Dio 2. 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

Kliknite ovdje za 1. dio

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 kontekstububregozljedai bolesti, dijelom kao rezultat promjena u mikrookolišu.

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

Cistanche tubulosa sprječava bolesti bubrega, kliknite ovdje za uzorak

Reakcije REC-a na promjene u smičnom naprezanju EC-i su stalno izloženi sili rastezanja izazvanoj pulsatilnošću protoka krvi i silom trenja paralelnom sa stijenkom krvnog suda, smičnim naprezanjem tekućine¹⁹⁵. Te su stanice opremljene da osjete te sile i da ih pretvore u biokemijske signale koji mogu utjecati na homeostazu krvnih žila reguliranjem vaskularnog tonusa i remodeliranja EC, što prilagođava protok krvi kako bi se zadovoljile potrebe tkiva195. Zanimljivo je da su EC iz različitih dijelova vaskularnog korita izloženi određenim vrstama protoka i reagiraju u skladu s tim195 (Slika 5a). U arterijama i arteriolama protok krvi je izrazito pulsirajući, dok je u kapilarama slične veličine, ali manje pulsirajući, au venulama i venama protok krvi je oko tri puta do deset puta manji, a pulsacija je minimalna195. ububreg, the vasculature of the cortex receives >94 posto bubrežnog krvotoka¹⁹⁶što sugerira da je medularna vaskulatura izložena okolini s relativno niskim smičnim stresom. Nasuprot tome, gREC-ovi su izloženi relativno visokom okruženju smičnog naprezanja (procjenjuje se od 1dyn/cm2 do čak 95dyn/cm2), kao rezultat visokog protoka krvi i tlaka u kombinaciji s povećanom viskoznošću krvi kao rezultatom filtracije. proces197 (sl. 5b). Izlaganje gREC-a stresu smicanja je kritično budući da sprječava agregaciju trombocita, djelomično induciranjem konformacijskog odvijanja krvnog glikoproteinskog faktora von Willebrand (vWF) koji povećava njegovu osjetljivost na cijepanje metaloproteazom ADAMTS13^198,199. Važnost ovog fenomena za zdravlje gREC-a pokazuje protrombotski fenotip uočen u hemolitičkom uremijskom sindromu povezanom s Shiga toksinom. Shiga toksin potiče izlučivanje vWF-a pomoću gREC-ova i stvaranje ultra-velikih multimera vWF-a koji su otporni na cijepanje pomoću ADAMTS13 i induciraju trombotsku mikroangiopatiju u glomerulima ibubregmikrovaskulature200, što na kraju dovodi do AKI. Kod trombotične trombocitopenijske purpure, niska aktivnost ADAMTS13 rezultira sličnim ishodom¹⁹⁹.

Važnost stresa smicanja također je ilustrirana razvojem aterosklerotskih lezija u bubrežnim arterijama, što može rezultirati stenozom bubrežne arterije — najvećim pojedinačnim uzrokom sekundarne hipertenzije201,202. Ove se lezije razvijaju u ateropronskim regijama u arterijama i arteriolama koje su izložene nižem laminarnom smicanju od ostalih regija, kao što su regije arterijske bifurkacije, gdje je protok krvi tipično poremećen201 (Slika 5c).

Učinci laminarnog smičnog naprezanja na EC.Laminarni smični stres potiče regulaciju faktora transkripcije Krüppel-u sličnog faktora 2 (KLF2) i KLF4 u ECs-u, djelomično kroz otpuštanje ATP-a i naknadnu aktivaciju purinergičkih receptora P2X4203, a djelomično putem aktivacije MEK5-ERK5-MEF2 signalizacije put^204,205(Slika 5d). ububreg, Klf2 i Klf4 zajedno s ciljnim genom KLF4, Thbd (koji kodira trombomodulin), objavljeno je da su markeri gREC-ova koji potječu iz eferentnih arteriola u odraslih miševa^10,11(Slika 3b). Položaj ovih markera koji reagiraju na protok u skladu je s činjenicom da su REC-i smješteni na mjestu neposrednog izlaza glomerula izloženi visokom laminarnom smičnom naprezanju, potencijalno povezanom s visokom viskoznošću krvi u ovoj regiji. Regulacija i aktivacija KLF2 posreduju mirovanje EC-a, karakterizirano povećanjem ekspresije VE-kadherina i -katenina kako bi se pomoglo u održavanju čvrste vaskularne barijere206, poravnanju EC-a u smjeru protoka207, inhibiciji upale i održavanju antiaterogenog fenotipa, pojačana regulacija antioksidansa i smanjenje vaskularnog tonusa kao posljedica endotelne proizvodnje NO i prostaciklina 208-210 (Slika 5d). Aktivacija KLF2 u gREC-ima ih je zaštitila od ozljeda i progresije bolesti u životinjskim modelima CKD-a^211,212. Sukladno tome, KLF2 je pojačano reguliran u glomerularnom endotelu kao odgovor na smični stres in vitro, gdje potiče antikoagulantni i protuupalni fenotip i pokreće o endotelu ovisno smanjenje otpora barijere podocita, potrebno za pravilnu funkciju filtracije204. Pojačana regulacija gREC KLF2 sekundarno u odnosu na glomerularnu hiperfiltraciju pružila je zaštitu od disfunkcije EC i ublažila progresiju CKD u modelu jednostrane nefrektomije212. Nasuprot tome, gubitak endotelnog KLF2 pogoršao je glomerularnu hipertrofiju i proteinuriju u modelu streptozotocinom induciranogdijabetičarbubregbolest²¹¹. Endotelni KLF4 također djeluje renoprotektivno u AKI213. EC-specifičan gubitak KLF4 pogoršao je ozljedu bubrega u modelu ishemijske AKI promicanjem EC stjecanja proupalnog fenotipa²¹³. Međutim, vrijedno je napomenuti da KLF2 i KLF4 imaju uloge specifične za kontekst u endotelu214. Na primjer, mogu potaknuti aktivaciju EC-a i stvaranje lezija koje dovode do cerebralnih kavernoznih malformacija u razvoju^214,215.

Izloženost laminarnom smičnom naprezanju smanjuje unos glukoze²¹⁶i stimulira mitohondrijsku biogenezu u EC-ima^217–219. Aktivacija KLF2 smanjuje ekspresiju PFKFB3 zajedno s ekspresijom drugih glikolitičkih gena kao što su HK2 (koji kodira heksokinazu 2) i PFK1 (koji kodira fosfofruktokinazu 1 (PFK1)), što rezultira smanjenjem glikolize216 i premještanjem dostupnih ranih glikolitičkih intermedijera na biosintetski put heksozamina i glukuronske kiseline za sintezu UDP-GlcUA i UDP-GlcNAc, koji su ograničavajući supstrati hijaluronan sintaze (HAS2)^{133,220–222}. KLF2 također inducira ekspresiju i membransku translokaciju HAS2 i posljedičnu sintezu komponente glikokaliksa hijaluronana^133,222. Stoga, EC izloženi laminarnom protoku pokazuju mnogo deblji glikokaliks nego EC izloženi poremećenom protoku133 (Sl. 5d,e). Brisanje Has2 specifično za EC ima duboke učinke nabubreg, uključujući oštećenje strukture glikokaliksa kapilarnih gREC-ova, poremećaj glomerularnih endotelnih fenestracija40, albuminuriju koja ukazuje na disfunkciju filtracijske barijere, poremećenu signalizaciju angiopoetina 1 ovisno o glikokaliksu i abnormalne strukture podocita kao rezultat abnormalnog preslušavanja EC-podocit, što rezultira glomerularnim prorjeđivanje kapilara i glomeruloskleroza⁴⁰.

Mitohondrijsko disanje i stvaranje ATP-a također su povećani u EC-ima pod jednosmjernim protokom u usporedbi s onima koji su izloženi poremećenom protoku223,224. Blokada stvaranja mitohondrijskog ATP-a inhibira oslobađanje ATP-a izazvano smičnim stresom, dok, nasuprot tome, inhibicija glikolize nema učinka, što sugerira da je EC mitohondrijsko disanje potrebno za aktivaciju purinergičkog receptora, što zauzvrat inducira ekspresiju KLF2 kao odgovor na smični stres^203,218,224. Nadalje, mitohondrijska biogeneza je regulirana prema gore kao odgovor na smični stres, zahvaljujući aktivaciji signalne kaskade SIRT1–PGC1a–TFAM217,219, dok je ekspresija antioksidativnih gena, kao što su hem oksigenaza 1 i glutaredoksin 1, povećana kako bi zaštitila EC od ROS225,226 (slika 5d). Inhibicija transportnog lanca elektrona u EC-ima izloženim laminarnom protoku rezultirala je upalom EC-a, što sugerira da mitohondrijsko disanje sprječava aktivaciju EC-a²²³. ububreg, aktivacija 5-HT1F receptora za stimulaciju mitohondrijske biogeneze u REC-ima može smanjiti vaskularnu refakciju i potaknuti oporavak od ozljede kao što je prikazano u modelu AKI227.

KLF4 također potiče regulaciju kolesterol-25- hidroksilaze (CH25H) i jetrenog X receptora nakon izlaganja ateroprotektivnom pulsirajućem smicanju²²⁸. CH25H katalizira proizvodnju 25-hidroksikolesterola, koji sprječava aktivaciju proteina 2 koji veže regulatorne elemente sterola (SREBP2), važnog posrednika u odgovoru EC na poremećeni protok krvi (vidi dolje)229,230. Stoga modulacija ekspresije i aktivacije KLF2 i KLF4 laminarnim smičnim stresom i njihovim posljedičnim metaboličkim odgovorima mogu imati ključnu ulogu u održavanju REC mirovanja i glomerularne filtracije (Slika 5d).

Učinci poremećenog protoka krvi na EC.EC-i izloženi poremećenom protoku krvi, kao što su arterijske bifurkacije ili zakrivljenosti, aktiviraju se i pokazuju proupalni i aterogeni fenotip231 (Slika 5e). Prema tome, aktivacija arterijskih i aferentnih arteriolarnih REC-ova smještenih u takvim ateropronskim regijama može potaknuti razvoj aterosklerotične stenoze bubrežne arterije.

Ekspresija KLF4 je potisnuta poremećenim protokom krvi, s povećanom metilacijom regije promotora KLF4 koja sprječava vezanje MEF2 i naknadnu transkripciju KLF4²³². Nadalje, mikroRNA (miR)-92a, koja je inducirana u ateropronskim regijama kao odgovor na niski smični stres, potiskuje endotelnu ekspresiju KLF2, KLF4 i SIRT1 i smanjuje fosfatazu fosfatidne kiseline tipa 2B (PPAP2B)216,233,234. U uvjetima normalnog laminarnog stresa smicanja, PPAP2B defosforilira cirkulirajuću lizofosfatidnu kiselinu (LPA), sprječavajući njezino vezanje na LPAR1 receptor, koji inače inducira proupalnu signalizaciju233 (Slika 5e). Endotelni gubitak PPAP2B dovodi do pogoršane lokalne i sistemske upale povezane s povećanjem propusnosti endotela235. LPA signalizacija je uključena ububregbolesti putem indukcije ROS, upalnih citokina i fibroze236

Endotelna izloženost niskom smičnom stresu i poremećenom protoku inducira ekspresiju glikolitičkih enzima i piruvat dehidrogenaze kinaze 1 (PDK1), čime se odvaja glikoliza od mitohondrijskog metabolizma i smanjuje mitohondrijsko disanje u EC-ima^223,237(Slika 5e). Mehanički gledano, poremećeni protok inducira proizvodnju ROS-a izvedenog iz NAD(P)H oksidaze 4 (NOX4) i aktivira NF-κB, što dovodi do regulacije i stabilizacije HIF1 sprječavanjem njegove razgradnje^223,237. Aktivacija puta NF-κB povezana je s aktivnošću heparinaze i posljedičnom razgradnjom glikokaliksa^238.U skladu s ovim nalazima, aktivaciju NF-κB potiskuje kronični smični stres u glomerularnom endotelu239. Aktivacija HIF1 kao odgovor na poremećeni protok pojačava arterijsku EC proliferaciju i ekspresiju upalnih markera, dok inhibicija glikolize sprječava te odgovore223,237. Štoviše, aktivacija mitohondrijske oksidativne fosforilacije sprječava proupalni fenotip izazvan poremećenim protokom u arterijskim EC-ima²²³.

Poremećaji u niskom smičnom stresu također potiču aktivaciju proupalnih transkripcijskih faktora YAP i TAZ, dok ih laminarni smični stres inhibira na način ovisan o integrinu^240,241. Aktivacija YAP i TAZ modulira metabolizam EC stimuliranjem glikolize i mitohondrijske aktivnosti na način ovisan o MYC²⁴², te pojačavanjem glutaminolize²⁴³. Suprotno tome, glikolitički enzim PFK1 stimulira aktivnost YAP i TAZ u petlji pozitivne povratne sprege244. YAP i TAZ su mehanoregulatori signalnog puta TGF –SMAD ububreg. Pokazalo se da potiču fibrozu bubrega u eksperimentalnom modelu unilateralne opstrukcije uretera, iako je uloga REC-a u ovom fibrotičnom odgovoru kao rezultatu prijelaza endotela u mezenhim slabo istražena^245,246

Zanimljivo je da EC izloženi poremećenom protoku krvi također pokazuju aktivaciju SREBP2, koji pojačava gene uključene u sintezu kolesterola, uključujući enzim koji ograničava brzinu mevalonatnog puta HMG-CoA reduktaze (Slika 5e) i smanjuje efluks kolesterola^230,247, povećavajući unutarstaničnu razinu kolesterola u EC-ima^230,247. Zanimljivo je da inhibicija HMG-CoA reduktaze statinima izaziva endotelno povećanje ekspresije KLF2 i smanjuje proupalnu signalizaciju putem NF-κB, HIF1 i YAP-TAZ, čime inducira odgovor sličan EC-u na laminarni protok^241,248,249. Nadalje, aktivacija SREBP2 potiče transkripciju miR-92a, pojačava ekspresiju NOX2, koja inducira proizvodnju ROS, i povećava ekspresiju inflamasoma NLRP3, u konačnici potičući endotelnu upalu i aterosklerozu216,230. Prema tome, SREBP2 može biti jedan od ključnih pokretača u odgovoru endotela bubrežnih arterija i aferentnih arteriola na poremećeni protok.

REC odgovori na promjene u osmolarnosti

Thebubregamože proizvesti urin vrlo različite osmolarnosti ovisno o statusu hidracije. Protustrujni multiplikator Henleove petlje stvara gradijent medularne osmolarnosti koji je u osnovi mehanizma koncentracije urina i određuje konačnu osmolarnost urina. Ukratko, TALH — segment tubula koji je uglavnom nepropustan za vodu — aktivno prenosi NaCl iz filtrata u medularni intersticij, uspostavljajući razliku u osmolalnosti od 20 mOsm/kg H2O u uzlaznom i silaznom toku²⁵⁰ (Slika 6a). Kao osmotski odgovor, voda se reapsorbira kroz tanki silazni dio Henlea (TDLH), čime se povećava osmolarnost filtrata250. Kako ovaj filtrat napreduje od TDLH do TALH, aktivna reapsorpcija NaCl od strane TALH ponovno uspostavlja osmolarnu razliku od 20 mOsm/kg H2O između TALH i intersticija, dodatno povećavajući osmolarnost medularnog intersticija250. Umnožavanje ovih malih razlika osmolalnosti između protustrujnih tokova dovodi do velikog kortikomedularnog gradijenta osmolalnosti (protustrujni množitelj)²⁵⁰. Na razini vasa recta, efluks vode olakšan akvaporinima događa se paralelno s reapsorpcijom uree i NaCl unutar DVR-a, vođen razlikom između krvne i medularne osmolarnosti, što rezultira povećanom osmolarnošću krvi prema papili²⁵⁰(Slika 6a). Nasuprot tome, visoko fenestrirani AVR reapsorbira medularnu vodu i oslobađa NaCl u intersticij, budući da je krv koja dolazi iz papile veće osmolarnosti od medularnog intersticija²⁵⁰(Slika 6a). Ova protustrujna izmjena između DVR-a i AVR-a održava gradijent medularne osmolarnosti stvoren sustavom protustrujnog množitelja (Slika 6a). Visoku osmolarnost medule također održavaju sabirni kanalići, koji aktivno izvoze ureu unutar unutarnjeg medularnog intersticija dok koncentriraju urin u skladu s gradijentom osmolarnosti medule putem transporta vode omogućenog akvaporinom. Kao posljedica toga, medularne stanice, uključujući mREC-ove, izložene su ekstremnim razinama hiperosmolarnosti, posebno u uvjetima dehidracije gdje osmolalnost može porasti čak do 1400 mOsm/kg kod ljudi²⁵⁰(Slika 6a). Kao što je opisano u nastavku, dostupni dokazi upućuju na to da su se mREC-ovi prilagodili ovim ekstremnim uvjetima aktiviranjem zaštitnih mehanizama i razvojem specifičnog metaboličkog profila10. Treba napomenuti da drugi (R)EC mogu biti izloženi hiperosmolarnim stanjima kao posljedici hiperglikemije u kontekstu dijabetes melitusa²⁵¹.

Odgovor EC-a na uvjete hiperosmolarnosti slabo je istražen, a većina istraživanja u ovom području usmjerena je na epitelne stanice bubrega, u kojima hiperosmolarnost izaziva zaustavljanje staničnog ciklusa, proizvodnju ROS-a i oštećenje DNA²⁵². Konkretno, epitelni odgovor na hiperosmolarnost karakterizira reorganizacija citoskeletnog aktina putem procesa koji ovisi o integrinima i Rho obitelji GTPaza253, aktivacija Na plus kanala NHE4 (ref. 254), NKCC1 i NKCC2 (ref. 255). ), i rezultirajući priljev Na plus iona za održavanje volumena stanice. Ti odgovori pokreću ekspresiju proteina toplinskog šoka kako bi se održalo ispravno savijanje proteina i aktivacija transkripcijskog faktora TonEBP (također poznatog kao NFAT5) osjetljivog na hiperosmolarnost; u uvjetima produljene hiperosmolarnosti, kao što je papila, ovi odgovori u konačnici rezultiraju nakupljanjem inertnih organskih osmolita²⁵².

Dokazi iz studije transkriptoma na miševima koji su bili izloženi nedostatku vode sugeriraju da se sličan proces događa u endotelu bubrežne medule10 (Slika 6b). Ti mREC-ovi pokazuju povećanu ekspresiju gena povezanih s putevima glikolitičke i oksidativne fosforilacije10 (Slika 6b). Štoviše, analize transkriptoma sugerirale su da te stanice uključuju enzimske i transportne procese kako bi pomogle akumulaciji inertnih organskih osmolita — kao što su derivati ​​šećera, polioli (osobito sorbitol, koji je izveden iz poliolnog puta i Myo-inozitol, koji može preuzeti ili sintetizirati iz glikolitičkih intermedijera), aminokiselina (osobito taurina) i moguće metilamina kao što su betain i glicerofosfokolin — kako bi se uravnotežio osmolaritet između unutarstaničnih i izvanstaničnih odjeljaka10 (Slika 6b). Nakon dugotrajnog nedostatka vode, mREC-i također pojačavaju Na plus /K plus ATPazu, vjerojatno kako bi ograničili unutarstanično nakupljanje Na plus (Slika 6b). U ovoj postavci, oksidativna fosforilacija, koja daje 32 molekule ATP-a po molekuli glukoze, predstavljala bi učinkovitiju strategiju od anaerobne glikolize, koja oslobađa samo dvije molekule ATP-a po molekuli glukoze, kako bi se održala veća aktivnost Na plus /K plus ATPaze. Nadalje, neki od intermedijera glikolize koji se akumuliraju u EC-ima izloženim hiperosmolarnim uvjetima vjerojatno će odstupiti od svoje glikolitičke sudbine i ući u putove sinteze osmolita, posebno polioli, sorbitol i mio-inozitol¹⁰. Zajedno, ove metaboličke prilagodbe mREC-a na promjene u osmolarnosti omogućile bi njihov opstanak u ekstremnim hiperosmolarnim okruženjima i omogućile bi im održivostbubregfunkcija^10,256.

EC adaptacija u homeostazi tkiva

EC-ima upravlja signalizacija angiogenog faktora rasta iz potpornih stanica kao što su periciti, epitelne stanice i podociti. Suprotno tome, endotel daje upute svojim izravnim susjednim stanicama putem autokrine signalizacije.

REC izloženost angiogenim čimbenicima

Iako se EC smatraju mirnim u odrasloj dobi u fiziološkim uvjetima, jedan od najintrigantnijih nalaza dobivenih iz dostupnih jednostaničnih studija RNA-seq na REC je prisutnost nekih tipičnih angiogenih EC ububregkorteksa i medule kod zdravih odraslih miševa6,10. Ove REC karakterizira genetski program sličan onom angiogenih migratornih EC (također poznatih kao stanice vrha) (Sl. 7a). Te su stanice vjerojatno izložene angiogenim čimbenicima rasta i mogu pridonijeti vaskularnoj regeneraciji u vaskulaturi odraslih, iako je njihova uloga još nepoznata. Stanice unutar bubrega mogu proizvesti angiogene faktore rasta, bilo na konstitutivni način (na primjer, u slučaju VEGFA izvedenog iz podocita) ili kao odgovor na promjene u uvjetima mikrookoliša kao što su hipoksija, oksidativni stres, smični stres ili upala. Angiogeni faktori rasta pokreću vaskularizaciju glomerula i tubula tijekombubregrazvoj u procesu koji uglavnom ovisi o suradnji klijanja i intususcepcijske angiogeneze257 (sl. 7a,b). Na primjer, angiopoetini i njihov srodni endotelni receptor Tie2 podržavaju limfangiogenezu i kritični su za razvoj AVR-a u mišjim embrijima, te su neophodni za sposobnost koncentracije urina30. VEGF signalizacija također je potrebna za pravilan razvoj glomerularne arhitekture. Na primjer, neutralizacija VEGF-a posredovana protutijelima u novorođenih miševa oštećuje stvaranje žila u površinskom bubrežnom korteksu i glomerulima, te u konačnici oštećuje razvoj nefrona258, dok postnatalna delecija VEGFR2 oštećuje glomerularni endotel48. Štoviše, gubitak VEGFA izvedenog iz podocita onemogućuje glomerularnu vaskularizaciju i dovodi do perinatalne smrti, dok heterozigotni gubitak Vegfa rezultira glomerularnim endotelinima i proteinurijom49. VEGF izveden iz podocita stoga je kritičan znak za uspostavljanje glomerularnog endotela i njegovo održavanje u kapuljači odrasle osobe257. Slično tome, VEGFA dobiven iz tubularnih epitelnih stanica neophodan je za razvoj i održavanje peritubularnih kapilara⁵⁰.

Kao i kod endotelne aktivacije u imunološkoj aktivaciji, fiziološki odgovor REC-a na angiogenu signalizaciju može postati disreguliran u stanjima bolesti²⁵⁹. Na primjer, neregulirana angiogeneza opažena je kod odbijenihbubregalografti²⁶⁰. Štoviše, gubitak angiogenih faktora, uglavnom VEGF, bio je uključen u gubitak kapilara nakon AKI261; obrnuto, poboljšava se regulacija VEGF-abubregfunkciju, a primjena VEGF-a smanjuje razrjeđivanje kapilara u kontekstu ishemijsko-reperfuzijske ozljede^262,263. Eksperimentalni i klinički dokazi upućuju na to da je u KBB-u poremećena ravnoteža između proangiogenih i antiangiogenih čimbenika^259,264. Iako je CKD karakteriziran razrjeđivanjem peritubularnih kapilara, što promičebubreghipoksije, sprječava rediferencijaciju regenerirajućih tubula i vjerojatno je povezana s prijelazom iz endotela u mezenhim, što pridonosi fibrozi bubrega, proangiogena signalizacija u kapilarnim gREC-ovima pogoduje poremećaju filtracijske barijere259. Na primjer, dokazi dobiveni na životinjskim modelima sugeriraju da u ranim fazama dijabetičke bolesti bubrega, glomerularni endotel i ECs koji se nalaze u blizini glomerula podliježu abnormalnoj angiogenezi posredovanoj VEGF-om; blokada angiogeneze u ovim modelima poboljšava funkciju bubrega²⁶⁵.

Iako se malo zna o invasusceptivnom rastu krvnih žila, angiogeneza klijanja je intenzivno karakterizirana1. Proces klijanja je orkestriran aktivacijom EC površinskih receptora i nizvodnih signalnih putova pomoću angiogenih faktora rasta, te pojavom dvaju glavnih angiogenih EC fenotipa — proliferirajućih EC (također poznatih kao stabljične stanice) i migratornih EC (također poznatih kao stanice vrha; detaljno opisano na drugom mjestu^1,266,267). Na metaboličkoj razini, svaki tip angiogenog EC-a ima specifične potrebe (energetski zahtjevi i zahtjevi za biomasom), u skladu s njihovim proliferativnim ili migratornim fenotipovima, te prilagođava svoj metabolizam u skladu s tim144 (Okvir 1). Pokazuju li angiogene RECs, identificirane jednostaničnim RNA-seq studijama kod zdravih odraslih miševa, fenotipsku i metaboličku aktivnost sličnu onoj kod vršnih stanica, tek treba utvrditi. Štoviše, potencijalna sposobnost metaboličkih strategija kao što je metabolička suplementacija za promicanje angiogeneze ili limfangiogeneze zabubregpopravak i regeneracija također zahtijeva daljnje istraživanje.

Angiokrini signal u bubrezima

EC također izravno daju upute svojim susjednim stanicama putem otpuštanja faktora rasta i citokina te ekspresije adhezijskih molekula268. ububreg, vaskulatura uspostavlja nišu koja održava razvoj i održavanjebubregstruktura i funkcija4,11. Izravan dokaz za ovaj koncept pružaju studije induciranih pluripotentnih organoida bubrega izvedenih iz matičnih stanica, u kojima se sazrijevanje glomerularnih i tubularnih struktura može inducirati promicanjem vaskularizacije i protoka krvi kroz transplantaciju organoida ispod bubrežne kapsule miševa269. Osim toga, poremećaj glomerularnog endotela u embrionalnim mišjim bubrezima sprječava sazrijevanje podocita, posebice stjecanje nožnih nastavaka i dijafragme s prorezom⁴⁹. Zanimljivo je da vaskulatura bubrega u razvoju i odraslih pokazuje prostorne razlike u ekspresiji endokrinih čimbenika. Tijekom razvoja glomerula, čini se da matrična metaloproteinaza 2 izvedena iz EC regulira interakciju EC s podocitima za sastavljanje glomerula²⁷⁰, dok ekspresija PDGFB stimulira regrutiranje mezangijalnih stanica^271,272. Glomerularni endotel u razvoju također eksprimira gene faktora rasta kao što su Fgf1 i Vegfa, Notch ligand Dll4, neuronski vodič Sema5a i Wnt antagonist Dkk2 (refs4,11); Dkk2 je također obogaćen gREC-ovima aferentnih arteriola koji su povezani s JGA u odrasloj dobi10. Bubrežne arterije i arteriole u razvoju također izražavaju faktore rasta, uključujući Pdgfb, Tgfb2 i Ltbp4 (ref. 11); ekspresija Tgfb2 i Ltbp4 ostaje obogaćena istim REC podskupovima u odrasloj dobi10. Iznenađujuće, signalni sustav faktora rasta nalik inzulinu pokazuje jasnu zonalnost unutar odrasle osobebubregvaskulatura: Igf1 se uglavnom izražava ububregmedule putem REC-ova AVR-a u papili, Igfbp7 se smatra širokim markerom mREC-ova, Igfbp4 se nalazi u aferentnim arteriolarnim gREC-ovima, Igfbp3 se uglavnom izražava peritubularnim kapilarnim cREC-ovima, a Igfbp5 je obogaćen iu kortikalnim peritubularnim i glomerularnim kapilarama10,11. Višestruki drugi endokrini čimbenici također pokazuju heterogenu ekspresiju među različitim fenotipovima EC u bubrezima odraslih miševa10. Njihova uloga u održavanjububregtkivo i funkcije tek treba istražiti.

Angiokrino signaliziranje također je kritično za procese popravka nakon ozljede bubrega. Na primjer, REC mogu doprinijeti oporavku bubrega nakon AKI reguliranjem upalnih odgovora ili pružanjem pro-tubulogenih signala²⁷³. U kokulturama, stanice proksimalnih tubula bubrega stimuliraju REC-ove da eksprimiraju brojne angiokrine čimbenike, uključujući VEGF, TGF, njegov antagonist 2-makroglobulin i faktor rasta hepatocita, koji zauzvrat potiču preživljavanje, proliferaciju i diferencijaciju proksimalnih tubula stanice274. Vjerojatno je da razrjeđivanje kapilara izaziva procese 'kronične ozljede – disregulirani popravak', koji rezultiraju oslabljenom regeneracijom epitela, gubitkom nefrona i proupalnim i fibroznim signalima, vjerojatno zbog nedovoljnih angiokrinih signala273. U prilog ovoj hipotezi su dokazi koji pokazuju da ekstrakti endotelnih progenitorskih stanica posjeduju renoprotektivnu aktivnost u životinjskim modelima AKI sprječavanjem gubitka kapilara i smanjenjem fibroze, s endokrinim čimbenicima kao što je inhibicijski čimbenik leukemije koji sprječavaju i poništavaju tranziciju fibroblasta u miofibroblast²⁷⁵.

Zajamčeno je daljnje istraživanje fizioloških i patoloških mikrookoliša koji oblikuju endokrine profile REC-a. Štoviše, mehanizmi kojima se REC metabolički procesi međusobno povezuju s ovim različitim endokrinim potpisima tek treba utvrditi. Zanimljivo je da je studija iz 2020. opisala komunikaciju endokrinih metabolita u regeneraciji mišića nakon ishemije. Ta je studija pokazala da laktat dobiven iz EC-a potiče makrofage na usvajanje pro-regenerativnog fenotipa sličnog M{3}}u, postavljajući pitanje može li se sličan mehanizam pojaviti ububregza promicanje regeneracije nakon ishemijskih inzulta²⁷⁶.

Zaključci

Dugo se smatralo da je krvožilni sustav sisavaca pasivni kanal za dostavu kisika i hranjivih tvari u različite organe, kao i za uklanjanje otpada, pri čemu endotel služi kao krvno-tkivna barijera. Ova paradigma više ne vrijedi jer su intenzivna istraživanja u vaskularnom području otkrila aktivnu ulogu endotela ne samo u regulaciji vazotona i upale, već iu sazrijevanju organa kroz proizvodnju endokrinih medijatora, imuniteta i funkcije organa. Važnost EC-a za te procese dokazuje činjenica da svaki organ ima koristi od jedinstvenog endotela, prilagođenog njegovim specifičnim potrebama, a oblikovanog staničnim i nestaničnim mikrookruženjem.

Endotel ububregje jedinstven za taj organ i pokazuje veliku heterogenost za održavanje višestrukih aktivnosti bubrega u homeostazi tekućine i krvnog tlaka. Važno je da disfunkcija REC nije povezana samo s bolešću bubrega, već može potaknuti progresiju bolesti, identificirajući endotel bubrega kao relevantnu terapijsku metu. U proteklom desetljeću, opsežne analize otkrile su da je metabolizam EC-a čvrsto reguliran na staničnoj i podstaničnoj razini te da različiti fenotipovi EC-a pokazuju jedinstvene metaboličke profile. Plastičnost metabolizma EC-a osigurava mehanizam za orkestriranje fenotipskog ponašanja EC-a, omogućujući EC-ima da aktivno reagiraju na promjene u svom mikrookruženju, ali također pruža potencijalnu priliku za terapijsko ciljanje. Na primjer, inhibicija endotelnog PFKFB3 u tumorskim EK normalizira glikolitički tok i poboljšano sazrijevanje krvnih žila povezani su sa smanjenom aktivacijom endotela i stezanjem endotelne barijere²⁷⁷. Štoviše, nadopunjavanje ECs prekursorom acetil-CoA, acetatom, potiče (limfnu)angiogenezu, in vitro i in vivo^278–280. Specifične dijete također mogu ponuditi nove terapijske mogućnosti: studija iz 2019. pokazala je da ketogena dijeta potiče limfangiogenezu povećanjem količine acetil-CoA u LEC-ovima i smanjenjem limfedema u životinjskom modelu²⁸¹

Slično tome, ububreg, smatra se da je fenotipska heterogenost REC-a potaknuta metaboličkim prilagodbama staničnim potrebama i signalima iz mikrookruženja u zdravlju i bolesti. Metaboličko ciljanje endotelne disfunkcije, kao i angiogeneza i limfangiogeneza, potencijalne su strategije za poboljšanje funkcije bubrega u kontekstu bubrežne bolesti. Organoidi bubrega predloženi su kao regenerativni pristup zamjenibubregali njihov nedostatak razvijene vaskulature je veliko ograničenje^282–284. Strategije (uključujući metaboličke strategije) za poticanjebubregvaskularizacija organoida i promicanje sazrijevanja EC-a može pospješiti sazrijevanje ovih organoida i u konačnici olakšati njihovu terapijsku upotrebu²⁶⁹. Unatoč potrebi za daljnjim istraživanjem specifičnosti bubrežnog endotela, dostupni dokazi podupiru ključnu ulogu ovih stanica ububregfiziološke procese i sugerira da bi (metaboličko) ciljanje REC-a moglo biti vrlo korisna strategija za promicanje oporavka i regeneracije bubrega.

1. Carmeliet, P. & Jain, RK Molekularni mehanizmi i kliničke primjene angiogeneze. Nature 473, 298-307 (2011).

2. Wong, BW, Zecchin, A., Garcia-Caballero, M. & Carmeliet, P. Novi koncepti u limfnim žilama specifičnim za organe i metaboličkoj regulaciji razvoja limfe. Dev. Cell 45, 289-301 (2018).

3. Marcu, R. i sur. Heterogenost endotelnih stanica specifična za ljudske organe. iScience 4, 20–35 (2018).

4. Nolan, DJ et al. Molekularni potpisi heterogenosti tkivno specifičnih mikrovaskularnih endotelnih stanica u održavanju i regeneraciji organa. Dev. Ćelija 26, 204–219 (2013).

5. Augustin, HG & Koh, GY Organotipska vaskulatura: od deskriptivne heterogenosti do funkcionalne patofiziologije. Science 357, eaal2379 (2017).

6. Kalučka, J. i sur. Atlas jednostaničnog transkriptoma mišjih endotelnih stanica. Cell 180, 764–779.e20(2020).

7. Herzlinger, D. & Hurtado, R. Oblikovanje bubrežnog vaskularnog korita. Semin. Cell Dev. Biol. 36, 50–56 (2014).

8. Jourde-Chiche, N. i sur. Struktura i funkcija endotela u zdravlju i bolesti bubrega. Nat. vlč. Nefrol. 15, 87–108 (2019).

9. Molema, G. & Aird, WC Vaskularna heterogenost u bubregu. Semin. Nefrol. 32, 145–155 (2012).

10. Dumas, SJ i sur. Jednostanično RNA sekvenciranje otkriva heterogenost endotela bubrega i metaboličku prilagodbu na nedostatak vode. J. Am. Soc. Nefrol. 31, 118–138 (2020).

11. Barry, DM i sur. Molekularne determinante vaskularne specijalizacije nefrona u bubregu. Nat. Komun. 10, 5705 (2019).

12. Jang, C. i sur. Razmjena metabolita između organa sisavaca kvantificirana u svinja. Cell Metab. 30, 594-606.e3 (2019).

13. Wong, BW, Marsch, E., Treps, L., Baes, M. & Carmeliet, P. Metabolizam endotelnih stanica u zdravlju i bolesti: utjecaj hipoksije. EMBO J. 36, 2187–2203(2017).

14. Makris, K. & Spanou, L. Akutna ozljeda bubrega: definicija, patofiziologija i klinički fenotipovi. Clin. Biochem. Rev. 37, 85–98 (2016).

15. Levey, AS i sur. Definicija i klasifikacija kronične bubrežne bolesti: izjava o stajalištu iz Bolesti bubrega: poboljšanje globalnih ishoda (KDIGO). Kidney Int. 67, 2089-2100 (2005).

16. Verma, SK & Molitoris, BA Ozljeda endotela bubrega i mikrovaskularna disfunkcija kod akutne ozljede bubrega. Semin. Nefrol. 35, 96–107 (2015).

17. Goligorsky, MS Patogeneza disfunkcije endotelnih stanica u kroničnoj bubrežnoj bolesti: retrospektiva i što budućnost može imati. Kidney Res. Clin. Vježbajte. 34, 76–82 (2015).

18. Rosivall, L. & Peti-Peterdi, J. Heterogenost aferentne arteriole – korelacije između morfologije i funkcije. Nefrol. Biraj. Transpl. 21, 2703-2707 (2006).

19. Guerci, P., Ergin, B. & Ince, C. Makro- i mikrocirkulacija bubrega. Najbolja praksa. Res. Clin. Anaesthesiol. 31, 315–329 (2017).

20. Wang, K. & Kestenbaum, B. Proksimalni tubularni sekretorni klirens: zanemareni partner funkcije bubrega. Clin. J. Am. Soc. Nefrol. 13, 1291–1296 (2018).