Ágrip

Bakgrunnur: Nýrað er mjög flókið líffæri með margar aðgerðir sem eru nauðsynlegar fyrir heilsuna. Nýrnasjúkdómur kemur fram þegar nýrun eru skemmd og virka ekki rétt. Einfrumugreining er öflug tækni sem veitir áður óþekkta innsýn í eðlilegar og óeðlilegar nýrnafrumugerðir og mun breyta skilningi okkar á verkum algengra nýrnasjúkdóma.

Samantekt: Skilningur okkar á meingerð nýrnasjúkdóms takmarkast af ófullkominni sameindagreiningu á frumugerðum sem bera ábyrgð á nýrnastarfsemi. Notkun einfrumutækni í nýrnarannsóknum hefur leitt í ljós misleitni frumna, genatjáningarsnið og sameindavirkni í þróun og framgangi nýrnasjúkdóma. Einfrumugreining á nýrnalíffærum og ígræðsluvef hefur veitt nýja innsýn í lífrænni nýrnamyndun, sjúkdómsferli og meðferðarárangur. Á heildina litið mun betri skilningur á misleitni nýrnafrumna og sameindavirkni nýrnasjúkdóma bæta greiningarnákvæmni og hjálpa til við að bera kennsl á nýjar meðferðaraðferðir í nýrnalækningum.

Lykilboð: Í þessari yfirlitsgrein tökum við saman nýlegar einfrumurannsóknir á nýrnasjúkdómum og ræðum áhrif einfrumutækninnar á grunn- og klínískar nýrnarannsóknir.

Leitarorð

Einfrumutækni; Nýrnasjúkdómur; Ónæmisfrumur; Nýra líffæri; Ígræðsla;Cistanche ávinningur.

Kynning

Nýrun eru tvö baunalaga líffæri sem bera ábyrgð á að sía úrgang, umfram vatn og önnur óhreinindi í blóðinu og framleiða þvag. Nýrun stjórna einnig pH, salt- og kalíummagni og blóðþrýstingi; stjórna framleiðslu rauðra blóðkorna; og virkja D-vítamín sem hjálpar líkamanum að taka upp kalk. Hingað til er áætlað að um 850 milljónir manna um allan heim þjáist af nýrnasjúkdómum, þar á meðal langvinnum nýrnasjúkdómum (CKD), bráðum nýrnaskaða, nýrnabilun og mörgum öðrum sjúkdómum. Nýrnasjúkdómur kemur fram þegar nýrun eru skemmd og geta ekki sinnt hlutverki sínu. Tjón getur stafað af sykursýki, háum blóðþrýstingi og ýmsum öðrum langvinnum (langtíma) sjúkdómum. Nýrnasjúkdómur getur leitt til annarra heilsufarsvandamála, þar á meðal beinþynningar, taugaskemmda, vannæringar og hjartasjúkdóma. Núverandi meðferðaraðferðir fyrir sjúklinga eru áfram nýrnaígræðslur eða skilun, sem eru kostnaðarsöm.

Margvíslegar frumur í nýrum, þar á meðal þekju-, thylakoid-, æðaþels- og taugafrumur, svo og ónæmisfrumukerfi, hafa samskipti til að viðhalda eðlilegri nýrnastarfsemi. Dýpri skilningur á misleitni heilbrigðra nýrna og ferlunum sem liggja að baki nýrnasjúkdómum mun betrumbæta sameinda- og vefjameinafræðilega svipgerðaskilgreiningu nýrna og styðja við þróun nýrra sjúkdómaflokka. Einfrumutækni er hugsanlega hagkvæm við að greina frumuundirgerðir, ástand og tíðnibreytingar við upphaf og framvindu nýrnasjúkdóms. Á undanförnum árum, með hraðri þróun einfrumu RNA raðgreiningartækni (scRNA-seq) með mikilli afköst, hefur alhliða frumuatlas um eðlilegt nýra verið smíðað fyrir rannsóknir á nákvæmni nýrnalækninga. The Kidney Precision Medicine Project (KPMP) var þróað á heimsvísu til að fá nýrnavefsýni úr mönnum, búa til nýrnavefsatlas, skilgreina undirhópa sjúkdóma og að lokum bera kennsl á lykilfrumur, ferla og markmið fyrir nýjar meðferðir. Byggt á nýrnatengdum einfrumu umritunargagnagrunni greindu vísindamenn einnig genatjáningarsnið ACE2, TMPRSS2 og SLC6A19 í nýrnafrumuundirgerðum, sem er mikilvægt til að skilja meingerð alvarlegs bráðs öndunarfæraheilkennis coronavirus 2. Í þessari umfjöllun, við munum leggja áherslu á (1) þróun og beitingu einfrumutækni, (2) notkun scRNA-seq til að rannsaka þróun og framvindu nýrnasjúkdóma, (3) sameindakortlagningu ónæmisfrumna í nýrnasjúkdómum, ( 4) notkun scRNA-seq á nýrnalík líffæri, og (5) notkun scRNA-seq til að rannsaka nýrnaallógræðslu í dýpt (Mynd 1).

Smelltu hér til að fááhrif Cistanche á nýrun

Þróun og beiting einfrumu umritunartækni

Ein fruma er grunneining lífsins. Einfrumugreiningaraðferðir hafa gjörbylt getu okkar til að bera kennsl á frumusamsetningu, fylgjast með sameindavirkni og sýna meinafræðilega aðferð. Snemma alþjóðleg einfruma genatjáningargreining var framkvæmd með því að nota microarray og qPCR tækni. Tietjen o.fl. notað einfrumu örfylki til að fylgjast með sameindatjáningarsniði einstakra taugafrumna og forfrumna og til að skilgreina boðleiðir á mismunandi þroskastigum. Að auki greindi einfrumugreiningu nokkrar frumuundirgerðir sem eru að þróast sem hafa ný brisgen, sem gefur nýja innsýn í brisþroska. Þessi bekkur þróaði einfrumu qPCR tækni og beitti þeim til rannsókna á helstu stjórnunargenum í músum blastocyst þróun og blóðmyndandi ættaraðgreiningu.

Með tilkomu næstu kynslóðar raðgreiningartækni hefur scRNA-seq sýnt skýra kosti við að greina mismunandi ísóform, samsætutjáningu og ný afrit í stökum frumum með lægri kostnaði. árið 2009, Tang o.fl. greint frá fyrstu einfrumu mRNA heilum umritsröðuninni, sem sýnir hversu flókin umritunarafbrigði eru í eggfrumum eða eggfrumum úr stakri mús. smart-seq was 2012 var þróað til að greina umrit í fullri lengd í stökum frumum, og með því að nota það á sjaldgæfar frumur, greindust vísindamenn frambjóðandi lífmerki fyrir æxlisfrumur í blóði sortuæxla. Ári síðar var Smart-seq2 með bættri öfugri umritun, lestrarumfjöllun, hlutdrægni og nákvæmni kynnt. nýleg þróun í Smart-seq3 hefur bætt næmni þess til muna við að greina þúsundir einfrumuafrita við samsætu- og ísóformupplausn. Ólíkt PCR-undirstaða mögnunaraðferðum, fangar CEL-seq skilvirk einfrumu umrit með margfaldri línulegri mögnun. Rannsókn sem notaði CEL-seq til að rannsaka snemma þróun Cryptobacterium hidradenoma fósturvísa leiddi í ljós fjölfaldanlegar og viðkvæmar niðurstöður þess við einfrumuupplausn. Fyrsti sjálfvirki vettvangur scRNA-seq er Fluidigm C1, sem notar örvökvakerfi til að fanga stakar frumur í 96 eða 384 hólfum, fylgt eftir með frumugreiningu, öfugumritun og PCR mögnun.

Síðan 2015 hafa einfrumurannsóknir að fullu gengið inn á tímum mikils afkösts, lágmarkskostnaðar og sjálfvirkni með áframhaldandi framboði á Drop-seq, inDrop, 10× Genomics, Seq-well, Microwell-seq og SPLiTseq. Drop-seq og inDrop aðskilja einstakar frumur í nanólítra stóra dropa og blanda þeim saman við einstakt strikamerki til að merkja hverja frumu. Aftur á móti gera Cyto-seq, Seq-well og Microwell-seq kleift að raða einfrumu mRNA raðgreiningu með mikilli afköstum með því að fanga frumu og strikamerki perlu í örholu. Hópurinn okkar smíðaði fyrsta músafrumuatlasinn og frumulandslag manna á einfrumustigi með því að nota Microwell-seq. Nýlega eru meiri afköst og einfaldari aðferðir kallaðar SPLiT-seq og sci-RNA-seq fyrir scRNA-seq. Þessar aðferðir nota frumuna eða kjarnann sjálfan sem hvarfhólf til að strikamerkjamerktar frumur í gegnum nokkrar umferðir við skiptingu laugarinnar. Allar frumur fara síðan í cDNA PCR mögnun og raðgreiningu. Cao o.fl. notaði sci-RNA-seq3 til að greina umskrift um það bil 2 milljóna lífrænna frumna í músum og 4 milljóna fósturfrumna úr mönnum, sem gefur hnattræna sýn á þroskaferla spendýra. Önnur einfrumutækni sem nær yfir erfðafræðilegar, próteinfræðilegar og epigenomic greiningar hefur einnig blómstrað; þó eru þær utan gildissviðs þessarar greinar.

Tilvik og framgangur nýrnasjúkdóms

Margir algengir og alvarlegir sjúkdómar geta haft áhrif á nýrun, þar á meðal bráða nýrnaskaða, gauklabólgu, hækkandi sýkingar (nýrnabólgu) og krabbamein. Á heildina litið er skilningur okkar á meingerð nýrnasjúkdóms takmarkaður af ófullkominni sameindagreiningu á frumugerðum sem bera ábyrgð á líffærasértækri starfsemi. Til að loka þessu þekkingarbili, hópur okkar og Park o.fl. smíðaði umritunaratlas um heilbrigt músarnýra með því að nota scRNA-seq. Helstu undirgerðir þekjufrumna í nýrnaeiningum voru peduncle frumur, nærliggjandi pípulaga þekjufrumur, Henle hringur, fjarpíplar og safnrásarfrumur. Í rannsókninni var bent á nýja tegund flökkufrumna til að safna rásfrumuþýðum, sem staðfestir fyrri niðurstöður um innbyrðis umbreytingu milli intercalated fruma og aðalfruma í scRNA-seq rannsóknum. Að auki, Ransick o.fl. greindi nýru karl- og kvenkyns fullorðinna og myndaði líffærafræðilegan atlas yfir nýrnaþætti músa á einfrumustigi. Hópurinn okkar framkvæmdi einnig Microwell-seq greiningu á fósturvef manna og nýrnavef fullorðinna. Auk þekjufrumna, æðaþelsfrumna, stromalfrumna og ónæmisfrumna innan vefsins, greindum við áður ólýsta s-gerð líkamsfrumutegunda í fósturnýra og nýja flutningsfrumutegund í fullorðinsnýra. Einfrumu sameindasnið á æðakerfi nýrna leiddi í ljós sérhæfða tjáningarsnið nýrungabyggingarinnar og leiddi í ljós meingerð nýrnasjúkdóms. Ennfremur voru allar gerðir gauklafrumna auðkenndar úr heilbrigðum músum og mismunandi sjúkdómslíkönum með einfrumu umritaþyrpingagreiningu og ný sjúkdómstengd gen og stjórnunarferli greindust í sjúkdómslíkönum, eins og Hippo ferillinn sem virkjaður var í fræfrumum eftir nýrnaeitrandi ónæmi. meiðsli.

Bandvefsbólga í nýrum er einkenni langvinnrar nýrnasjúkdóms og hefur áhrif á meira en 10 prósent jarðarbúa. Í misleitu samlífslíkani um bandvefsmyndun í nýrum, Kramann o.fl. notaði scRNA-seq til að staðfesta að einfrumur hafi lagt til lítinn hluta af vöðvavefjafrumum, en að flestir vöðvavefjafrumur væru fengnir úr mesenchymal frumum. Í kjölfarið hafa Kuppe o.fl. [37] greindi umskrift um það bil 135,000 frumna úr nærliggjandi og óaðlægum píplum og staðfesti enn frekar að mismunandi ísóform MSCs eru aðal þátttakendur í nýrnatrefjun í mönnum. Ennfremur, í samanburðargreiningu á heilbrigðum og trefjabundnum nýrnaeinkornum, var vöðvafíbróblasta-sértækt gen, nakin keratinocyte homolog 2 (NKD2), auðkennd sem hugsanlegt meðferðarmarkmið fyrir bandvefsmyndun í nýrum í mönnum. Byggt á 402 nýrnavefsýnum hefur verið spáð fyrir um fíbrínógen í þvagi sem ekki ífarandi lífmerki hjá sjúklingum með langvinnan nýrnasjúkdóm.

Stöðluð Cistanche

Sykursýkisnýrnakvilli (DN) einkennist af samtímis skemmdum á gaukla og pípulaga millivef. Hins vegar er tiltölulega lítið vitað um hvernig frumustaða og tíðni breytist við upphaf sjúkdóms og framvindu genatjáningar. Til að skýra breytingar á genatjáningu gauklafrumu í DN músa, Fu et al. framkvæmt scRNA-seq greiningu og benti á nokkra nýja hugsanlega merki gauklafruma, þar á meðal Magi2, Robo2, Ramp3 og Fabp4. Í nýrnakvilla af völdum sykursýki (DKDs) breytist stjórnun æða- og flæðiferla í æðaþelsfrumum, á meðan þýðing og próteinstöðug stjórnunarferli eru mjög auðguð í thylakoid frumum. Á heildina litið munu breytingar á sameindavirkni æðaþels- og thylakoidfrumna hjálpa til við að bera kennsl á mikilvæga meinalífeðlisfræðilega þætti sem stuðla að framvindu DN. Chung o.fl. sýndi einfrumu umritið glomeruli í múslíkani af sykursýki. Genatjáning var breytt í thylakoid og fræfrumum í ob/ob músum samanborið við viðmið. Fjölgunarleiðir voru framkallaðar í thylakoid frumum og frumudauðatengdar leiðir voru framkallaðar í fræfrumum, í samræmi við breytingar á frumufjöldahlutföllum. Alhliða greining á birtum DKD scRNA-seq gagnasettum benti á 17 lykilgen, sem auðgaði skilning okkar á sameindaháttum sem liggja að baki meingerð DKDs. Þar að auki gaf óhlutdræg einkjarna RNA raðgreining (snRNA-seq) á nýrnasýnum úr mönnum með sykursýki sem varðveitt var í frosti 23.980 umritanir úr þremur viðmiðunarsýnum og þremur snemma DN sýnum. Niðurstöðurnar sýndu frumugerðarsértækar breytingar á tjáningu gena sem benda til aukinnar kalíumseytingar í DN manna. Fyrri rannsókn sem bar saman scRNA-seq og snRNA-seq í nýrum í fullorðnum músum sýndi að hið síðarnefnda hafði skilvirkari fangagetu. Til dæmis voru gauklafrumur, thylakoid frumur og æðaþelsfrumur teknar með snRNA-seq frekar en scRNA-seq. Notkun snRNA-seq lágmarkar gerviáhrif ensímmeltingar og er hægt að framkvæma á frosnum sýnum, sem búist er við að muni leiða til víðtækari notkunar til að flýta fyrir rannsóknum á meinafræðilegum aðferðum í ýmsum nýrnasjúkdómum.

Nákvæmt frumuumrit getur leitt í ljós uppruna nýrnaæxlisfrumna og umritunarferlar sem styðja illkynja umbreytingu. young o.fl. skilgreindar eðlilegar og krabbameinslegar nýrnafrumugerðir úr mönnum úr verslun með 72.501 einfrumu umrita. Með því að bera kennsl á tiltekna eðlilega frumufylgni nýrnakrabbameinsfrumna (RCC), sýndi rannsókn sönnunargögn fyrir tilgátunni um að æxlisfrumur Wilms séu afbrigðilegar fósturfrumur og að RCC geti verið upprunnin frá lítt þekktri undirtegund nærpíplafrumna. Þannig veitir scRNA-seq stigstærða tilraunastefnu til að einkenna nýrnakrabbameinsfrumur úr mönnum með nákvæmri megindlegri sameindaupplausn.

Sameindaatlas ónæmisfrumna í nýrnasjúkdómum

Ónæmisfrumur eru grundvallarþáttur í vefjum manna og gegna mikilvægu hlutverki í lífeðlisfræðilegum og meinafræðilegum umbrotum. Reyndar er hæfni ónæmiskerfisins til að þekkja sjúkdómsvaldandi eða hættumerki eða illkynja frumur afgerandi. Notkun einfrumutækni við rannsóknir á ónæmisfrumum í nýrum hefur tilhneigingu til að auðvelda betri skilning á hlutverki ónæmiskerfisins í meingerð heilbrigðra nýrna og sjúkdóma, auk þess að greina nýjar meðferðaraðferðir. Þessar tilraunir eru farnar að kortleggja hið flókna ónæmislandslag í nýrum og sýna tengslin á milli ónæmisfrumna sem búa í vefjum og nágranna þeirra sem eru virkjaðir.

Árið 2018 veitti notkun scRNA-seq í nýrnavef músa yfirgripsmikið landslag ónæmisfrumna, þar með talið átfrumur sem búa, daufkyrninga, B og T eitilfrumur og NK frumur. Einu ári síðar var gerð fordæmalaus einfrumurannsókn á tímabundnu skipulagi ónæmisfrumna í nýrum manna. Myeloid og eitil ónæmisfrumukerfi sem búa í vefjum voru auðkennd í nýrum fósturs og fullorðinna, og rannsóknir greindust áunninn umritunaráætlanir eftir fæðingu sem stuðla að vörn gegn sýkingum. Að auki var spáð að víxltal milli þroskaðra nýrnaþekjufrumna og ónæmisfrumna myndi safna bakteríudrepandi átfrumna og daufkyrninga á viðkvæmustu svæði nýrna. Á heildina litið stuðlar alhliða ónæmislandslag nýrna til rannsókna á sjúkdómsvaldandi aðferðum og auðkenningu lækningamarkmiða í ónæmis- og smitandi nýrnasjúkdómum.

Lupus nephritis (LN) er hugsanlega banvænn sjálfsofnæmissjúkdómur þar sem núverandi meðferðir eru árangurslausar og oft eitraðar. Sameinda- og frumuferli sem leiða til nýrnaskemmda og misleitni LN eru enn óljós. scRNA-seq var notað af Arazi o.fl. til að bera kennsl á 21 sjúkdómssértæka undirhópa mergfruma, T, náttúrulegra drápsfrumna og B frumna í LN sjúklingum. Á sama hátt, Der o.fl. beitt scRNA-seq á vefjasýni úr nýrum og húð frá LN sjúklingum. Tilkynnt var um að interferónsvörun af tegund I í pípulaga þekjufrumum væri hærri hjá LN sjúklingum en heilbrigðum viðmiðunarhópum. Að auki tengdust bólgu- og trefjafræðilegir eiginleikar pípulaga frumna óvirkni meðferðar. Í DKD sýndi scRNA-seq greining marktækt meiri fjölda ónæmisfrumna í gaukla af völdum sykursýki en í samanburðarhópi. Þessar rannsóknir benda til þess að genatjáningarsnið ónæmisfrumna í þvagi, húð og nýrum séu mjög tengd, sem bendir til þess að þvag- og húðsýni gætu verið hugsanleg uppspretta greiningar- og forspármerkja fyrir nýrnasjúkdóm.

Nýlegar rannsóknir hafa sýnt fram á hlutverk ónæmisfrumna í líkönum af nýrnasjúkdómum með einfrumuupplausn. Einhliða þvagteppulíkön eru mikið notuð við millivefsvefjamyndun í nýrum, þar sem átfrumur og bólgufrumur síast inn í millivef nýrna, sem leiðir til verulegra breytinga á blóðafl og efnaskiptum nýrna. scRNA-seq hefur verið notað í afturkræfum einhliða þvagteppulíkönum til að kryfja mergfrumulandslag við framgang bandvefs og afturför. Conway o.fl. leiddi í ljós misleitni í mergfrumur, með kraftmiklum breytingum á hlutfallslegum hlutföllum undirhópa, einfrumur eru fengnar snemma í skaðanum, Ccr2 plús átfrumur safnast fyrir seint í áverkanum og nýr þyrping af Mmp12 plús átfrumum gegnir hlutverki í viðgerðarferlinu. Í nýrnasjúkdómum og nýrnaígræðslu tengist blóðþurrð-endurflæðisskaða (IRI) bólgu og nýliðun hvítkorna. Tilraunalíkön af IRI voru notuð til að meta starfrænt hlutverk 2 hópa af meðfæddum eitilfrumulíkum frumum í nýrum og gögnin benda til þess að þessar frumur hafi óþarfa virkni við nýrnaskaða. Með því að beita scRNA-seq á nýrnaígræðslu IRI líkan, Kremann o.fl. komst að því að síðari CXCR5 plús hvítfrumnaíferð leiddi til hækkaðs almenns CXCL13 gildis. knRNA-seq var einnig beitt á IRI músarlíkan af Kirita o.fl. að einkenna nákvæm frumuviðbrögð eftir meiðsli og að bera kennsl á sérstakt bólgueyðandi og pro-fibrotískt nærpípluástand. Þvagsýra, lokaoxunarafurð púrínefnaskipta, er nátengd nýrnabólgu í nokkrum sjúkdómslíkönum. Til dæmis skynjar NLRP3 (NOD-, LRR- og pýrín-innihaldandi byggingarsvæði 3) merki um of mikið af þvagsýru og bólgublöðrur eru virkjaðar í nýrnakvilla með þvagræsi. Hins vegar eru sértæku ónæmiskerfin sem liggja að baki nýrnaskaða af völdum ofþvagsýruhækkunar ekki þekkt. Gert er ráð fyrir að bygging bólgueyðandi líkamslandslags á einfrumustigi í líkani af nýrnaskaða af völdum ofþvagsýruhækkunar verði að veruleika í náinni framtíð.

Ónæmisíferð er til staðar í nýrnaæxlum og er undir áhrifum af örumhverfi æxlis. Fyrri rannsókn sýndi að æxlisíferð átfrumnahópa tjá æðaþelsvaxtarþátt A og taka þátt í flóknu VEGF boðleiðinni í RCC vefjum. Þessi rannsókn sýnir að scRNA-seq getur tekið á æxlismyndun og greint meinta meinalífeðlisfræðilega aðferð og frumuboðakerfi sem geta þjónað sem skotmörk fyrir lyfjameðferð. Á heildina litið dregur rannsóknin fram framfarir í scRNAseq sem veita innsýn í ónæmiskerfið og frumukerfin sem starfa í heilbrigðum og sjúkum nýrum.

Jurtalyf Cistanche

Notkun scRNA-seq á nýrnalífræn efni

Auk rannsókna á sýktum nýrnavef, hafa nýrnalífræn efni orðið lykiltæki til að rannsaka líffæramyndun og sjúkdómsferli og hafa tilhneigingu til að flýta fyrir þróun meðferðar sem uppspretta annarra vefja. Samhliða því hafa framfarir í scRNA-seq leitt til ítarlegri greiningar á ýmsum frumu undirhópum og genatjáningarbreytingum í nýrnalíkum líffærum.

Á heildina litið er betri skilningur á nýrnafósturþroska á einfrumustigi nauðsynlegur til að leiðbeina þroska nýrnalíkra líffæra. Einfrumu umritunarrannsóknir á nýrum fósturs manna hafa greint 22 frumugerðir og samsvarandi merkigen.

Samanburður á mismunandi þroskastigum sýnir samfellu í sameindavirkni fótfrumna. Önnur einfrumugreining var gerð á nýrum fósturs manna og nýrnalíkum líffærum úr fósturstofnfrumu. Samanburðargreining á þroskaferlum einfrumu í nýrum leiddi í ljós svipaða genatjáningarsnið in vivo og in vitro, að undanskildum seint stigum fræfrumum, sem bendir til ófullkomins þroskaferlis fræfrumnalíkra líffæra. Ígræðslutilraunir benda ennfremur til þess að hægt sé að fínstilla thylakoid og æðaholið með því að nota lífræn líkön. Nýleg rannsókn þar sem notuð var aftari nýrna- og þvagblöðrulíkar frumur til að mynda nýrnalíffæri sýndi að scRNA-seq bætti nærþroska pípla og minnkaði frumuhópa utan markhóps. scRNA-seq greining á mannlegum fjölhæfum stofnfrumum (PSC)-afleiddum nýrnalíffærum var framkvæmd af Subramanian et al. og Wu o.fl. Í samanburði við einfrumugagnasett úr nýrum fósturs og fullorðinna, sýndu hin mismunandi nýrnalík líffæri að mestu endurskapanlegar frumugerðir, en með mismunandi frumuhlutföll vegna nærveru frumna utan markhópsins. Að auki leiddi umritunarþátta netgreiningu í ljós aðgreiningarferli nýrna líffæra, sem undirstrikar kraft einfrumutækninnar við að einkenna og leiðbeina aðgreiningu líffæra.

Að lokum eru nýralík líffæri úr mönnum gagnleg úrræði til að vinna sjúkdómslíkön, hugsanlega stjórnunaraðferðir, skimun lyfja með mikilli afköstum og að lokum endurnýjandi meðferðir. Þessar rannsóknir undirstrika hugsanlega notkun scRNA-seq í nýrnalíkönkerfum til að skýra lífeðlisfræðilega og meinafræðilega ferla in vivo og veita leiðbeiningar um framtíðarrannsóknir á greiningu og meðferð nýrnasjúkdóma.

Innsýn í nýrnaígræðslu með scRNA-seq

Ósamgena nýrnaígræðsla er ein áhrifaríkasta klíníska meðferðin við nýrnasjúkdómum á lokastigi. Einfrumutækni býður upp á tækifæri til að greina nákvæmlega og nákvæmlega nýrnafrumugerðir og stöðu með því að nota vefjasýni úr mönnum eftir ósamgena ígræðslu. Fyrsta birta skýrslan um nýrnaígræðslu vefjasýnissýni greindu 8746 einfrumu umrit og skilgreindu mismunandi bólguviðbrögð. Einfrumur mynduðu óklassíska CD16 plús hópinn og klassíska CD16- hópinn; æðaþelsfrumur sýndu hvíldarástand og 2 mótefnamiðluð höfnunarástand. Þessar niðurstöður stuðla að betri skilningi okkar á ónæmishöfnun við nýrnaígræðslu. Í samanburðarrannsókn á nýrnaeinkornum frá þega og gjafa sýndu nýrnasýni úr vefjasýni marktækt mismunandi umritunargenatjáningu. Bólguvirkjaðir átfrumur og frumudrepandi T-frumur sáust hjá viðtakendum. Á sama hátt, Liu o.fl. greindu frumur frá langvinnri höfnun nýrnaígræðslu og pössuðu heilbrigð fullorðin nýru á einfrumustigi. Klasagreining án eftirlits leiddi í ljós að aukinn fjöldi ónæmisfrumna og vöðvafíbróblasta í hópnum sem höfnuðu langvinna nýrnaígræðslu gæti stuðlað að nýrnahöfnun og bandvefsmyndun. Athyglisvert er að nýleg rannsókn sýndi fyrsta einfrumuatlas af fullorðinsþvagi og greindi SOX9 auk nýrnastofn-/forfrumnastofna í þvagi. Stofnafrumurnar fjölguðust með góðum árangri og aðgreindust in vivo, öðluðust nokkra eiginleika pípulaga frumna og útveguðu hugsanlega gagnlegt úrræði fyrir nýrnaígræðslumeðferð í framtíðinni. Á heildina litið veitir scRNA-seq tækni nýja og innsæi innsýn í höfnun nýrnaígræðslu manna, sem að lokum bætir greiningarnákvæmni og flýtir fyrir túlkun sameindavefjasýnis.

Cistanche bætiefni

Niðurstaða

Á síðasta áratug hefur scRNA-seq orðið ómissandi tól fyrir greiningu á mismunadrifsgenatjáningu um allt umrit til að rannsaka lífeðlisfræðilega líffræði og greina óeðlilegar sameindastýringar í sjúkdómum. Öfugt við hefðbundnar stakar svipgerðir, getur sameindagreining á einfrumustigi veitt kerfisbundinn staðal til að einkenna svipgerðir nýrnasjúkdóma. Notkun einfrumutækni í heilbrigðum nýrnavef eða klínískum nýrnasýni úr vefjasýni gefur yfirgripsmikinn sameindaatlas um nýru og víkkar skilning okkar á nýrnafræði. Einfrumuatlas um nýru verður órjúfanlegur hluti af alþjóðlegu starfi Human Cell Atlas sem miðar að því að framleiða yfirgripsmikið og kerfisbundið viðmiðunarkort af mannslíkamanum. Í framtíðarrannsóknum er gert ráð fyrir að einfruma öfgafullur afköst og staðbundin umritagreining muni auka skilning okkar á nýrum. Samþætting multi-omics gagna mun bæta persónulega greiningu og meðferð nýrnasjúkdóma enn frekar.

HEIMILDIR

1. Kriz W, Bankir L. Staðlað flokkunarkerfi fyrir uppbyggingu nýrna. Nýrnanefnd Alþjóðasambands lífeðlisvísinda (IUPS). Nýra Int. 1988 Jan; 33(1):1–7.

2. Kurts C, Panzer U, Anders HJ, Rees AJ. Ónæmiskerfið og nýrnasjúkdómur: grunnhugtök og klínísk áhrif. Nat Rev Immunol. 2013 okt;13(10):738–53.

3. Luyckx VA, Al-Aly Z, Bello AK, Bellorin Font E, Carlini RG, Fabian J, o.fl. Markmið um sjálfbæra þróun skipta máli fyrir nýrnaheilbrigði: uppfærsla á framförum. Nat Rev Nephrol. 2021 Jan;17(1):15–32.

4. Clark AR, Greka A. Kraftur eins: framfarir í einfrumu erfðafræði í nýrum. Nat Rev Nephrol. 2020 Feb;16(2):73–4.

5. Han X, Wang R, Zhou Y, Fei L, Sun H, Lai S, o.fl. Kortlagning músafrumuatlassins með microwell-seq. Cell. 2018 Feb;172(5):1091–107.e17.

6. Park J, Shrestha R, Qiu C, Kondo A, Huang S, Werth M, et al. Einfrumu umritun á nýra músarinnar sýnir hugsanleg frumumarkmið nýrnasjúkdóms. Vísindi. maí 2018; 360(6390):758–63.

7. Hochane M, van den Berg PR, Fan X, Bérenger-Currias N, Adegeest E, Bialecka M, et al. Einfrumu umritun sýnir gangverki genatjáningar í nýrnaþroska fósturs manna. PLoS Biol. Febrúar 2019; 17(2): e3000152.

8. Han X, Zhou Z, Fei L, Sun H, Wang R, Chen Y, o.fl. Bygging frumulandslags manna á einfrumustigi. Náttúran. maí 2020; 581(7808):303–9.

9. Liao J, Yu Z, Chen Y, Bao M, Zou C, Zhang H, o.fl. Einfrumu RNA raðgreining á nýrum manna. Sci Gögn. Janúar 2020;7(1):4.

10. Nákvæmnislækningar í nýrnalækningum. Nat Rev Nephrol. 2020 nóvember;16(11):615.

11. Chen QL, Li JQ, Xiang ZD, Lang Y, Guo GJ, Liu ZH. Staðsetning frumuviðtakatengdra gena SARS-CoV-2 í nýrum með einfrumu umritagreiningu. Nýra Dis. júlí 2020;6(4):258–70.

12. Tietjen I, Rihel JM, Cao Y, Koentges G, Zakhary L, Dulac C. Einfrumu umritunargreining á taugafrumum. Taugafrumur. 2003 Apr.;38(2):161–75.

13. Chiang MK, Melton DA. Einfrumuafritsgreining á þróun briskirtils. Dev Cell. 2003 Mar;4(3):383–93.

14. Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND, o.fl. Úrlausn ákvarðana um örlög frumna sem kom í ljós með greiningu á genatjáningu einfrumu frá zygote til blastocyst. Dev Cell. Apríl 2010;18(4):675–85.

15. Guo G, Luc S, Marco E, Lin TW, Peng C, Kerenyi MA, o.fl. Kortlagning frumustigveldis með einfrumugreiningu á frumuyfirborðs efnisskrá. Stofnfrumu frumu. 2013 okt;13(4):492– 505.

16. Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: byltingarkennd tól fyrir transcriptomics. Nat Rev Genet. 2009 Jan;10(1):57–63.

17. Tang F, Barbacioru C, Wang Y, Nordman E, Lee C, Xu N, et al. mRNA-Seq heildritagreining á einni frumu. Nat Aðferðir. maí 2009;6(5):377–82.

18. Ramsköld D, Luo S, Wang YC, Li R, Deng Q, Faridani OR, o.fl. mRNA-seq í fullri lengd frá einfrumugildum RNA og einstökum æxlisfrumum í blóðrás. Nat Biotechnol. 2012 ágúst;30(8):777–82.

19. Picelli S, Björklund ÅK, Faridani OR, Sagasser S, Winberg G, Sandberg R. Smart-seq2 fyrir viðkvæma fullri lengd umritunarsniðs í stökum frumum. Nat Aðferðir. 2013 nóvember;10(11): 1096–8.

20. Hagemann-Jensen M, Ziegenhain C, Chen P, Ramsköld D, Hendriks GJ, Larsson AJM, et al. Einfrumu RNA talning við samsætu og ísóform upplausn með því að nota Smart-seq3. Nat Biotechnol. Júní 2020;38(6):708–14.

21. Hashimshony T, Wagner F, Sher N, Yanai I. CEL-seq:single-cell RNA-seq með multiplexed línulegri mögnun. Cell Rep. 2012 Sep;2(3): 666-73.

22. Yanai I, Hashimshony T. CEL-seq2-einfrumu RNA raðgreiningu með margfaldri línulegri mögnun. Aðferðir Mol Biol. 2019;1979: 45–56.

23. Streets AM, Zhang X, Cao C, Pang Y, Wu X, Xiong L, o.fl. Örflæði einfrumu heilrar umrita raðgreiningu. Proc Natl Acad Sci US A. 2014 maí;111(19):7048–53.

24. Klein AM, Mazutis L, Akartuna I, Tallapragada N, Veres A, Li V, et al. Strikamerki dropa fyrir einfrumu umritun sem er beitt á stofnfrumur úr fósturvísum. Cell. maí 2015;161(5): 1187–201.

25. Macosko EZ, Basu A, Satija R, Nemesh J, Shekhar K, Goldman M, et al. Mjög samhliða erfðamengi-breitt tjáningarsnið einstakra frumna með því að nota nanólítra dropa. Cell. maí 2015;161(5):1202–14.

26. Fan HC, Fu GK, Fodor SP. Tjáningarsnið. Samsett merking stakra frumna fyrir frumugreiningu genatjáningar. Vísindi. 2015 febrúar; 347(6222):1258367.

27. Gierahn TM, Wadsworth MH, Hughes TK, Bryson BD, Butler A, Satija R, et al. Seq-well: flytjanleg, ódýr RNA raðgreining á stökum frumum við mikla afköst. Nat Aðferðir. Apríl 2017;14(4):395–8.

28. Cao J, Packer JS, Ramani V, Cusanovich DA, Huynh C, Daza R, et al. Alhliða einfrumu umritunarsnið á fjölfrumu lífveru. Vísindi. Ágúst 2017;357(6352): 661–7.

29. Rosenberg AB, Roco CM, Muscat RA, Kuchina A, Sample P, Yao Z, o.fl. Einfrumuprófíling á músarheila og mænu sem er að þróast með strikamerki með split-pool. Vísindi. Apríl 2018;360(6385):176–82.

30. Cao J, Spielmann M, Qiu X, Huang X, Ibrahim DM, Hill AJ, o.fl. Einfrumu umritunarlandslag lífrænna stofna spendýra. Náttúran. 2019 Feb;566(7745):496–502.

31. Cao J, O'Day DR, Pliner HA, Kingsley PD, Deng M, Daza RM, et al. Mannafrumuatlas um genatjáningu fósturs. Vísindi. 2020; 370(6518):370.

32. Chen L, Lee JW, Chou CL, Nair AV, Battistone MA, Păunescu TG, et al. Umskriftir helstu tegunda nýrnasöfnunarrása í músum sem auðkenndar eru með einfrumu RNA-seq. Proc Natl Acad Sci US A. 2017 nóv;114(46): E9989–98.

33. Ransick A, Lindström NO, Liu J, Zhu Q, Guo JJ, Alvarado GF, et al. Einfrumusnið sýnir kyn, ætterni og svæðisbundinn fjölbreytileika í músarnýrum. Dev Cell. 2019 nóvember;51(3):399– 413.e7.

34. Barry DM, McMillan EA, Kunar B, Lis R, Zhang T, Lu T, o.fl. Sameindaákvarðanir sérhæfingar nýrnaæðaæða í nýrum. Nat Commun. 2019 Des;10(1):5705.

35. Chung JJ, Goldstein L, Chen YJ, Lee J, Webster JD, Roose-Girma M, o.fl. Einfrumu umritasnið á nýrnahnoðranum auðkennir lykilfrumugerðir og viðbrögð við meiðslum. J Am Soc Nephrol. Okt. 2020; 31(10): 2341–54.

36. Kramann R, Machado F, Wu H, Kusaba T, Hoeft K, Schneider RK, et al. Parabiosis og einfrumu RNA raðgreining sýna takmarkað framlag einfruma til vöðvafíbróblasta í nýrnatrefjum. JCI innsýn. maí 2018; 3(9): e99561.

37. Kuppe C, Ibrahim MM, Kranz J, Zhang X, Ziegler S, Perales-Patón J, et al. Afkóðun myofibroblast uppruna í nýrnatrefjun manna. Náttúran. 2021 Jan;589(7841):281–6.

38. Wang H, Zheng C, Lu Y, Jiang Q, Yin R, Zhu P, o.fl. Fíbrínógen í þvagi sem spá fyrir framvindu langvinnrar nýrnasjúkdóms. Clin J Am Soc Nephrol. 2017 Des;12(12):1922–9.

39. Fu J, Akat KM, Sun Z, Zhang W, Schlondorff D, Liu Z, et al. Einfrumu RNA prófílgreining á gaukulfrumum sýnir kraftmiklar breytingar á tilrauna nýrnasjúkdómi af völdum sykursýki. J Am Soc Nephrol. Apríl 2019;30(4):533–45.

40. Zhang Y, Li W, Zhou Y. Greining á miðstöðgenum í nýrnasjúkdómi með sykursýki með margfeldisgreiningu. Ann Transl Med. Ágúst 2020; 8(16):997.

41. Wilson PC, Wu H, Kirita Y, Uchimura K, Ledru N, Rennke HG, et al. Einfrumu umritunarlandslag snemma manna sykursýkis nýrnakvilla. Proc Natl Acad Sci US A. 2019 Sep;116(39):19619–25.

42. Wu H, Kirita Y, Donnelly EL, Humphreys BD. Kostir einkjarna umfram einfrumu RNA raðgreiningu fullorðinna nýra: sjaldgæfar frumugerðir og ný frumuástand sem kemur í ljós í bandvefsmyndun. J Am Soc Nephrol. 2019 Jan;30(1):23–32.

43. Young MD, Mitchell TJ, Vieira Braga FA, Tran MGB, Stewart BJ, Ferdinand JR, o.fl. Einfrumu umrit frá nýrum manna sýna frumuauðkenni nýrnaæxla. Vísindi. 2018 ágúst;361(6402):594–9.

44. Stewart BJ, Ferdinand JR, Young MD, Mitchell TJ, Loudon KW, Riding AM, o.fl. Spatiotemporal ónæmissvæði í nýrum manna. Vísindi. 2019 sep;365(6460):1461–6.

45. Arazi A, Rao DA, Berthier CC, Davidson A, Liu Y, Hoover PJ, o.fl. Ónæmisfrumulandslag í nýrum sjúklinga með nýrnabólgu. Nat Immunol. 2019 júlí;20(7):902–14.

46. ​​Der E, Ranabothu S, Suryawanshi H, Akat KM, Clancy R, Morozov P, et al. Einfrumu RNA raðgreining til að kryfja sameinda misleitni í lupus nýrnabólgu. JCI innsýn. maí 2017;2(9):e93009.

47. Der E, Suryawanshi H, Morozov P, Kustagi M, Goilav B, Ranabothu S, et al. Píplufrumu- og keratínfrumum einfrumu umritun sem notuð er við nýrnabólgu í úlfa sýna IFN af tegund I og bandvefssjúkdóma sem skipta máli. Nat Immunol. júlí 2019;20(7):915–27.

48. Conway BR, O'Sullivan ED, Cairns C, O'Sullivan J, Simpson DJ, Salzano A, o.fl. Einfrumuatlas nýrna sýnir misleitni mergfrumuefna í framvindu og afturför nýrnasjúkdóms. J Am Soc Nephrol. 2020 desember; 31(12):2833–54.

49. Cameron GJM, Cautivo KM, Loering S, Jiang SH, Deshpande AV, Foster PS, et al. Meðfæddar eitilfrumur í hópi 2 eru óþarfar í tilraunaáverka á nýrnablóðþurrð og endurflæði. Framan Immunol. 2019;10:826.

50. Kreimann K, Jang MS, Rong S, Greite R, von Vietinghoff S, Schmitt R, et al. Blóðþurrð-endurflæðisáverka kallar á losun CXCL13 og nýliðun B frumna eftir ósamgena nýrnaígræðslu. Framan Immunol. 2020;11:1204.

51. Kirita Y, Wu H, Uchimura K, Wilson PC, Humphreys BD. Frumugreining á bráðum nýrnaskaða mús sýnir varðveitt frumuviðbrögð við meiðslum. Proc Natl Acad Sci US A. 2020 júlí;117(27):15874–83.

52. Wen L, Yang H, Ma L, Fu P. Hlutverk NLRP3 inflammasome-miðlaðra merkjaleiða í nýrnakvilla með þvagræsi. Mol Cell Biochem. Mar 2021;476(3):1377–86.

53. Nishinakamura R. Mannleg nýra lífræn: framfarir og áskoranir sem eftir eru. Nat Rev Nephrol. 2019 okt;15(10):613–24.

54. Tran T, Lindström NO, Ransick A, De Sena Brandine G, Guo Q, Kim AD, et al. In vivo þroskaferlar fræfrumna úr mönnum upplýsa in vitro aðgreiningu fjölhæfra stofnfrumuafleiddra fræfrumna. Dev Cell. 2019 júlí;50(1):102–e6.

55. Uchimura K, Wu H, Yoshimura Y, Humphreys BD. Mannleg fjölhæf stofnfrumuafleidd nýrnalífræn efni með bættri þroska safnrása og meiðslum. Cell Rep. 2020 Des;33(11):108514.

56. Subramanian A, Sidhom EH, Emani M, Vernon K, Sahakian N, Zhou Y, o.fl. Einfrumutalning á lífrænum nýrum úr mönnum sýnir endurgerðanleika og minnkaðar frumur utan markhóps eftir ígræðslu. Nat Commun. 2019 nóvember; 10(1):5462.

57. Wu H, Uchimura K, Donnelly EL, Kirita Y, Morris SA, Humphreys BD. Samanburðargreining og betrumbætur á PSC-afleiddum nýrnalíffærum aðgreiningu með einfrumu umritun. Stofnfrumu frumu. 2018 Des;23(6):869–e8.

58. Czerniecki SM, Cruz NM, Harder JL, Menon R, Annis J, Otto EA, et al. Skimun með miklum afköstum eykur aðgreining nýrna líffæra frá mannlegum fjölhæfum stofnfrumum og gerir sjálfvirka fjölvíddar svipgerðagreiningu kleift. Stofnfrumu frumu. 2018 júní;22(6): 929–e4.

59. Dvela-Levitt M, Kost-Alimova M, Emani M, Kohnert E, Thompson R, Sidhom EH, et al. Litla sameindin miðar við TMED9 og stuðlar að niðurbroti leysis til að snúa við próteinkvilla. Cell. júlí 2019;178(3):521–e23.

60. Wu H, Malone AF, Donnelly EL, Kirita Y, Uchimura K, Ramakrishnan SM, et al. Einfrumu umritanir á nýrna-ígræddu vefjasýni úr mönnum skilgreinir fjölbreytta bólgusvörun. J Am Soc Nephrol. 2018 ágúst;29(8):2069–80.

61. Malone AF, Wu H, Fronick C, Fulton R, Gaut JP, Humphreys BD. Notkun tjáðs stakra núkleótíðabreytinga og einfrumu RNA raðgreiningar til að skilgreina ónæmisfrumuhimni í nýrnaígræðslu sem hafnar. J Am Soc Nephrol. 2020 sep;31(9):1977–86.

62. Liu Y, Hu J, Liu D, Zhou S, Liao J, Liao G, o.fl. Einfrumugreining leiðir í ljós ónæmislandslag í nýrum sjúklinga með langvarandi höfnun ígræðslu. Læknisfræði. 2020; 10(19):8851–62.

63. Wang Y, Zhao Y, Zhao Z, Li D, Nie H, Sun Y, o.fl. Einfrumu RNA-Seq greining greindi nýrnaforfrumurnar úr þvagi úr mönnum. Próteinfruma. Apríl 2021;12(4):305–12.

64. Stark R, Grzelak M, Hadfield J. RNA raðgreining: unglingsárin. Nat Rev Genet. 2019 nóvember;20(11):631–56. 65 Regev A, Teichmann SA, Lander ES, Amit I, Benoist C, Birney E, et al. Frumuatlas mannsins. Elife. 2017;12:6.

Mengmeng Jiang^a,b; Haide Chen^{b, c}; Guoji Guo^{a, b, c, d, e}

a: Liangzhu Laboratory, Zhejiang University Medical Center, Hangzhou, Kína;

b: Miðstöð fyrir stofnfrumu- og endurnýjunarlækningar, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, Kína;

c: Zhejiang Provincial Key Lab fyrir vefjaverkfræði og endurnýjunarlækningar, Dr. Li Dak Sum & Yip Yio Chin, miðstöð fyrir stofnfrumu- og endurnýjunarlækningar, Hangzhou, Kína;

d: Beinmergsígræðslumiðstöð, Fyrsta tengda sjúkrahúsið, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, Kína;

e: Blóðsjúkdómafræðistofnun, Zhejiang University, Hangzhou, Kína