2. del Fenotipska raznolikost in presnovna specializacija ledvičnih endotelijskih celic

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. Rabelink⁵in Peter Carmeliet^1,4

Kliknite tukaj za 1. del

Ključne točke

• Endotelij se med različnimi organi razlikuje, verjetno zato, da podpira različne funkcije organov.

• V ledvičnih glomerulih, skorji in meduli soobstaja več specializiranih fenotipov endotelijskih celic; ti delujejo tako, da podpirajo glomerulno filtracijo, reabsorpcijo in izločanje ionov in metabolitov ter koncentracijo urina.

• Različna lokalna mikrookolja vledvicaoblikujejo molekularno in presnovno heterogenost ledvičnega endotelija; nasprotno pa endokrini dejavniki, ki izvirajo iz endotelijskih celic, vzdržujejo niše različnihledvicamikrookolja.

• Presnova ledvičnih endotelijskih celic se lahko spremeni v kontekstuledvicapoškodbain bolezni, deloma kot posledica sprememb v mikrookolju.

• Boljše razumevanje fenotipske raznolikosti in presnovne specializacije ledvičnih endotelijskih celic lahko pomaga pri identifikaciji novih tarč za zdravljenjeledvicabolezniinledvicaregeneracijo.

Cistanche tubulosa preprečuje bolezni ledvic, kliknite tukaj za vzorec

Odzivi REC na spremembe v strižni napetosti EC so nenehno izpostavljeni sili raztezanja, ki jo povzroča pulzabilnost krvnega pretoka in sila trenja, vzporedna s steno žile, strižna napetost tekočine¹⁹⁵. Te celice so opremljene za zaznavanje teh sil in njihovo pretvorbo v biokemične signale, ki lahko vplivajo na homeostazo žil z uravnavanjem žilnega tonusa in preoblikovanjem EC, ki prilagodi pretok krvi, da zadosti zahtevam tkiva195. Zanimivo je, da so EC iz različnih delov vaskularne postelje izpostavljeni specifičnim vrstam pretoka in se ustrezno odzovejo195 (slika 5a). V arterijah in arteriolah je pretok krvi močno pulziven, medtem ko je v kapilarah podobnega obsega, vendar manj pulziven, v venulah in venah pa je pretok krvi približno trikrat do desetkrat manjši, pulzacija pa minimalna195. Vledvica, the vasculature of the cortex receives >94 odstotkov ledvičnega krvnega pretoka¹⁹⁶kar nakazuje, da je medularna vaskulatura izpostavljena razmeroma nizkemu strižnemu okolju. Nasprotno pa so gREC izpostavljeni razmeroma visokemu okolju strižne napetosti (ocenjeno na od 1dyn/cm2 do celo 95dyn/cm2), kar je posledica visokega krvnega pretoka in tlaka v kombinaciji s povečano viskoznostjo krvi zaradi filtracije. proces197 (slika 5b). Izpostavljenost gREC strižnemu stresu je ključnega pomena, saj preprečuje agregacijo trombocitov, delno z induciranjem konformacijskega odvijanja krvnega glikoproteinskega faktorja von Willebrandovega faktorja (vWF), ki poveča njegovo dovzetnost za cepitev z metaloproteazo ADAMTS13^198,199. Pomen tega pojava za zdravje gREC dokazuje protrombotični fenotip, opažen pri hemolitičnem uremičnem sindromu, povezanem s toksinom Shiga. Shiga toksin spodbuja izločanje vWF z gREC in tvorbo ultra velikih multimerov vWF, ki so odporni na cepitev z ADAMTS13 in inducirajo trombotično mikroangiopatijo v glomerulih inledvicamikrovaskulature200, kar sčasoma vodi do AKI. Pri trombotični trombocitopenični purpuri nizka aktivnost ADAMTS13 povzroči podoben izid¹⁹⁹.

Pomen strižnega stresa ponazarja tudi razvoj aterosklerotičnih lezij v ledvičnih arterijah, ki lahko povzročijo stenozo ledvične arterije – največji vzrok sekundarne hipertenzije201,202. Te lezije se razvijejo v ateropronskih regijah v arterijah in arteriolah, ki so izpostavljene nižji laminarni strižni napetosti kot druge regije, kot so regije arterijske bifurkacije, kjer je pretok krvi tipično moten201 (slika 5c).

Učinki laminarne strižne napetosti na EC.Laminarni strižni stres inducira regulacijo transkripcijskih faktorjev Krüppelu podobnega faktorja 2 (KLF2) in KLF4 v ECs, delno s sproščanjem ATP in kasnejšo aktivacijo purinergičnih receptorjev P2X4203 ter delno z aktivacijo signalizacije MEK5–ERK5–MEF2 pot^204,205(slika 5d). VledvicaPoročali so, da so , Klf2 in Klf4 skupaj s ciljnim genom KLF4, Thbd (ki kodira trombomodulin), označevalci gREC, ki izhajajo iz eferentnih arteriol pri odraslih miših.^10,11(slika 3b). Lokacija teh markerjev, ki se odzivajo na pretok, je skladna z dejstvom, da so REC, ki se nahajajo na mestu neposrednega izstopa iz glomerulov, izpostavljeni visoki laminarni strižni napetosti, ki je lahko povezana z visoko viskoznostjo krvi v tej regiji. Regulacija in aktivacija KLF2 posredujeta mirovanje EC, za katero je značilno povečanje izražanja VE-kadherina in -katenina za pomoč pri vzdrževanju tesne vaskularne pregrade 206, poravnava EC v smeri toka 207, zaviranje vnetja in vzdrževanje anti-aterogenega fenotipa, povečana regulacija antioksidantov in zmanjšanje vaskularnega tonusa, ki je posledica endotelne proizvodnje NO in prostaciklinov 208–210 (slika 5d). Aktivacija KLF2 v gREC jih je zaščitila pred poškodbami in napredovanjem bolezni v živalskih modelih KLB^211,212. V skladu s tem je KLF2 reguliran navzgor v glomerularnem endoteliju kot odziv na strižni stres in vitro, kjer spodbuja antikoagulantni in protivnetni fenotip ter sproži od endotelija odvisno zmanjšanje odpornosti podocitne pregrade, ki je potrebna za pravilno delovanje filtracije204. Povečana regulacija gREC KLF2, ki je posledica glomerulne hiperfiltracije, je zagotovila zaščito pred disfunkcijo EC in oslabila napredovanje kronične ledvične bolezni v modelu enostranske nefrektomije212. Nasprotno pa je izguba endotelnega KLF2 poslabšala glomerularno hipertrofijo in proteinurijo v modelu s streptozotocinom povzročenegadiabetikledvicabolezen²¹¹. Endotelijski KLF4 je tudi renoprotektiven pri AKI213. EC-specifična izguba KLF4 je poslabšala poškodbo ledvic v modelu ishemične AKI s spodbujanjem pridobitve EC provnetnega fenotipa²¹³. Vendar je treba omeniti, da imata KLF2 in KLF4 kontekstno specifični vlogi v endoteliju214. Na primer, lahko spodbujajo aktivacijo EC in nastanek lezij, ki vodijo do cerebralnih kavernoznih malformacij v razvoju^214,215.

Izpostavljenost laminarnemu strižnemu stresu zmanjša privzem glukoze²¹⁶in spodbuja mitohondrijsko biogenezo v EC^217–219. Aktivacija KLF2 zmanjša ekspresijo PFKFB3 skupaj z ekspresijo drugih glikolitičnih genov, kot sta HK2 (ki kodira heksokinazo 2) in PFK1 (ki kodira fosfofruktokinazo 1 (PFK1)), kar povzroči zmanjšanje glikolize216 in preusmeritev razpoložljivih zgodnjih glikolitičnih intermediatov biosintezni poti heksozamina in glukuronske kisline za sintezo UDP-GlcUA oziroma UDP-GlcNAc, ki sta omejujoča substrata hialuronan sintaze (HAS2)^{133,220–222}. KLF2 inducira tudi ekspresijo in membransko translokacijo HAS2 ter posledično sintezo komponente glikokaliksa hialuronana^133,222. Tako imajo EC, izpostavljeni laminarnemu toku, veliko debelejši glikokaliks kot EC, izpostavljeni motenemu toku133 (sl. 5d, e). Izbris Has2, specifičen za ES, močno vpliva naledvica, vključno z okvaro strukture glikokaliksa kapilarnih gREC, motnjo glomerularnih endotelijskih fenestracij40, albuminurijo, ki kaže na disfunkcijo filtracijske pregrade, moteno od glikokaliksa odvisno signaliziranje angiopoetina 1 in nenormalne strukture podocitov kot rezultat nenormalnega preslušavanja EC-podocit, kar povzroči glomerularno redčenje kapilar in glomeruloskleroza⁴⁰.

Mitohondrijsko dihanje in nastajanje ATP se prav tako povečata v EC pod enosmernim tokom v primerjavi s tistimi, ki so izpostavljeni motenemu toku 223,224. Blokada mitohondrijske generacije ATP zavira sproščanje ATP, ki ga povzroča strižni stres, medtem ko, nasprotno, inhibicija glikolize nima učinka, kar kaže, da je mitohondrijsko dihanje EC potrebno za aktivacijo purinergičnega receptorja, ki nato inducira ekspresijo KLF2 kot odziv na strižni stres^203,218,224. Poleg tega je mitohondrijska biogeneza povečana kot odziv na strižni stres zaradi aktivacije signalne kaskade SIRT1–PGC1a–TFAM217,219, medtem ko se izražanje antioksidativnih genov, kot sta hem oksigenaza 1 in glutaredoksin 1, poveča za zaščito EC pred ROS225,226 (slika 5d). Zaviranje transportne verige elektronov v EC, izpostavljenih laminarnemu toku, je povzročilo vnetje EC, kar kaže, da mitohondrijsko dihanje preprečuje aktivacijo EC²²³. Vledvicaaktivacija 5-receptorja HT1F za stimulacijo mitohondrijske biogeneze v REC lahko zmanjša vaskularno redčenje in pospeši okrevanje po poškodbi, kot je bilo prikazano v modelu AKI227.

KLF4 inducira tudi regulacijo holesterol-25- hidroksilaze (CH25H) in jetrnega X receptorja po izpostavljenosti ateroprotektivnemu pulzirajočemu strižnemu stresu²²⁸. CH25H katalizira nastajanje 25-hidroksiholesterola, ki preprečuje aktivacijo proteina 2, ki veže regulatorne elemente sterola (SREBP2), pomembnega posrednika pri odzivu EC na moten pretok krvi (glejte spodaj)229,230. Zato ima lahko modulacija ekspresije in aktivacije KLF2 in KLF4 z laminarnim strižnim stresom in njihovimi posledičnimi presnovnimi odzivi ključno vlogo pri vzdrževanju mirovanja REC in glomerulne filtracije (slika 5d).

Učinki motenega krvnega pretoka na EC.EC, ki so izpostavljeni motenemu pretoku krvi, na primer v arterijskih bifurkacijah ali ukrivljenostih, se aktivirajo in kažejo provnetni in aterogen fenotip 231 (slika 5e). Tako lahko aktivacija arterijskih in aferentnih arteriolarnih REC, ki se nahajajo v takih ateropronskih regijah, spodbuja razvoj aterosklerotične stenoze ledvične arterije.

Ekspresija KLF4 je potlačena zaradi motenega krvnega pretoka, s povečano metilacijo promotorske regije KLF4, ki preprečuje vezavo MEF2 in kasnejšo transkripcijo KLF4²³². Poleg tega mikroRNA (miR)-92a, ki se inducira v ateropronskih regijah kot odziv na nizek strižni stres, zavira endotelijsko izražanje KLF2, KLF4 in SIRT1 ter uravnava fosfatazo fosfatidne kisline tipa 2B (PPAP2B)216,233,234. V pogojih normalnega laminarnega strižnega stresa PPAP2B defosforilira krožečo lizofosfatidno kislino (LPA), s čimer prepreči njeno vezavo na receptor LPAR1, ki sicer inducira vnetno signalizacijo 233 (slika 5e). Endotelna izguba PPAP2B vodi do poslabšanega lokalnega in sistemskega vnetja, povezanega s povečanjem endotelne prepustnosti235. Vključena je signalizacija LPAledvicabolezni z indukcijo ROS, vnetnih citokinov in fibroze236

Izpostavljenost endotelija nizkemu strižnemu stresu in motenemu pretoku inducira izražanje glikolitičnih encimov in piruvat dehidrogenaze kinaze 1 (PDK1), s čimer loči glikolizo od mitohondrijske presnove in zmanjša mitohondrijsko dihanje v EC.^223,237(Slika 5e). Mehansko gledano moten pretok inducira proizvodnjo ROS, ki izvira iz NAD(P)H oksidaze 4 (NOX4), in aktivira NF-κB, kar vodi do regulacije in stabilizacije HIF1 s preprečevanjem njegove razgradnje^223,237. Aktivacija poti NF-κB je bila povezana z aktivnostjo heparinaze in posledično razgradnjo glikokaliksa^238.V skladu s temi ugotovitvami je aktivacija NF-κB potlačena s kroničnim strižnim stresom v glomerularnem endoteliju239. Aktivacija HIF1 kot odgovor na moten pretok poveča arterijsko proliferacijo EC in izražanje vnetnih markerjev, medtem ko inhibicija glikolize prepreči te odzive 223,237. Poleg tega aktivacija mitohondrijske oksidativne fosforilacije preprečuje vnetni fenotip, ki ga povzroči moten pretok v arterijskih EC²²³.

Motnje pri nizkem strižnem stresu povzročijo tudi aktivacijo provnetnih transkripcijskih faktorjev YAP in TAZ, medtem ko jih laminarni strižni stres zavira na način, odvisen od integrina^240,241. Aktivacija YAP in TAZ modulira presnovo EC s spodbujanjem glikolize in mitohondrijske aktivnosti na način, odvisen od MYC²⁴²in z uravnavanjem glutaminolize²⁴³. Nasprotno pa glikolitični encim PFK1 stimulira aktivnost YAP in TAZ v pozitivni povratni zanki244. YAP in TAZ sta mehanoregulatorja signalne poti TGF –SMAD vledvica. Dokazano je, da spodbujajo ledvično fibrozo v eksperimentalnem modelu enostranske ureteralne obstrukcije, čeprav je bila vloga REC pri tem fibrotičnem odzivu zaradi prehoda endotelija v mezenhim slabo raziskana^245,246

Zanimivo je, da EC, izpostavljeni motenemu pretoku krvi, kažejo tudi aktivacijo SREBP2, ki uravnava gene, vključene v sintezo holesterola, vključno z encimom, ki omejuje hitrost mevalonatne poti HMG-CoA reduktaze (slika 5e) in zmanjša izliv holesterola^230,247, povečanje znotrajcelične ravni holesterola v EC^230,247. Zanimivo je, da inhibicija HMG-CoA reduktaze s statini inducira endotelno povečanje ekspresije KLF2 in zmanjša pro-vnetno signalizacijo z NF-κB, HIF1 in YAP-TAZ, s čimer inducira EC-podoben odziv na laminarni tok^241,248,249. Poleg tega aktivacija SREBP2 spodbuja transkripcijo miR-92a, poveča izražanje NOX2, ki inducira proizvodnjo ROS, in poveča izražanje vnetja NLRP3, kar na koncu spodbuja vnetje endotelija in aterosklerozo 216,230. Tako je lahko SREBP2 eden ključnih dejavnikov odziva endotelija ledvične arterije in aferentne arteriole na moten pretok.

REC odzivi na spremembe osmolarnosti

Theledvicelahko proizvede urin z zelo različno osmolarnostjo, odvisno od statusa hidracije. Protitočni multiplikator Henlejeve zanke ustvari gradient medularne osmolarnosti, ki je osnova mehanizma koncentracije urina in določa končno osmolarnost urina. Na kratko, TALH – segment tubula, ki je večinoma neprepusten za vodo – aktivno prenaša NaCl iz filtrata v medularni intersticij, pri čemer se vzpostavi razlika v osmolalnosti 20 mOsm/kg H2O v naraščajočem in padajočem toku.²⁵⁰ (slika 6a). Kot osmotski odziv se voda ponovno absorbira skozi tanek padajoči Henlejev krak (TDLH), s čimer se poveča osmolarnost filtrata250. Ko ta filtrat napreduje od TDLH do TALH, aktivna reabsorpcija NaCl s TALH ponovno vzpostavi osmolarno razliko 20 mOsm/kg H2O med TALH in intersticijem, kar dodatno poveča osmolarnost medularnega intersticija250. Množenje teh majhnih osmolalnih razlik med protitočnimi tokovi vodi do velikega kortikomedularnega gradienta osmolalnosti (protitočni množitelj)²⁵⁰. Na ravni vasa recta se odtok vode, ki ga olajšajo akvaporini, pojavi vzporedno z reabsorpcijo sečnine in NaCl v DVR, ki ga poganja razlika med krvno in medularno osmolarnostjo, kar ima za posledico povečano krvno osmolarnost proti papili.²⁵⁰(slika 6a). Nasprotno pa visoko fenestrirani AVR reabsorbira medularno vodo in sprosti NaCl v intersticij, saj ima kri, ki prihaja iz papile, večjo osmolarnost kot medularni intersticij.²⁵⁰(slika 6a). Ta protitočna izmenjava med DVR in AVR vzdržuje medularni osmolarni gradient, ki ga ustvari protitočni množilni sistem (slika 6a). Visoko osmolarnost medule vzdržujejo tudi zbiralni kanali, ki aktivno izvažajo sečnino znotraj notranjega medularnega intersticija, medtem ko koncentrirajo urin v skladu z gradientom medularne osmolarnosti preko transporta vode, ki ga olajša akvaporin. Posledično so medularne celice, vključno z mREC, izpostavljene ekstremnim stopnjam hiperosmolarnosti, zlasti v pogojih dehidracije, kjer lahko osmolalnost pri ljudeh naraste do 1400 mOsm/kg.²⁵⁰(slika 6a). Kot je opisano spodaj, razpoložljivi dokazi kažejo, da so se mREC prilagodili tem ekstremnim razmeram z aktiviranjem zaščitnih mehanizmov in razvojem specifičnega presnovnega profila10. Opozoriti je treba, da so lahko drugi (R)EC izpostavljeni hiperosmolarnim stanjem kot posledici hiperglikemije v kontekstu diabetesa mellitusa.²⁵¹.

Odziv EC na pogoje hiperosmolarnosti je bil slabo raziskan, pri čemer se je večina raziskav na tem področju osredotočila na ledvične epitelijske celice, v katerih hiperosmolarnost sproži zaustavitev celičnega cikla, proizvodnjo ROS in poškodbe DNA²⁵². Natančneje, za epitelijski odziv na hiperosmolarnost je značilna reorganizacija citoskeletnega aktina preko procesa, ki je odvisen od integrinov in Rho družine GTPases253, aktivacija Na plus kanalov NHE4 (ref. 254), NKCC1 in NKCC2 (ref. 255 ), in posledični dotok Na plus ionov za vzdrževanje celičnega volumna. Ti odzivi sprožijo izražanje proteinov toplotnega šoka, da se ohrani pravilno zvijanje proteinov in aktivacija na hiperosmolarnost občutljivega transkripcijskega faktorja TonEBP (znanega tudi kot NFAT5); v pogojih dolgotrajne hiperosmolarnosti, na primer v papili, ti odzivi končno povzročijo kopičenje inertnih organskih osmolitov²⁵².

Dokazi iz študije transkriptoma pri miših, ki so bile izpostavljene pomanjkanju vode, kažejo, da se podoben proces pojavi v ledvičnem medularnem endoteliju10 (slika 6b). Ti mREC-ji kažejo povečano izražanje genov, povezanih s potmi glikolitične in oksidativne fosforilacije10 (slika 6b). Poleg tega so analize transkriptoma pokazale, da te celice vključujejo encimske in transportne procese za pomoč pri kopičenju inertnih organskih osmolitov, kot so sladkorni derivati, polioli (zlasti sorbitol, ki izhaja iz poliolne poti, in mio-inozitol, ki lahko vzeti ali sintetizirati iz glikolitičnih intermediatov), ​​aminokislin (zlasti tavrina) in po možnosti metilaminov, kot sta betain in glicerofosfoholin – za uravnoteženje osmolarnosti med intracelularnimi in zunajceličnimi deli10 (slika 6b). Po dolgotrajnem pomanjkanju vode mREC tudi povečajo Na plus /K plus ATPazo, verjetno zato, da omejijo znotrajcelično kopičenje Na plus (slika 6b). V tej nastavitvi bi oksidativna fosforilacija, ki daje 32 molekul ATP na molekulo glukoze, predstavljala učinkovitejšo strategijo kot anaerobna glikoliza, ki sprosti samo dve molekuli ATP na molekulo glukoze, za vzdrževanje višje aktivnosti Na plus /K plus ATPaze. Poleg tega bodo nekateri vmesni produkti glikolize, ki se kopičijo v EC, izpostavljenih hiperosmolarnim pogojem, verjetno odstopali od svoje glikolitične usode in vstopili v poti sinteze osmolita, zlasti poliolov, sorbitola in mio-inozitola.¹⁰. Skupaj bi te presnovne prilagoditve mREC na spremembe v osmolarnosti omogočile njihovo preživetje v ekstremnih hiperosmolarnih okoljih in jim omogočile ohranitevledvicafunkcijo^10,256.

Prilagoditev EC v tkivni homeostazi

EC dobijo navodila s signalizacijo angiogenega rastnega faktorja iz podpornih celic, kot so periciti, epitelijske celice in podociti. Nasprotno pa endotelij daje navodila svojim neposrednim sosednjim celicam prek avtokrinega signaliziranja.

Izpostavljenost REC angiogenim dejavnikom

Čeprav velja, da EC v odrasli dobi v fizioloških pogojih miruje, je ena najbolj zanimivih ugotovitev, pridobljenih iz razpoložljivih enoceličnih študij RNA-seq o REC, prisotnost nekaterih tipičnih angiogenih EC vledvicakorteks in medula pri zdravih odraslih miših 6,10. Za te REC je značilen genetski program, ki spominja na angiogene migracijske EC (znane tudi kot konične celice) (slika 7a). Te celice so verjetno izpostavljene angiogenim rastnim faktorjem in lahko prispevajo k vaskularni regeneraciji v odrasli vaskulaturi, čeprav njihova vloga še ni znana. Celice v ledvicah lahko proizvedejo angiogene rastne faktorje, bodisi na konstitutivni način (na primer v primeru VEGFA, ki izvira iz podocitov) ali kot odgovor na spremembe pogojev mikrookolja, kot so hipoksija, oksidativni stres, strižni stres ali vnetje. Angiogeni rastni faktorji spodbujajo vaskularizacijo glomerulov in tubulov medledvicarazvoj v procesu, ki je v glavnem odvisen od sodelovanja kaljenja in invasusceptivne angiogeneze257 (sl. 7a,b). Na primer, angiopoetini in njihov sorodni endotelijski receptor Tie2 podpirajo limfangiogenezo in so kritični za razvoj AVR pri mišjih zarodkih ter so potrebni za sposobnost koncentracije urina30. Signalizacija VEGF je potrebna tudi za pravilen razvoj glomerularne arhitekture. Na primer, s protitelesi posredovana nevtralizacija VEGF pri novorojenih miših poslabša tvorbo žil v površinski ledvični skorji in glomerulih ter na koncu poslabša razvoj nefrona 258, medtem ko postnatalna delecija VEGFR2 poškoduje glomerularni endotelij 48. Poleg tega izguba VEGFA, pridobljenega iz podocitov, onemogoča glomerularno vaskularizacijo in povzroči perinatalno smrt, medtem ko heterozigotna izguba Vegfa povzroči glomerularne endoteline in proteinurijo49. VEGF, ki izvira iz podocitov, je torej kritičen znak za vzpostavitev glomerularnega endotelija in njegovo vzdrževanje v kapuci odraslega257. Podobno je VEGFA, pridobljena iz tubularnih epitelijskih celic, potrebna za razvoj in vzdrževanje peritubularnih kapilar⁵⁰.

Tako kot pri endotelijski aktivaciji pri imunski aktivaciji lahko postane fiziološki odziv REC na angiogeno signalizacijo v boleznih moten²⁵⁹. Na primer, pri zavrnitvi opazimo neregulirano angiogenezoledvicaalografti²⁶⁰. Poleg tega je bila izguba angiogenih faktorjev, predvsem VEGF, vpletena v izgubo kapilar po AKI261; nasprotno pa se izboljša regulacija VEGFledvicadelovanje, uporaba VEGF pa zmanjša redčenje kapilar v kontekstu ishemično-reperfuzijske poškodbe^262,263. Eksperimentalni in klinični dokazi kažejo, da je pri CKD porušeno ravnovesje med proangiogenimi in antiangiogenimi dejavniki^259,264. Čeprav je za kronično ledvično bolezen značilno redčenje peritubularnih kapilar, kar spodbujaledvicahipoksija, preprečuje ponovno diferenciacijo regeneracijskih tubulov in je verjetno povezana s prehodom iz endotelija v mezenhim, kar prispeva k fibrozi ledvic, proangiogeno signaliziranje v kapilarnih gREC-jih daje prednost motnjam filtracijske pregrade259. Na primer, dokazi iz živalskih modelov kažejo, da so v zgodnjih fazah diabetične ledvične bolezni glomerularni endotelij in EC, ki se nahajajo v bližini glomerula, podvrženi nenormalni angiogenezi, ki jo posreduje VEGF; blokada angiogeneze v teh modelih izboljša delovanje ledvic²⁶⁵.

Medtem ko je malo znanega o invasusceptivni rasti žil, je bila angiogeneza kaljenja intenzivno označena1. Proces kaljenja je orkestriran z aktivacijo površinskih receptorjev EC in spodnjih signalnih poti z angiogenimi rastnimi faktorji ter pojavom dveh glavnih angiogenih fenotipov EC – proliferirajočih EC (znanih tudi kot peceljne celice) in selitvenih EC (znanih tudi kot konične celice; podrobno opisan drugje^1,266,267). Na presnovni ravni ima vsak angiogeni tip EC posebne potrebe (povpraševanje po energiji in biomasi) v skladu s svojimi proliferativnimi ali migracijskimi fenotipi in temu primerno prilagaja svoj metabolizem144 (okvir 1). Ali angiogene REC, identificirane z enoceličnimi študijami RNA-seq pri zdravih odraslih miših, kažejo fenotipsko in presnovno aktivnost, podobno aktivnosti koničnih celic, je treba še ugotoviti. Poleg tega je potencialna sposobnost presnovnih strategij, kot je presnovni dodatek, za spodbujanje angiogeneze ali limfangiogeneze zaledvicapopravilo in regeneracija prav tako zahteva nadaljnje preiskave.

Angiokrino signaliziranje v ledvicah

EC prav tako neposredno dajejo navodila svojim sosednjim celicam s sproščanjem rastnih faktorjev in citokinov ter izražanjem adhezijskih molekul268. Vledvica, vaskulatura vzpostavi nišo, ki vzdržuje razvoj in vzdrževanjeledvicazgradba in funkcija4,11. Neposreden dokaz za ta koncept so študije induciranih pluripotentnih organoidov ledvic, pridobljenih iz matičnih celic, v katerih je mogoče inducirati zorenje glomerularnih in tubularnih struktur s spodbujanjem vaskularizacije in krvnega pretoka s presaditvijo organoida pod ledvično kapsulo miši269. Poleg tega motnje glomerularnega endotelija v embrionalnih mišjih ledvicah preprečujejo zorenje podocitov, zlasti pridobitev nožnih izrastkov in razrezane diafragme⁴⁹. Zanimivo je, da vaskulatura ledvic v razvoju in odraslih kaže prostorske razlike v izražanju endokrinih dejavnikov. Zdi se, da med razvojem glomerula matrična metaloproteinaza 2, pridobljena iz EC, uravnava interakcijo EC s podociti za glomerulno sestavljanje²⁷⁰, medtem ko izražanje PDGFB stimulira rekrutacijo mezangialnih celic^271,272. Glomerularni endotelij, ki se razvija, izraža tudi gene rastnega faktorja, kot sta Fgf1 in Vegfa, ligand Notch Dll4, nevronsko vodilo Sema5a in antagonist Wnt Dkk2 (ref. 4,11); Dkk2 je obogaten tudi z aferentnimi arteriolnimi gREC, ki so povezani z JGA v odrasli dobi10. Razvijajoče se ledvične arterije in arteriole izražajo tudi rastne faktorje, vključno s Pdgfb, Tgfb2 in Ltbp4 (ref. 11); izražanje Tgfb2 in Ltbp4 ostane obogateno v istih podskupinah REC v odrasli dobi10. Presenetljivo je, da inzulinu podoben signalni sistem rastnega faktorja kaže jasno razdeljenost znotraj odrasle osebeledvicavaskulaturi: Igf1 se izraža predvsem vledvicamedule z REC-ji AVR v papili, Igfbp7 velja za širok marker mREC-jev, Igfbp4 najdemo v aferentnih arteriolarnih gREC-jih, Igfbp3 se večinoma izraža s peritubularnimi kapilarnimi cREC-ji, Igfbp5 pa je obogaten tako v kortikalnih peritubularnih kot glomerularnih kapilarah 10,11. Več drugih endokrinih dejavnikov prav tako kaže heterogeno izražanje med različnimi fenotipi EC v ledvicah odraslih miši10. Njihova vloga pri vzdrževanjuledvicatkiva in funkcije je treba še raziskati.

Angiokrino signaliziranje je prav tako ključnega pomena za procese popravljanja po poškodbi ledvic. Na primer, REC lahko prispevajo k okrevanju ledvic po AKI z uravnavanjem vnetnih odzivov ali zagotavljanjem pro-tubulogenih signalov²⁷³. V kokulturah celice ledvičnih proksimalnih tubulov stimulirajo REC, da izražajo številne angiokrine faktorje, vključno z VEGF, TGF, njegovim antagonistom 2-makroglobulinom in rastnim faktorjem hepatocitov, kar spodbuja preživetje, proliferacijo in diferenciacijo proksimalnega tubula celice274. Verjetno je, da redčenje kapilar povzroči procese 'kronične poškodbe – neregulirano popravilo', ki povzročijo oslabljeno regeneracijo epitelija, izgubo nefrona ter provnetne in fibrotične signale, verjetno zaradi nezadostnih angiokrinih signalov273. V podporo tej hipotezi so dokazi, ki dokazujejo, da imajo izvlečki endotelijskih matičnih celic renoprotektivno delovanje na živalskih modelih AKI s preprečevanjem izgube kapilar in zmanjšanjem fibroze, pri čemer endokrini dejavniki, kot je faktor zaviranja levkemije, preprečujejo in obračajo prehod iz fibroblasta v miofibroblast²⁷⁵.

Upravičene so nadaljnje preiskave fizioloških in patoloških mikrookoljij, ki oblikujejo endokrine profile REC. Poleg tega je treba še določiti mehanizme, s katerimi se presnovni procesi REC povezujejo s temi različnimi endokrinimi podpisi. Zanimivo je, da je študija iz leta 2020 opisala komunikacijo endokrinih presnovkov pri regeneraciji mišic po ishemiji. Ta študija je pokazala, da laktat, pridobljen iz EC, inducira makrofage, da sprejmejo pro-regenerativni fenotip, podoben M2-, pri čemer se postavlja vprašanje, ali se lahko podoben mehanizem pojavi vledvicaza spodbujanje regeneracije po ishemičnih inzultih²⁷⁶.

Sklepi

Žilni sistem sesalcev je dolgo veljal za pasivni kanal za dostavo kisika in hranil v različne organe, pa tudi za odstranjevanje odpadkov, pri čemer endotelij služi kot krvno-tkivna pregrada. Ta paradigma ni več veljavna, saj so intenzivne raziskave na vaskularnem področju razkrile aktivno vlogo endotelija ne le pri regulaciji vazotona in vnetja, temveč tudi pri zorenju organov s proizvodnjo endokrinih mediatorjev, imunosti in delovanju organov. Pomen EC za te procese dokazuje dejstvo, da ima vsak organ koristi od edinstvenega endotelija, ki je prilagojen njegovim posebnim potrebam in ga oblikuje celično in necelično mikrookolje.

Endotelij vledvicaje edinstven za ta organ in kaže veliko heterogenost za vzdrževanje številnih dejavnosti ledvic v homeostazi tekočine in krvnega tlaka. Pomembno je, da disfunkcija REC ni povezana samo z ledvično boleznijo, ampak lahko povzroči napredovanje bolezni, pri čemer je ledvični endotelij opredeljen kot ustrezen terapevtski cilj. V zadnjem desetletju so obsežne analize pokazale, da je metabolizem EC strogo reguliran na celični in subcelični ravni in da različni fenotipi EC kažejo edinstvene presnovne profile. Plastičnost metabolizma EC zagotavlja mehanizem za orkestriranje fenotipskega vedenja EC, kar omogoča EC, da se aktivno odzovejo na spremembe v svojem mikrookolju, hkrati pa zagotavlja potencialno priložnost za terapevtsko ciljanje. Na primer, inhibicija endotelijskega PFKFB3 v tumorskih ECs, normaliziran glikolitični tok in izboljšano zorenje žil sta povezana z zmanjšano endotelno aktivacijo in zategovanjem endotelne pregrade²⁷⁷. Poleg tega dodajanje ECs s prekurzorjem acetil-CoA, acetatom, spodbuja (limfno)angiogenezo, in vitro in in vivo^278–280. Posebne diete lahko ponudijo tudi nove terapevtske poti: študija iz leta 2019 je pokazala, da ketogena dieta spodbuja limfangiogenezo s povečanjem količine acetil-CoA v LEC in zmanjšanjem limfedema na živalskem modelu.²⁸¹

Podobno je vledvica, se domneva, da fenotipsko heterogenost REC poganjajo presnovne prilagoditve celičnim potrebam in signali iz mikrookolja tako v zdravju kot v bolezni. Presnovno ciljanje na endotelijsko disfunkcijo ter angiogenezo in limfangiogenezo so možne strategije za izboljšanje delovanja ledvic v kontekstu bolezni ledvic. Organoidi ledvic so bili predlagani kot regenerativni pristop za nadomestitevledvicavendar je njihova glavna omejitev pomanjkanje razvite vaskulature^282–284. Strategije (vključno s presnovnimi strategijami) za spodbujanjeledvicavaskularizacija organoidov in spodbuja zorenje EC lahko spodbuja zorenje teh organoidov in na koncu olajša njihovo terapevtsko uporabo²⁶⁹. Kljub potrebi po nadaljnjih preiskavah posebnosti ledvičnega endotelija razpoložljivi dokazi podpirajo ključno vlogo teh celic priledvicafiziološke procese in nakazuje, da bi lahko (presnovno) ciljanje na REC zelo koristna strategija za spodbujanje okrevanja in regeneracije ledvic.

1. Carmeliet, P. & Jain, RK Molekularni mehanizmi in klinične aplikacije angiogeneze. Nature 473, 298–307 (2011).

2. Wong, BW, Zecchin, A., Garcia-Caballero, M. & Carmeliet, P. Nastajajoči koncepti v organsko specifičnih limfnih žilah in presnovna regulacija limfnega razvoja. Dev. Celica 45, 289–301 (2018).

3. Marcu, R. et al. Heterogenost endotelijskih celic, specifična za človeške organe. iScience 4, 20–35 (2018).

4. Nolan, DJ et al. Molekularni podpisi tkivno specifične heterogenosti mikrovaskularnih endotelijskih celic pri vzdrževanju in regeneraciji organov. Dev. Celica 26, 204–219 (2013).

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

6. Kalucka, J. et al. Atlas enoceličnega transkriptoma mišjih endotelijskih celic. Cell 180, 764–779.e20 (2020).

7. Herzlinger, D. & Hurtado, R. Oblikovanje ledvične žilne postelje. Semin. Cell Dev. Biol. 36, 50–56 (2014).

8. Jourde-Chiche, N. et al. Struktura in funkcija endotelija pri zdravju in bolezni ledvic. Nat. Rev. Nephrol. 15, 87–108 (2019).

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

10. Dumas, SJ et al. Sekvenciranje enocelične RNA razkriva heterogenost ledvičnega endotelija in presnovno prilagoditev na pomanjkanje vode. J. Am. Soc. Nefrol. 31, 118–138 (2020).

11. Barry, DM et al. Molekularne determinante vaskularne specializacije nefrona v ledvicah. Nat. Komun. 10, 5705 (2019).

12. Jang, C. et al. Izmenjava metabolitov med organi sesalcev, kvantificirana pri prašičih. Cell Metab. 30, 594–606.e3 (2019).

13. Wong, BW, Marsch, E., Treps, L., Baes, M. & Carmeliet, P. Metabolizem endotelijskih celic v zdravju in bolezni: vpliv hipoksije. EMBO J. 36, 2187–2203(2017).

14. Makris, K. & Spanou, L. Akutna ledvična poškodba: definicija, patofiziologija in klinični fenotipi. Clin. Biochem. Rev. 37, 85–98 (2016).

15. Levey, AS et al. Opredelitev in razvrstitev kronične ledvične bolezni: izjava o stališču iz Bolezen ledvic: izboljšanje globalnih rezultatov (KDIGO). Kidney Int. 67, 2089–2100 (2005).

16. Verma, SK & Molitoris, BA Poškodba ledvičnega endotelija in mikrovaskularna disfunkcija pri akutni poškodbi ledvic. Semin. Nefrol. 35, 96–107 (2015).

17. Goligorsky, MS Patogeneza disfunkcije endotelijskih celic pri kronični ledvični bolezni: retrospektiva in kakšna bo prihodnost. Kidney Res. Clin. Prakt. 34, 76–82 (2015).

18. Rosivall, L. & Peti-Peterdi, J. Heterogenost aferentne arteriole – korelacije med morfologijo in funkcijo. Nefrol. Dial. Transpl. 21, 2703–2707 (2006).

19. Guerci, P., Ergin, B. in Ince, C. Makro- in mikrocirkulacija ledvic. Najboljša praksa. Res. Clin. Anesteziol. 31, 315–329 (2017).

20. Wang, K. & Kestenbaum, B. Proksimalni tubularni sekretorni očistek: zapostavljen partner delovanja ledvic. Clin. J. Am. Soc. Nefrol. 13, 1291–1296 (2018).