkulacije^185,190. U meduli, adenozin se proizvodi u medularnom debelom uzlaznom kraku Henleove petlje (TALH) nakon oksidativnog stresa¹⁹¹i djeluje kao vazodilatator, potičući povećanje medularnog protoka krvi putem mehanizma koji može uključivati ​​DVR mREC¹⁹². Međutim, suprotno svojim učincima u većini drugih krvnih žila, aktivacija A2a receptora posredovana adenozinom, koji su posebno izraženi u aferentnim arteriolama, izaziva vazokonstrikciju bubrežne vaskulature, čime potencijalno utječe na bubrežni protok krvi i glomerularnu filtraciju^185,193. Treba napomenuti da je identificirana uloga purinergičkih receptora u progresiji CKD¹⁹⁴.