Hvernig á að gera við og meðhöndla bráða nýrnaskaða?

Tengiliður: Audrey Huaudrey.hu@wecistanche.com

Multi-omic aðferðir við bráða nýrnaskaða og viðgerð

Louisa MS Gerhardt og Andrew P. McMahon

Ágrip

Nýrun hafa ótrúlega endurnýjunargetu. Til að bregðast við blóðþurrðar- eða eitrunaráverkum geta nærliggjandi píplufrumur fjölgað til að endurbyggja skemmda pípla og endurheimta nýrnastarfsemi. Hins vegar alvarlegtbráðum nýrnaskaða(AKI) eða endurtekið AKI (bráðum nýrnaskaða) atburðir geta leitt til vanhæfrar viðgerðar og framvindu sjúkdóms frá AKI (bráðum nýrnaskaða) tillangvinnan nýrnasjúkdóm(CKD). Notkun einfrumutækni hefur greint slösuð nærpíplufrumuástand vikum eftir AKl (bráðum nýrnaskaða), aðgreindar með bólgueyðandi öldrunar sameinda einkenni. Epigenetic rannsóknir hafa bent á kraftmiklar breytingar á litningalandslagi nýrna eftir AKI (bráðum nýrnaskaða)og hafa lýst helstu umritunarþáttum sem tengjast AKI (bráðum nýrnaskaða) svar. Samþætting multi-omic tækni opnar nýja möguleika til að bæta skilning okkar á AKI (bráðum nýrnaskaða) og drifkraftarnir að baki AKl (bráðum nýrnaskaða)-til-CKD umskipti, með lokamarkmiðið að hanna sérsniðnar greiningar- og meðferðaraðferðir til að bæta AKI (bráðum nýrnaskaða) niðurstöður og koma í veg fyrirnýrnasjúkdómurframvindu.

Leitarorð: Bráður nýrnaskaði, Multi-omics, Epigenomics, einfrumu RNA-röðun, ATAC raðgreining.

Kynning

Bráður nýrnaskaði(AKI), sem greinist með skyndilegri aukningu á kreatíníni í sermi og/eða minnkun á þvagrúmmáli, er mjög algengt ástand sem tengist aukinni veikindum og dánartíðni auk verulegs heilbrigðiskostnaðar [1e4]. Til dæmis benda núverandi vísbendingar til þess að að minnsta kosti 25 prósent allra á sjúkrahúsi COVID-19 sjúklinga fái AKI (bráðum nýrnaskaða) og að þessir sjúklingar séu með marktækt meiri dánarhættu en COVID-19 sjúklingar án AKI (bráðum nýrnaskaða) [5]. Sjúklingar sem lifa af AKI (bráðum nýrnaskaða) eru í aukinni hættu á að skipta yfir í langvinnan nýrnasjúkdóm á lokastigi [3,4,6]. Samkvæmt ársskýrslu bandaríska nýrnagagnakerfisins 2018, voru aðeins 52,6 prósent sjúkrahúsvistarsjúklinga, sem hittu AKI, (bráðum nýrnaskaða)greiningarviðmið, fengu greininguna AKI (bráðum nýrnaskaða), sem kallar eftir meiri vitund fyrir AKI (bráðum nýrnaskaða) í venjum sjúkrahúsa [7]. Ennfremur snemma greining á AKI (bráðum nýrnaskaða)takmarkast af skorti á viðkvæmum lífmerkjum og tiltækum meðferðarúrræðum fyrir AKI (bráðum nýrnaskaða) halda áfram að treysta á blóðaflfræðilega hagræðingu, forðast eiturverkanir á nýru og nýrnauppbótarmeðferð.

Nærpíplufrumur, algengasta frumugerðin í nýrum, eru ábyrgar fyrir stórum hluta nýrnavökva og endurupptöku uppleystra efna og hafa komið fram sem stórir þátttakendur í aðlögunar- og óaðlagandi svörun við AKI (bráðum nýrnaskaða) [8]. Vegna mikillar efnaskiptavirkni þeirra og háð oxunarefnaskiptum leiðir blóðþurrð hratt til ATP-tæmingar, uppsöfnunar hvarfgjarnra súrefnistegunda og að lokum frumudauða eða dreps á nærliggjandi píplafrumum (Mynd 1). Nærliggjandi píplufrumur sem lifa af blóðþurrðartilvik hafa getu til að aðgreina, fjölga og endurbyggja skemmda pípla, og gegna þannig mikilvægu hlutverki í aðlögunarviðgerðarferlinu til að endurheimta nýrnastarfsemi [9-11]. Hins vegar hafa vanaðlagaðar nærpíplafrumur, sem einkennast af bólgueyðandi og profibrotískri svipgerð, einnig verið bendluð við framgang sjúkdóms frá AKI (bráðum nýrnaskaða) við langvarandi nýrnasjúkdóm (CKD), flókið ferli sem felur í sér bólgu, sjaldgæfa æðakerfi og framleiðsla utanfrumufylkis með virkjuðum pericytes og myofibroblasts (mynd 1) [8,12]. Omics tækni sem skoðar erfðafræðilega skipulagningu, tjáningu gena og próteinafurðir, eins og prófun á transposasaaðgengilegu litningi með raðgreiningu (ATAC-seq), mRNA raðgreiningu og massagreiningu, í sömu röð, hefur verulega bætt sameindainnsýn í frumuviðbrögð sem koma af stað með AKI (bráðum nýrnaskaða). Nú síðast hafa einfrumunotkun þessara aðferða gert kleift að rannsaka frumuviðburði í áður óþekktri upplausn. Þessar og aðrar multi-omics nálganir gefa fyrirheit um alhliða skilning á regluverkum sem stjórna nýrnasjúkdómum, sem opnar nýjar leiðir fyrir lífmerki og uppgötvun lyfja. Í þessu handriti er farið yfir nýlegar niðurstöður sem beita Omics tækni tilnýrnaskaðaog viðgerð og íhugar framtíðarbeitingar fjöl-omic nálgna til að auka skilning og meðferð ánýrnaskaðaognýrnasjúkdómur.

Mynd 1:Yfirlit yfir AKI og ferla.

Nærliggjandi píplafrumur eru mjög næmar fyrir blóðþurrð, sem getur leitt til frumudauða með frumudauða og stjórnað (pyroptosis, ferroptosis, necroptosis) auk óreglulegrar dreps og losunar bæði dauðra og lífvænlegra frumna inn í pípulaga holrýmið. Eftirlifandi nærpíplufrumur (PTC) geta aðgreint og fjölgað til að endurheimta nýrnabyggingu og virkni; hins vegar getur vanhæf viðgerð einnig leitt til þess að sjúkdómurinn versni yfir í langvinnan nýrnasjúkdóm (CKD). Þetta ferli einkennist af sjaldgæf æðamyndun, aðgreiningu pericyte til myofibroblasts, aukinni trefjaútfellingu utanfrumu (ECM) útfellingu, píplutapi og langvinnri bólgu. Nfkb1 auk misheppnaðra viðgerða PTC, sem einkennist af öldrunartengdri seytingarsvipgerð (SASP), gegna líklega mikilvægu hlutverki í AKI (bráðum nýrnaskaða)-til-CKD umskipti.

Erfðafræði

Erfðafræðilegar rannsóknir miða að því að bera kennsl á erfðafræðilegan grundvöll sjúkdóms með tilgátudrifinni markvissri raðgreiningu á frambjóðendagenum eða tilgátulausri raðgreiningu í heild sinni. Hér munum við einbeita okkur að rannsóknum á erfðamengi-víðum tengslarannsóknum (GWAS) sem nota óhlutdræga nálgun til að kortleggja raðafbrigði yfir allt erfðamengið að svipgerðareiginleikum eins og sjúkdómseinkennum og leyfa auðkenningu umsækjenda gena fyrir vélrænar rannsóknir (Mynd 2). Í samanburði við aðra sjúkdómseinkenni, tiltækur fjöldi GWAS sem spyr erfðafræðilegan bakgrunn AKI (bráðum nýrnaskaða) er af skornum skammti. Þetta er að hluta til vegna flókins og ólíks eðlis AKI (bráðum nýrnaskaða) sem sjúkdómseinkenni. AKI (bráðum nýrnaskaða) getur stafað af fjölmörgum mismunandi þáttum eins og blóðþurrð, blóðsýkingu, eiturlyfjum á nýru og nýrnakvilla. Núverandi vísbendingar benda til þess að undirliggjandi sameinda- og frumukerfi AKI (bráðum nýrnaskaða) hafa orsök-sértæka þætti [13,14], en samhljóða skilgreiningu á AKI (bráðum nýrnaskaða) — breyting á kreatíníni og þvagframleiðslu í sermi — gerir ekki grein fyrir mismunandi AKI (bráðum nýrnaskaða) ástæður.

Einfaldað verkflæði fyrir rannsókn á erfðamengi-wide association (GWAS) er sýnd (efst til vinstri). Til að rannsaka tengsl á milli erfðaafbrigða og tiltekins eiginleika, er raðgreining heils erfðaefnis eða arfgerð með því að nota einkirnisfjölbreytni (SNP) fylki gerð á þýði og tölfræðileg tengslapróf eru notuð til að bera kennsl á SNP sem tengist þeim eiginleikum sem vekur áhuga. Fyrir einfrumu RNA raðgreiningu (efst til hægri) er einfrumu sviflausn útbúin, stakar frumur eru einangraðar og mRNA sameindir úr frumunni (eða kjarnanum) eru fangaðar á perlur fyrir síðari umbreytingu í cDNA. cDNA er magnað og raðir ákvarðaðar með næstu kynslóðar raðgreiningu (NGS) og raðkortlagningu að erfðamenginu. Fyrir epigenomic greiningu (neðst til hægri) er prófun fyrir transposasa-aðgengilegt litning (ATAC) fylgt eftir með NGS og raðkortlagningu til að sjá aðgengi krómatíns um allt erfðamengi. Ofvirkur Tn5 transposasi (Tn5) er notaður til að kljúfa sérstaklega staði á opnu krómatíni og setja samtímis inn raðunarmillistykki fyrir NGS. Svæði með auknu aðgengi að krómatíni eru sýnd sem ATAC toppar. Fyrir próteingreiningu með massagreiningu (neðst til vinstri) eru prótein dregin út, melt í peptíð og jónuð. Í massarófsmælinum er jónum hraðað, þær verða fyrir segulsviði og hlutfall massa og hleðslu þeirra er mælt, sem gerir kleift að bera kennsl á prótein og magngreina.

Hingað til hafa tveir stærri GWAS yfirheyrt erfðafræðilegan bakgrunn AKI (bráðum nýrnaskaða). Fyrsta rannsóknin sýndi tengsl einkjarna fjölbrigða (SNP) í GRM7 LMCD1-AS1 og BBS9 staðlinum við kransæðahjáveituaðgerð sem tengist AKI (bráðum nýrnaskaða) í uppgötvunarhópi 873 sjúklinga og afritunarhópi [15]. Annar hópurinn sameinaði sjúklinga úr tveimur aðskildum hópum til að mynda uppgötvun íbúa 1429 alvarlega veika sjúklinga og greindi fjóra AKI (bráðum nýrnaskaða)-tengd SNPs í nálægð við annað hvort interferon regulatory factor 2 (IRF2) eða umritunarþáttinn T-box 1(TBX1)[16]. Athyglisvert er að IRF2 hefur verið tengt við pyroptosis og hefur stjórnunarhlutverk í ónæmiskerfinu[17,18]og TBX1 er hluti af T-box genafjölskyldunni, hópi umritunarþátta sem gegna mikilvægu hlutverki í frumuörlögum og frumuástandi [19 ]. Hins vegar, tengslin milli AKI (bráðum nýrnaskaða) og ekki var hægt að endurskapa þessar staðsetningar í væntanlegum hópi bráðveikra sjúklinga, sem voru sérstaklega arfgerð fyrir greindar SNPs [20]. Þetta undirstrikar nauðsyn enn stærri úrtaksstærða fyrir framtíðar AKI (bráðum nýrnaskaða) GWAS og sýnir erfiðleika við að bera kennsl á sterka erfðafræðilega áhættuþætti fyrir ólíka sjúkdóma eins og AKI (bráðum nýrnaskaða).

Að auki mun greining á tjáningarmegindlegum eiginleikum (eQTL) líklega hjálpa til við að þýða innsýn sem GWAS hefur fengið yfir á sjúkdómskerfi. OTL greiningar miða að því að bera kennsl á staði sem útskýra brot af tjáningarfráviki gena í vefjum og er hægt að nota til að tengja SNPs í erfðamengi sem ekki er kóðað við markgenatjáningu. Til dæmis leiddi samþætt nálgun sem sameinar GWAS, eOTL og starfrænar tilraunir til auðkenningar á genum sem taka þátt í meingerð langvinnrar nýrnasjúkdóms [21-23].

Mynd 2:Skýringarmynd af völdum omics tækni.

Transcriptomics

Tilkoma nýrrar stigstærðrar tækni til að rannsaka umrit frumna í slösuðu nýra hefur gjörbylt skilning okkar á viðbrögðum frumna við AKI (bráðum nýrnaskaða), afhjúpa ný frumuástand og lýsa upp kraftmikið breytilegt umritunarlandslag viðgerðarnýrna. MRNA raðgreining nýrna á einu ári eftir AKI (bráðum nýrnaskaða) sýndu tímabundnar sértækar genatjáningarbreytingar sem tengjast pípluskaða, fjölgun, viðgerð, bandvefsmyndun og ónæmi [24]. Þessi mús AKI (bráðum nýrnaskaða) gögn lífsýnasafns sýndu að bólgutengd gen voru enn stýrð einu ári eftir AKI (bráðum nýrnaskaða), sem bendir til þrálátrar bólgu sem drifþáttur framvindu sjúkdómsins yfir í langvinnan nýrnasjúkdóm. Magn mRNA raðgreiningar á venjubundnum nýrnaígræðsluvefjasýnum gerði kleift að greina skammtíma- og langtíma umritunarbreytingar í nýrnaígræðslum manna af völdum blóðþurrðar/endurflæðisskaða (IRI) við ígræðslu [25]. Öll nýrnasýni voru tekin á fyrstu klukkustundunum eftir endurflæði sýndu svipaða umritunarsnið sem einkenndist af virkjun gena sem svara strax til snemma, sem mörg hver kóða umritunarstýrandi þætti.

3 og 12 mánuðum eftir ígræðslu var hins vegar hægt að afmarka tvær ólíkar leiðir sem tengjast annaðhvort bata eða versnun til langvinnrar nýrnasjúkdóms. CKD-lík brautin sýndi niðurstýringu í tjáningu gena sem tengjast lífmyndun hvatbera og uppstjórnun á bólgu- og bandvefstengdum genum, eins og sést í músamódelinu af AKI (bráðum nýrnaskaða) [24,25]. Bæði rannsóknir á músum og mönnum benda til áberandi hlutverks fyrir virkni T- og B-frumna og útlits miðstöðvar háskólaeitlavefs í langtímaútkomum AKI (bráðum nýrnaskaða) [25,26]. Greining á músinni AKI (bráðum nýrnaskaða) gagnasöfn um lífbanka og nýrnaígræðslu í mönnum færa rök fyrir sjálfvirkri mótefnavakadrifinni B-frumuvirkni, sem stuðlar að framgangi sjúkdóms með viðvarandi ónæmissvörun, einu ári eftir AKI (bráðum nýrnaskaða) [27].

Þó að magn mRNA raðgreining hafi reynst mjög upplýsandi í AKI (bráðum nýrnaskaða) rannsóknum, frumugerðasértæk svör eru ekki aðgreind með þessari tækni. Erfðafræðilegar aðferðir við að merkja mismunandi frumugerðir bæta við meiri nákvæmni og aukinni innsýn. Til dæmis, að þýða ríbósóm sæknihreinsun (TRAP) notar eGFP merkingu á L10a ríbósóma undireiningunni til að bera kennsl á tiltekna mRNA undirhópinn í einstökum frumugerðum sem gangast undir virka þýðingu [28]. Fyrsta TRAP rannsóknin í AKI (bráðum nýrnaskaða) rannsóknir notuðu erfðafræðilegt líkan af CRE recombinasa-miðlaðri virkjun á eGFP-L10a snældunni sérstaklega innan nýrna-, stromal-, æða- eða ónæmisfrumugerða og sýndu sérstakar umritunarbreytingar tengdar hverju frumuhólfi eftir AKI (bráðum nýrnaskaða) [29]. Mörg gen tengd nýrnapíplustarfsemi voru lækkuð 24 klst. eftir AKI (bráðum nýrnaskaða). Aftur á móti var genum sem taka þátt í virkni gegn apoptotic ferli, frumufjölgun og frumuhreyfingu verulega uppstýrt. TRAP greining á nærliggjandi píplufrumum sem auðkenndar voru með áverkamerkinu Kim-1(kóðarað af Hazel) sýndi að meirihluti Kim-1-jákvæðra frumna tókst að gera við tveimur vikum eftir AKI (bráðum nýrnaskaða), þó að 15 prósent hafi haldið tjáningu á Kim-1 og áverkamerkinu Sox9 [10], sem undirstrikar viðvarandi slasað frumuástand [30]. Klónagreining leiddi í ljós að stækkun Kim-1 jákvæðra einrækta endurbyggði skemmdar nærpíplar, sem styður viðgerðarlíkan með aðgreiningu á nærpíplum, frekar en í gegnum tiltekna stofn-/forfrumufrumuþýði [30]. Umritun FoxMI var mjög uppstýrt í Kim-1-jákvæðum nærpíplafrumum og sýnt var að hún knýr nærpíplafjölgun í zítró á háðan hátt sem háður húðvaxtarþáttarviðtaka [30]. MRNA raðgreiningaraðferðir með mikilli afköstum, að skoða heilfrumu mRNA raðgreiningarsnið (scRNA-seq) eða kjarnastaðbundin mRNA umrit (snRNA-seq), hafa aukið AKI verulega (bráðum nýrnaskaða) nám. Þessar aðferðir veita djúpa sameindainnsýn í tjáningu gena á frumustigi þegar þær eru sameinaðar með öflugum reikniaðferðum, sem bera kennsl á breytilegar frumugerðir og frumuástand um allt líffæri [31,32]. scRNA-seq byrjar á sviflausn stakra frumna eða stakra kjarna, sem eru merktar með einstökum sameindamerkjum og leystar (Mynd 2). mRNA er síðan öfug umritað, magnað og raðgreint. Í snRNA-seq rannsókn á nýrum sem urðu fyrir einhliða þvagrásarstíflu (UUO) komu fram tvær nýjar nærliggjandi píplufrumuþyrpingar 14 dögum eftir UUO, annar þeirra hafði sterka útbreiðslu einkenni, en hinn tjáði gen sem taka þátt í bólgu og frumuhreyfingum, ss. Ccl2, II34, Cxcll og Dock10 [33].

Svipaður frumuþýði er áberandi í snRNA-seq rannsókn sem sýnir slasaða nýra eftir IRI [34]. Fyrstu klukkustundirnar eftir IRI er niðurstýring á eðlilegri tjáningu á nærpíplum gena og áberandi umritunarsvörun þar á meðal strax snemma gena og þekktu áverkamerkin HuverI og Krt20 [24,25,34]. Daginn tvö eftir IRI sýndi stór hluti nærpíplafrumna annaðhvort fjölgunarsnið eða endurheimti t-umritunareinkennið fyrir sérhæfðar nærpíplufrumur. Hins vegar spáði lítill hópur bólgueyðandi frumna sem einkennast af tjáningu Vcaml í flestum frumum og samtjáningu á Cal2 í undirhópi fyrir virkni NF-KB fjölskyldu umritunarþátta. Þó að nærliggjandi píplafrumum fjölgaði fækkaði tveimur vikum eftir AKI (bráðum nýrnaskaða), bólgueyðandi, profibrotic proximal tubule cell frumum fjölgaði, sem bendir til tengsla milli misheppnaðs pípulaga viðgerðar og bólgueyðandi, profibrotic frumu þýði (Mynd 1). Athyglisvert er að afbrotsgreining á magni RNA raðgreiningarrannsóknum benti til þess að svipað þýði fjölgaði eftir því sem nýrun eldast venjulega og eftir ígræðslu.

Í samræmi við áðurnefnda rannsókn [34], erfðafræðilega sértæk áhersla á slasaðar nærpíplufrumur fjórum vikum eftir vægari AKI (bráðum nýrnaskaða), með því að nota Krt20-T2A-CRE-ERT2 mýs til að merkja og hreinsa slasaðar nærpíplufrumur, sýndu svipaða skaddaða frumusvipgerð: VcamI/Cal2 plús slasaða nærpíplufrumuþýði sem var enn frekar aðgreindur af sterkri bólgueyðandi( td Cal2, Vcam1, Cxcll, /34) og siðlaus (td Pdgfb, ColAal) umritunarundirskrift, með merktri virkjun NF-KB, TNF og AP-1 merkja [35]. Þessar særðu nærpíplufrumur deildu eiginleikum öldrunartengdrar seytingarsvipgerðar (SASP) sem auðkennd er í öðrum slösuðum líffærum (Mynd 1) [35,36]. Öfugt við fyrri AKI (bráðum nýrnaskaða) rannsóknum [12], ekkert marktækt G2/M frumuhringsstopp kom fram hjá þessum þýði. Viðbótartilraunir á örlagakortlagningu á hjólandi frumum sýndu meirihluta VcamI plús /Cal2 plús nærpíplafrumna, staðbundnar við barkbekkjarmörk, rakin til nærliggjandi píplafrumna sem fjölguðu á fyrstu dögum eftir AKI (bráðum nýrnaskaða). Hins vegar voru Vuamt plús /Cu2 nærpíplar frumur í heilaberki líklega aukastaði áverka, sem ekki tengjast snemmbúnum afritunar-tengdri viðgerð á nærpíplum.

alhliða atlas yfir áverkasvörun við A unilateral-ischemia reperfusion (UIR) sem framkvæmir scRNA-seq á mörgum tímapunktum frá fyrsta degi til dags 14 eftir að UIR leiddi í ljós aukna tjáningu í skadduðum frumum Sox4 og Cd24a, gena sem eru auðkennd fyrir hlutverk í nýrnaþroska [37]. Einnig var greint frá nýjum frumuþýði, „blandaðar sjálfsfrumur“ sem sýndu samtjáningu á nærpíplum (Sl34a7), þykkum hækkandi útlim (Umod) eða safnrásarmerkjum (Agp2). scRNA-seq gögn frá músafólínsýrunýrnakvilla og UUO módelum sýndu að minni tjáning aðgreiningarmerkja eins og uppleyst burðarefni í skadduðum nærpíplufrumum tengist niðurstjórnun gena sem taka þátt í efnaskiptaferlum, svo sem fitusýruoxun [38]. Kjarnaviðtakinn Esrra var auðkenndur sem mikilvægur tengsl milli aðgreiningar á nærpíplum og efnaskipta vegna þess að hann stjórnaði beint tjáningu efnaskipta- og nærpíplusértækra gena. Þessi og aðrar scRNA-seq rannsóknir hafa einnig sýnt fram á áður ómetna fjölbreytni ónæmisfrumna í sýktum nýrum [38,39].

Ein mikilvæg takmörkun allra umræddrar umritunartækni er skortur á landupplýsingum. Nýir umritunarvettvangar gera það nú mögulegt að sjá mRNA tjáningu staðbundið með því að sameina og festa vefjasnemma beint á einstaklega strikamerkta rannsaka, mynda vefjahlutann og framkvæma öfuga umritun á staðnum fylgt eftir með rannsakanda losun og raðgreiningu [40]. Í kjölfarið er hægt að kortleggja raðgreina umritin aftur á vefjahlutann sem myndaður var. Þessi staðbundna umritunartækni leyfði sértækri staðsetningu tveggja umritunaraðgreindra frumutegunda nærpíplahluta S3 [41] að heilaberki og ytri rönd ytri medulla [42]. Í mismunandi músa AKI (bráðum nýrnaskaða) líkön, afbrot einstakra staðbundinna umritunarbletta með því að nota scRNA-seq gögn leiddu í ljós AKI (bráðum nýrnaskaða) líkansértæk mynstur fyrir íferð ónæmisfrumna og gerði kleift að bera kennsl á sérstakan Af3-tjáandi nærliggjandi píplufrumuþýði, sem myndast með daufkyrningum eftir IRI [43]. Þessar rannsóknir sýna möguleika á tímabundnum athugunum til að spá fyrir um örumhverfisstýringu á frumuviðbrögðum eftir AKI (bráðum nýrnaskaða).

Epigenomics

Frumugerðarsértæk forrit fyrir mismunandi genatjáningu eru háð epigenetic breytingu á litningi (til dæmis histónmetýleringu og asetýleringu) og DNA (til dæmis með cýtósínmetýleringu á CpG leifum) sem svari við DNA-bindandi umritunarstýringum og tengdum þáttum. Uppsöfnuð sönnunargögn benda til mikilvægs eftirlitshlutverks fyrir epigenetic kerfi í AKI (bráðum nýrnaskaða) og nýrnaviðgerðir [44-46]. Að gefnu frábæru ítarlegu yfirliti[44-47], vísum við aðeins stuttlega yfir valdar nýlegar epigenomics rannsóknir í AKI (bráðum nýrnaskaða) rannsóknir.

Positively charged histone proteins provide the core for packing negatively charged DNA, through electrostatic interactions, into nucleosomes — the structural unit of chromosomes[44]. Modifications to the amino-terminal tails of histones alter the chromatin structure or recruit chromatin modifiers, thus altering gene expression. An unbiased mass spectrometry screen of 63 different histone marks in the healthy kidney revealed widespread histone modifications with a compartment-specific pattern [48]. In this bulk tissue analysis, few histone marks showed a quantitatively significant change >5 prósent eftir UUO. Athyglisvert var að tilkynnt var um viðbótarbreytingar á mismunandi merkjum á sömu amínósýrunni, sem bendir til samræmdrar svörunar við AKI (bráðum nýrnaskaða) [48].

H3K4me3-auðkenndir hvatar voru bornir saman við H3K27ac-merkta aukaefni eftir AKI (bráðum nýrnaskaða) með því að nota krómatín ónæmisútfellingu og næstu kynslóðar raðgreiningu (ChIP-seq) [49]. Virkar aukasíður sýndu kraftmeiri breytingu sem svar við AKI (bráðum nýrnaskaða). Breytingar á litningi á virkum aukastaði tengdust breyttri bindingu umritunarþátta eins og Hnf4a, Gr og Stat3. Hnf4a er lykilumritunarþáttur í tilgreiningu og aðgreiningu nærliggjandi píplafrumna [50]. nærliggjandi píplafrumum fækkaði sem svar við AKI (bráðum nýrnaskaða) [49]. Þetta stuðlar líklega að AKI (bráðum nýrnaskaða)-framkallaða aðgreiningu særðra nærpíplafrumna. Stat3 er lykilumritunarstýrikerfi í bólgukerfi með NF-KB og virkjunarpróteini-1(AP-1)stýrandi þáttum [51].AP-1 ferlarvirkjunar er mjög varðveitt sem upphafsþáttur svar við mús AKI (bráðum nýrnaskaða) og nýrnaígræðslu-tengd IRI [24,25]. Stat3 þátttöku á Junb stað sem svar við AKI (bráðum nýrnaskaða) bendir til hlutverks fyrir Stat3 óvirkjun á AP-1 umritunarhlutum[49]. Ennfremur skerti hömlun á brómóléni og auka-enda (BET)-háð virkjunartæki bata eftir AKI (bráðum nýrnaskaða), sem leggur áherslu á mikilvægu hlutverki aukavirkni í AKI (bráðum nýrnaskaða)viðgerð[49].

ATAC-seq hefur orðið útbreiddasta aðferðafræðin til að meta opnleika litninga og álykta um virkni reglubundinna og umritaðra erfðamengjasvæða. Hratt hefur ATAC-seq tæknin færst frá viðkvæmum magnvefsgreiningum með aðeins 500 frumum, yfir í staka kjarnagreiningu, og nú síðast samhliða greiningu á litningaástandi og genatjáningu í sömu frumunni [41,52-54]. ATAC-seq notar ofvirkan Tn5 transposasa til að skera á opið litning og merkja skorið DNA með DNA millistykki til að auðvelda byggingu safns og DNA raðgreiningu (Mynd 2). Að gefnu aðeins tveimur markstöðum í hverju erfðamengi eru ATAC gögn af skornum skammti og snATAC rannsóknir nota reikniaðferðir til að hópa frumur með svipuð snATAC snið og til að samþætta sjálfstætt mynduð sc eða snRNA-seq gagnasett. Nýleg rannsókn sýndi misleitni frumna í heilbrigðum fullorðnum nýrnasýnum úr mönnum með samþættum snATAC-seq og snRNA-seq gagnasettum [55]. Athyglisvert er að rannsóknin benti á undirhóp VCAM1- sem tjáir nærliggjandi píplafrumur, sem sýndu minnkaða virkni HNF4A og aukna virkni NF-KB fjölskyldumeðlima, sem líkjast að hluta til bólgueyðandi, profibrotískum skadduðum nærpíplufrumum sem greindust í músarnýranum. vikum eftir AKI (bráðum nýrnaskaða) [34,35,55]. Gnægð þessa frumustofns jókst með tímanum í öldruðum músum og var meira í nýrum með sykursýki en hjá heilbrigðum viðmiðunarhópum. Þannig virðast sum frumuviðbrögð varðveitast milli mismunandi nýrnasjúkdóma og milli tegunda. Hins vegar, að hve miklu leyti þessi frumuþýði stuðlar að aldurstengdu tapi á nýrnastarfsemi ognýrnasjúkdómurframfarir krefjast frekari rannsóknar.

Uppgötvun frumutegunda og eftirlitsspár eru bættar með því að samgreina snRNA-seq og snATAC-seq í sama kjarna [41]. Þessi tækni var nýlega notuð til að einkenna heilbrigðan nýrnavef manna og AKI (bráðum nýrnaskaða) og CKD vefjasýni sem sýna nýjan frumufjölbreytileika í venjulegum nýrum og varpa ljósi á sambærilegt áverkaástand hjá músum og mönnum AKI (bráðum nýrnaskaða), sem og breytt þykkt hækkandi útlimsfrumuástand sem einkennist af tjáningu Proml og Dcd2[56]. Að auki staðfærðu staðbundin umritun vöðvafíbroblasta og ónæmisfrumna í nýrnasjúkdómssýnum á staði með skaða á nærpíplum [56].

Cistanche endurheimtir skerta nýrnastarfsemi

Próteomics og metabolomics

Rannsóknir á próteinum og umbrotsefnum í plasma, þvagi og nýrnavef með því að nota gel rafdrætti og massagreiningu er viðbót við umritunar- og epigenomic verkfæri. Massagreining getur greint og magngreint stórsameindir (td prótein) og frumuumbrotsefni innan flókins vefs, með því að mæla sameindalega aðgreinda massahleðslueiginleika sameinda þegar þær eru jónaðar og verða fyrir segul- eða rafsviði (Mynd 2) [57]. Margar próteinfræðirannsóknir hafa beinst að því að bera kennsl á lífmerki fyrir AKI (bráðum nýrnaskaða)(ítarlega yfirfarið annars staðar[57-59]). Til dæmis var sýnt fram á að magn þvagvefshemils metallópróteinasa-2(TIMP2) og IGF-bindandi próteins-7(IGFBP7) gæti spáð fyrir um dauða og nýrnabilun hjá alvarlega veikum sjúklingum með AKI (bráðum nýrnaskaða) [60]. Meðferð á TIMP2 og IGFBP7 samhliða sjúklingum með stuðningsmeðferð samkvæmt leiðbeiningum um nýrnasjúkdóma bæta alþjóðlega útkomu (KDIGO) fyrir sjúklinga í mikilli hættu á AKI(bráður nýrnaskaði) minnkað AKI (bráðum nýrnaskaða) þróun á fyrstu 72 klst. eftir hjartaaðgerð, en hafði ekki áhrif á dánartíðni og þörf fyrir nýrnauppbótarmeðferð [61]. Þessar niðurstöður og niðurstöður úr öðrum lífmerkjarannsóknum eru uppörvandi; hins vegar, kjörinn lífmerki eða líklegri lífmerkispjald fyrir AKI (bráðum nýrnaskaða)áhættumat, markviss AKI (bráðum nýrnaskaða)forvarnir, forspárgreiningu og hugsanlega jafnvel meðferðarleiðbeiningar í venjubundinni klínískri framkvæmd hefur enn ekki verið skilgreint.

Fyrir utan drifið fyrir árangursríkt AKI (bráðum nýrnaskaða) lífmerki, einnig er hægt að nota próteinfræði til að yfirheyra AKI (bráðum nýrnaskaða) lífeðlisfræði [62]. Forklínísk rannsókn á AKI af völdum cisplatíns (bráðum nýrnaskaða)leiddi í ljós veika fylgni milli transcriptome og próteóms í slasaða nýra [63]. Rannsóknin gaf til kynna að misræmið á milli þessara tveggja aðferða væri knúið áfram af próteinbreytingum í utanfrumuhólfinu, til dæmis í komplementkerfinu [63]. Athyglisvert er að umfang sundrungar á milli RNA og próteintjáningar var í sterkri fylgni við alvarleika meiðsla eins og gefur til kynna með kreatíníni í sermi og magni þvagefnis í blóði [63]. Þetta undirstrikar mikilvægi breytinga eftir umritun í AKI (bráðum nýrnaskaða)svar.

Nýlega hefur nær-einfrumu próteomics prófílgreining, sem gerir magn próteómískra mælinga frá allt að 10 til 100 leysirfanga örgreindum nýrnafrumum, verið notuð til að bera kennsl á prótein sem eru sértæk fyrir gaukla og nærpípulaga hólfið í heilbrigða nýra [64] . Sum auðguðu hólfasértækustu próteinanna tengdust vel tjáningu samsvarandi gena í fræfrumunni og nærpípluþyrpingunni í scRNA-seq gagnasetti, í sömu röð. Ennfremur er hægt að greina meira en 40 próteinmerki samtímis á einum vefjahluta með myndgreiningu á massa frumugreiningu (IMC), sem gerir þannig kleift að rannsaka próteinið í staðbundnu samhengi [65]. IMC á heilbrigðu nýra úr mönnum leiddi í ljós óvænt frumumisleitni og greindi sjaldgæfa megalín/aquaporin-1/vimentin (Lrp2/Aqp1/Vim)-jákvæða frumugerð sem gæti endurspeglað slasaða (Vim plús) nærpípla (Lrp2 plús /Aqp1) plús ) frumuástand [65]. Notkun þessarar tækni á AKI (bráðum nýrnaskaða) rannsóknir munu veita mikilvæga innsýn í proteomic landslag meiðsla og viðgerðar.

Rannsóknin á umbrotsefni nýrna (sameindir minni en 1500 Da [62]) hefur aukið enn frekar skilning á AKI (bráðum nýrnaskaða) lífeðlisfræði.

Efnaskipti

prófílgreining á skadduðum nýrnavef með vökvaskiljun-massagreiningu leiddi til þeirrar niðurstöðu að de neo nicotinamide adenine dinucleotide(NAD plus ) nýmyndun er skert í AKI (bráðum nýrnaskaða) [66]. Niðurstýring á hvatbera lífmyndun eftirlitsstofnanna PGCla í AKI (bráðum nýrnaskaða) leiddi til staðbundinnar NAD plús eyðingar, en PGC1 oftjáning jók nýrnamagn NAD plús og minnkaði AKI (bráðum nýrnaskaða) [66]. Óhlutdræg þvagskim hefur einnig sýnt fram á aukið magn NAD plús forvera kínólíns í þvagi músa eftir IRI [67] sem stafar af lækkun á kínólín fosfóríbósýltransferasa í nýrum (QPRT), lykilensím í de novo NAD plús nýmyndun [67]. Minnkuð QPRT-gildi um nýru tengdust hærra AKI(bráður nýrnaskaði) næmi [67]. Nikótínamíð meðferð til inntöku bjargaði AKI (bráðum nýrnaskaða)-framkallað NAD í nýrum ásamt skorti á nýmyndun í músum, og lítil stig 1 klínísk rannsókn hefur bent til hugsanlegs nýrnaávinnings af meðferð með nikótínamíði hjá sjúklingum sem gangast undir hjartaaðgerð [67]. Umbrotsfræðirannsókn á nýrnaígræðslu úr mönnum, fyrir og eftir endurflæði, sýndi greinilega mismunandi efnaskiptasnið ígræðslu með seinkaða ígræðsluvirkni í framtíðinni samanborið við ígræðslu án seinkaðrar ígræðslustarfsemi [68]. Ígræðslur með seinkun á ígræðslustarfsemi í framtíðinni einkenndust af viðvarandi ATP/GTP niðurbroti, sem bendir til þess að orkujafnvægi verði snemma endurheimt sem meðferðarmarkmið í AKI (bráðum nýrnaskaða) forvarnir [68]. Massagreining (MSI) er öflug tækni sem notuð er til að sjá fyrir staðbundna dreifingu umbrotsefna, próteina eða lípíða, með frumu- og undirfrumuupplausn [69]. MSI greining á slösuðum nýrum sýndi blóðfitu og notaði ch coll .x7rr til að greina á milli vægrar og alvarlegrar blóðþurrðar strax 2 klst. eftir áverka [70,71].

Ályktanir og sjónarhorn

Tiltæk omics tækni hefur ýtt undir skilning okkar á AKI (bráðum nýrnaskaða) og viðgerð. Samþætting eða samtímis öflun mismunandi omics gagnasetta mun auka enn frekar innsýn í AKI (bráðum nýrnaskaða), og staðfestandi niðurstöður úr rétthyrndum aðferðum munu veita auðkenndum aðferðum aukið traust. Ný innsýn, verkfæri og upplýsingaauðlindir safnast fyrir með fjárfestingu NIDDK í nokkrum stórum samsteypum, þar á meðal nýra nákvæmnislækningaverkefninu og endurbyggingu nýrnaáætlunarinnar. Stóra áskorunin á þessu tímum „stórra gagna“ er að álykta líffræðilega viðeigandi fyrirkomulag úr mjög flóknum gagnasöfnum til að lýðræðisfæra aðgang að þessum gögnum með notendavænum skoðunar- og gagnagreiningarkerfum, og að lokum að þýða vaxandi meinalífeðlisfræðilega innsýn okkar í greiningu og meðferðaraðferðir sem bæta umönnun sjúklinga og AKI (bráðum nýrnaskaða) niðurstöður.

Yfirlýsing um hagsmuni í samkeppni

Höfundarnir lýsa yfir eftirfarandi fjárhagslegum hagsmunum/persónulegum samböndum sem geta talist hugsanlega samkeppnishagsmunir: APM er vísindalegur ráðgjafi um nýrnatengda nálgun við sjúkdóma í mönnum fyrir Novartis, eGenesis, Aviva og Trestle Biotherapeutics.

Viðurkenningar

Við biðjum alla rannsakendur afsökunar sem ekki var hægt að ræða um verk þeirra vegna takmarkaðs pláss. Við þökkum Dr. Pietro E.Cippà fyrir gagnrýninn lestur handritsins. LMS Gerhardt var styrkt af þýska rannsóknarstofnuninni (DFG), Þýskalandi með doktorsstyrk (GE 3179/1-1). Starf á rannsóknarstofu AP McMahon er stutt af styrkjum frá NIDDK, Bandaríkjunum (DK126024,54364,126925) og ChanZuckerberg Initiative, Bandaríkjunum (CZIF2019-002430).

Heimildir

Greinar sem vekja sérstakan áhuga, birtar innan endurskoðunartímabilsins, hafa verið auðkenndar sem:

1. Chertow GM, Burdick E, Honor M, Bonventre JV, Bates DW:Bráður nýrnaskaði, dánartíðni, lengd dvalar og kostnaður hjá sjúklingum á sjúkrahúsi.JASN (J Am Soc Nephrol) 2005, 16:3365-3370.

2. Mehta RL, Cerda J, Burdmann EA, Tonelli M, Garcia-Garcia G, Jha V, Susantitaphong P, Rocco M, Vanholder R, Sever MS, o.fl.: International Society of Nephrology's 0by25 frumkvæði fyrirbráðum nýrnaskaða(null dauðsföll sem hægt er að koma í veg fyrir árið 2025): mannréttindamál fyrir nýrnalækningar. Lancet 2015, 385:2616-2643.

3. Hsu RK, Hsu CY: Hlutverkbráðum nýrnaskaðaí langvarandi 3. H nýrnasjúkdóm. Semin Nephrol 2016, 36:283-292.

4. Chawla LS, Eggers PW, Star RA, Kimmel PL:Bráður nýrnaskaðiog langvarandi nýrnasjúkdómur sem samtengd heilkenni. N Engl J Med 2014,371:58-66.

5. Legrand M, Bell S, Fomi L, Joannidis M, Koyner JL, Liu K, 5, 1; Cantaluppi V: Meinalífeðlisfræði COVID-19-tengtbráðum nýrnaskaða. Nat Rev Nephrol 2021.https://doi.org/10.1038/s41581-021-00452-0. Þessi umfjöllun veitir ítarlegt yfirlit yfir núverandi rit sem tengjast COVID-19-tengtbráðum nýrnaskaða.

6. Zuk A, Bonventre JV: Nýlegar framfarir ábráðum nýrnaskaða6. 2 og afleiðingar þess og áhrif á langvinnan nýrnasjúkdóm. F Curr Opin Nephrol Hypertens 2019,28:397-405. Þessi frábæra umsögn tekur saman meinalífeðlisfræðilega aðferðir sem liggja að baki umskiptin frá bráðum yfir í langvarandi nýrnaskaða og undirstrikar hlutverk vanstarfsemi hvatbera, bólgu, öldrunar og frumudauða í þessu ferli.

7. Saran R, Robinson B, Abbott KC, Agodoa LYC, Bragg Gresham J, Balkrishnan R, Bhave N, Dietrich X, Ding Z, Eggers PW, o.fl.: Bandarískt nýrnagagnakerfi 2018 ársskýrsla: faraldsfræði nýrnasjúkdóma í Bandaríkin. AmJ Kidney Dis 2019,73:A7-A8.US Renal Data System 2018 ársskýrsla fáanleg á: https://www.usrds.org/media/2282/2018_volume{{9} }ckd_í__us.pdf. (Sótt 11. apríl 2021).

8. Ferenbach DA, Bonventre JV: Mechanisms of maladaptive 8. repair after AKI (bráðum nýrnaskaða) sem leiðir til hraðari öldrunar nýrna og langvinnrar nýrnasjúkdóms. Nat Rev Nephrol 2015,11:264-276.

9. Kusaba T, Lalli M, Karmann R, Kobayashi A, Humphreys BD: 9. Mismunandi nýrnaþekjufrumur gera við slasaða nærpípla. Proc Natl Acad Sci US A 2014,111:1527-1532. 10.Kumar S, Liu J, Pang P, Krautzberger AM, Reginensi A,

10. Akiyama H, Schedl A, Humphreys BD, McMahon AP: Sox9 virkjun varpar ljósi á frumuferli nýrnaviðgerðar í bráðslösuðu spendýrsnýra.Cell Rep 2015,12:1325-1338.

11. Kang HM, Huang S, Reidy K, Han SH, Ching F, SusztakK: Sox9 jákvæðar frumur gegna lykilhlutverki í endurnýjun nýrnapípla þekjuvefs í músum. Cell Rep 2016,14:861-871.

12. Yang L, Besschetnova TY, Brooks CR, Shah JV, Bonventre JV: Stöðvun þekjufrumuhrings í G2/M miðlar bandvefsmyndun í nýrum eftir áverka. Nat Med 2010, 16:535-543.

13. Xu K, Rosenstiel P, Paragas N, Hinze C, Gao X, Shen TH, Werth M, Forster C, Deng R, Bruck, o.fl.: Einstök umritunarforrit bera kennsl á undirgerðir AKI (bráðum nýrnaskaða).JASN (J Am Soc Nephrol) 2017,28:1729-1740.

14. Mar D, Gharib SA, Zager RA, Johnson A, Denisenko O, Bomsztyk K: Misleitni erfðafræðilegra breytinga við blóðþurrð/endurflæði og endotoxín af völdumbráðum nýrnaskaðagenum. Kidney Int 2015, 88:734-744.

15. Stafford-Smith M, Li YJ, Mathew JP, Li YW, Ji Y, Phillips-Bute B, Milano CA, Newman MF, Kraus WE, Kertai MD, o.fl.bráðum nýrnaskaðaeftir kransæðahjáveituaðgerð greinir næmisstaðirnir. Nýra Int 2015,88:823-832.

16. Zhao B, Lu Q, Cheng Y, BelcherJM, Siew ED, Leaf DE, Body SC, Fox AA, Waikar SS, Collard CD, o.fl.bráðum nýrnaskaða.Am J Respir Crit Care Med 2017, 195:482-490.

17. Kayagaki N, Lee BL, Stowe IB, Kornfeld OS, O'Rourke K, Mirrashidi KM, Haley B, Watanabe C, Roose-Girma M, Modrusan Z, et al: IRF2 framkallar umritun GSDMD tjáningu fyrir pyroptosis. Sci Signal 2019, 12.

18. Matsuyama T, Kimura T, Kitagawa M, Pfeffer K, Kawakami T, Watanabe N, Kündig TM, Amakawa R, Nishihara K, Wakeham A: Markviss röskun á IRF-1 eða IRF-2 leiðir til óeðlileg IIFN genaframleiðsla og afbrigðileg eitilfrumuþróun. Cell 1993, 75:83-97.

19. Papaioannou VE: T-box genafjölskyldan: ný hlutverk í þróun, stofnfrumum og krabbameini. Þróun 2014.141:3819-3833.

20. Renken IJE, Vilander LM, Kaunisto MA, Vaara ST, Snieder H, Keus F van der Horst ICC, Pettilä V∶Engin tengsl milli erfðafræðilegra staðsetningar nálægt IRF2 og TBX1 ogbráðum nýrnaskaðaí bráðveikum.AmJ Respir Crit Care Med 2019,201:109-111.