Absztrakt

Háttér: A vese egy rendkívül összetett szerv, amely számos funkcióval rendelkezik, amelyek elengedhetetlenek az egészséghez. A vesebetegség akkor fordul elő, ha a vesék károsodnak és nem működnek megfelelően. Az egysejtes elemzés egy hatékony technika, amely példátlan betekintést nyújt a normál és abnormális vesesejtekbe, és megváltoztatja a gyakori vesebetegségek mechanizmusairól alkotott ismereteinket.

Összegzés: A vesebetegség patogenezisével kapcsolatos ismereteinket korlátozza a veseműködésért felelős sejttípusok nem teljes molekuláris jellemzése. Az egysejtű technológia alkalmazása a vesekutatásban feltárta a sejt heterogenitását, a génexpressziós profilokat és a molekuláris dinamikát a vesebetegség kialakulásában és progressziójában. A vese organoid és allograft szöveteinek egysejtes elemzése új betekintést nyújtott a vese organogenezisébe, a betegség mechanizmusaiba és a terápiás eredményekbe. Összességében a vesesejtek heterogenitásának és a vesebetegség molekuláris dinamikájának jobb megértése javítja a diagnosztikai pontosságot és segít új terápiás stratégiák azonosításában a nefrológiában.

Kulcsüzenet: Ebben az áttekintő cikkben összefoglaljuk a vesebetegségekkel kapcsolatos legújabb egysejtes kutatásokat, és megvitatjuk az egysejtes technológia hatását az alapvető és klinikai vesekutatásra.

Kulcsszavak

Egycellás technológia; Vesebetegség; Immunsejt; Vese organoid; Allograft;A Cistanche előnyei.

Bevezetés

A vesék két bab alakú szerv, amelyek felelősek a hulladék, a felesleges víz és egyéb szennyeződések kiszűréséért a vérben és a vizelet előállításáért. A vesék szabályozzák a pH-t, a só- és káliumszintet, valamint a vérnyomást is; szabályozza a vörösvértestek termelését; és aktiválja a D-vitamin egy formáját, amely segíti a szervezetben a kalcium felszívódását. becslések szerint a mai napig világszerte 850 millió ember szenved vesebetegségben, beleértve a krónikus vesebetegséget (CKD), akut vesekárosodást, veseelégtelenséget és sok más betegséget. A vesebetegség akkor fordul elő, ha a vesék károsodnak, és nem képesek ellátni funkcióikat. A károsodást cukorbetegség, magas vérnyomás és számos egyéb krónikus (hosszú távú) állapot okozhatja. A vesebetegség más egészségügyi problémákhoz vezethet, beleértve a csontritkulást, az idegkárosodást, az alultápláltságot és a szívbetegségeket. A betegek jelenlegi kezelési stratégiái továbbra is a veseátültetés vagy a dialízis, amelyek költségesek.

A vese számos sejtje, beleértve a hám-, tilakoid-, endothel- és idegsejteket, valamint az immunsejthálózatok, kölcsönhatásba lépnek a normál veseműködés fenntartása érdekében. Az egészséges vesék heterogenitásának és a vesebetegség hátterében álló folyamatok mélyebb megértése finomítani fogja a vese molekuláris és hisztopatológiai fenotípusos meghatározását, és támogatja új betegségosztályozások kidolgozását. Az egysejtű technológia potenciálisan előnyös a sejtaltípusok, állapotok és frekvenciaváltozások azonosításában a vesebetegség kialakulása és progressziója során. Az elmúlt években a nagy áteresztőképességű egysejtű RNS-szekvenálási (scRNA-seq) technológia gyors fejlődésével a normál vese átfogó celluláris atlasza készült el a precíziós vesegyógyászati ​​kutatásokhoz. A Kidney Precision Medicine Project (KPMP) globálisan azért jött létre, hogy emberi vese biopsziát nyerjen, veseszövet atlaszokat hozzon létre, meghatározza a betegségek alpopulációit, és végül azonosítsa az új terápiák kulcsfontosságú sejtjeit, útvonalait és célpontjait. A veséhez kapcsolódó egysejtes transzkripciós adatkészletre építve a kutatók az ACE2, TMPRSS2 és SLC6A19 génexpressziós profilját is elemezték vesesejt-altípusokban, ami kritikus a súlyos akut légúti szindróma koronavírus 2 patogenezisének megértéséhez. (1) az egysejtes technológia fejlesztésére és alkalmazására fogunk összpontosítani, (2) az scRNA-seq felhasználására a vesebetegségek kialakulásának és progressziójának tanulmányozására, (3) az immunsejtek molekuláris feltérképezésére vesebetegségekben, ( 4) scRNA-seq alkalmazása veseszerű szervekre, és (5) scRNA-seq alkalmazása vese allograftok mélyreható vizsgálatára (1. ábra).

Kattintson ide a letöltésheza Cistanche hatása a vesére

Az egysejtű transzkriptomikus technológia fejlesztése és alkalmazása

Egyetlen sejt az élet alapegysége. Az egysejt-elemzési technikák forradalmasították a sejtösszetétel azonosításában, a molekuláris dinamika nyomon követésében és a patológiás mechanizmusok feltárásában. A korai globális egysejtű génexpressziós elemzést microarray és qPCR technikákkal végeztük. Tietjen et al. egysejtű microarray-eket használt az egyes neuronok és progenitor sejtek molekuláris expressziós profiljának monitorozására, valamint jelátviteli útvonalak meghatározására a különböző fejlődési szakaszokban. Ezenkívül az egysejtű expressziós elemzés számos fejlődő sejtaltípust azonosított, amelyek új hasnyálmirigy-génekkel rendelkeznek, új betekintést nyújtva a hasnyálmirigy fejlődésébe. Ez az osztály egysejtű qPCR technikákat fejlesztett ki, és alkalmazta azokat az egér blasztociszta fejlődésében és a hematopoietikus vonal differenciálódásában kulcsfontosságú szabályozó gének tanulmányozására.

A következő generációs szekvenálási technológiák megjelenésével az scRNA-seq egyértelmű előnyöket mutatott a különböző izoformák, az allél expresszió és az új transzkriptumok megkülönböztetésében az egyes sejtekben alacsonyabb költségek mellett. 2009-ben Tang et al. beszámolt az első egysejtű mRNS teljes transzkriptom szekvenálásáról, bemutatva a transzkripciós variánsok összetettségét egyetlen egér oocitákban vagy oocitákban. A smart-seq was 2012-t a teljes hosszúságú transzkriptumok kimutatására fejlesztették ki egyetlen sejtben, és ritka sejteken alkalmazva a kutatók azonosították a melanoma keringő tumorsejtek biomarker-jelöltjeit. Egy évvel később megjelent a Smart-seq2 továbbfejlesztett fordított átírással, olvasási lefedettséggel, torzítással és pontossággal. A Smart-seq3 legújabb fejlesztései nagymértékben javították az érzékenységét több ezer egysejtes transzkriptum allél- és izoforma felbontású detektálására. A PCR-alapú amplifikációs módszerekkel ellentétben a CEL-seq hatékony egysejtes transzkriptumokat rögzít multiplex lineáris amplifikációval. A Cryptobacterium hidradenoma korai embrionális fejlődésének tanulmányozására a CEL-seq-et használó tanulmány reprodukálható és érzékeny eredményeket tárt fel egysejtes felbontásnál. Az scRNA-seq első automatizált platformja a Fluidigm C1, amely mikrofluidikus rendszert használ egyetlen sejtek befogására 96 ​​vagy 384 kamrában, majd ezt követi a sejtlízis, a reverz transzkripció és a PCR-amplifikáció.

2015 óta az egysejtű kutatás a Drop-seq, az inDrop, a 10× Genomics, a Seq-well, a Microwell-seq és az SPLiTseq folyamatos elérhetőségével a nagy áteresztőképességű, alacsony költségű és automatizálás korszakába lépett. A Drop-seq és az inDrop az egyes sejteket nanoliter méretű cseppekre választja szét, és egyedi vonalkóddal keveri össze az egyes sejteket. Másrészt a Cyto-seq, a Seq-well és a Microwell-seq lehetővé teszi a nagy áteresztőképességű egysejtű mRNS szekvenálást egy sejt és egy vonalkód gyöngy rögzítésével egy mikrolyukban. Csoportunk elkészítette az első egérsejt atlaszt és emberi sejttájt egyetlen sejt szinten a Microwell-seq segítségével. Újabban a nagyobb áteresztőképességű és egyszerűbb módszereket SPLiT-seq-nek, az scRNS-seq esetében pedig sci-RNA-seq-nek nevezik. Ezek a módszerek magát a sejtet vagy sejtmagot használják reakciókamraként a jelzett sejtek vonalkódolásához a pool felosztásának több körén keresztül. Ezután minden sejtet cDNS PCR-amplifikációnak és szekvenálásnak vetünk alá. Cao és mtsai. A sci-RNS-seq3 segítségével körülbelül 2 millió egér organogén sejt és 4 millió emberi magzati sejt transzkriptumát elemezte, globális képet adva az emlősök fejlődési folyamatairól. Más, genomikus, proteomikai és epigenomikus elemzéseket lefedő egysejtű technológiák is virágoztak; ezek azonban túlmutatnak jelen dolgozat keretein.

A vesebetegség előfordulása és progressziója

A vesét számos gyakori és súlyos betegség érintheti, beleértve az akut vesekárosodást, a glomerulonephritist, a felszálló fertőzéseket (pyelonephritis) és a rákot. Összességében a vesebetegség patogenezisének megértését korlátozza a szervspecifikus funkciókért felelős sejttípusok nem teljes molekuláris jellemzése. E tudáshiány megszüntetésére csoportunk és Park et al. scRNS-seq felhasználásával elkészítette az egészséges egérvese transzkripciós atlaszát. A veseegység hámsejtek fő altípusai közé tartoztak a kocsánysejtek, a proximális tubuláris epiteliális sejtek, a Henle-gyűrű, a disztális tubulusok és a gyűjtőcsatornasejtek. A tanulmány egy új vándorló sejttípust azonosított a duktális sejtpopulációk gyűjtésére, megerősítve az interkalált sejtek és a fő sejtek közötti interkonverzióra vonatkozó korábbi eredményeket az scRNS-seq vizsgálatokban. Ezenkívül Ransick és mtsai. elemezték a férfi és női felnőtt veséket, és létrehozták az egérvese elemeinek anatómiai atlaszát egysejtszinten. Munkacsoportunk elvégezte az emberi magzati és felnőttkori veseszövet Microwell-seq elemzését is. A szöveten belüli hámsejteken, endothelsejteken, stromasejteken és immunsejteken kívül a magzati vesében korábban nem írt s-típusú szomatikus sejttípusokat, a felnőtt vesében pedig egy új migrációs sejttípust azonosítottunk. A vese érrendszerének egysejtes molekuláris profilja az építő nefronok speciális expressziós profilját tárta fel, és feltárta a vesebetegség patogenezisét. Ezenkívül egészséges egerekből és különböző betegségmodellekből minden típusú glomeruláris sejtet azonosítottak egysejtes transzkriptom klaszterezési analízissel, és új, betegséggel kapcsolatos géneket és szabályozó utakat mutattak ki a betegségmodellekben, például a podocitákban nefrotoxikus immunitást követően aktivált Hippo útvonalat. sérülés.

A vesefibrózis a krónikus vesebetegség egyik fő jellemzője, és a világ népességének több mint 10 százalékát érinti. A vesefibrózis heterogén együttélési modelljében Kramann és mtsai. scRNA-seq-et használtak annak igazolására, hogy a monociták a miofibroblasztok kis hányadában járulnak hozzá, de a legtöbb myofibroblaszt mesenchymalis sejtekből származik. Ezt követően Kuppe és mtsai. [37] megközelítőleg 135,000 proximális és nem proximális tubulusokból származó sejt transzkriptumát elemezte, és tovább igazolta, hogy az MSC-k különböző izoformái az emberi vesefibrózis fő tényezői. Ezenkívül az egészséges és fibrotikus vesemonociták összehasonlító elemzése során egy myofibroblaszt-specifikus gént, a csupasz keratinocita homológ 2-t (NKD2) azonosították a humán vesefibrózis lehetséges terápiás célpontjaként. 402 vesebiopszia alapján a vizelet fibrinogénjét nem invazív biomarkernek jósolták a krónikus vesebetegségben szenvedő betegeknél.

Szabványosított Cistanche

A diabéteszes nephropathiát (DN) a glomerulusok és a tubuláris interstitium egyidejű károsodása jellemzi. Viszonylag keveset tudunk azonban arról, hogy a sejtek állapota és gyakorisága hogyan változik a betegség kezdetével és a génexpresszió progressziójával. Fu és mtsai. scRNA-seq analízist végzett, és azonosította a glomeruláris sejtek számos új potenciális markerét, beleértve a Magi2, Robo2, Ramp3 és Fabp4-et. Diabéteszes nephropathiában (DKD-k) az angiogén és migrációs utak szabályozása megváltozik az endothel sejtekben, míg a transzlációs és fehérjestabil szabályozási útvonalak nagymértékben feldúsultak a tilakoid sejtekben. Összességében az endothel és tilakoid sejtek molekuláris dinamikájában bekövetkezett változások segítenek azonosítani a DN progressziójához hozzájáruló fontos patofiziológiai tényezőket. Chung és mtsai. a glomerulusok egysejtes transzkriptumát ábrázolta a diabetes mellitus egérmodelljében. A génexpresszió megváltozott az ob/ob egerek tilakoidjaiban és podocitáiban a kontrollokhoz képest. A tilakoid sejtekben a proliferációs utakat, a podocitákban pedig a sejthalálhoz kapcsolódó utakat indukáltuk, összhangban a sejtszámarány változásával. A publikált DKD scRNA-seq adatkészletek átfogó elemzése 17 kulcsfontosságú gént azonosított, gazdagítva a DKD-k patogenezisének hátterében álló molekuláris mechanizmusok megértését. Ezenkívül a mélyhűtött humán diabéteszes veseminták elfogulatlan egymagos RNS-szekvenálása (snRNS-seq) 23 980 transzkriptomot eredményezett három kontroll és három korai DN mintából. Az eredmények sejttípus-specifikus változásokat mutattak ki a génexpresszióban, ami fokozott káliumszekrécióra utal a humán DN-ben. Egy korábbi tanulmány, amely az scRNS-seq-et és az snRNS-seq-et hasonlította össze felnőtt egérvesékben, azt mutatta, hogy az utóbbi hatékonyabb befogási kapacitással rendelkezik. Például a glomeruláris podocitákat, tilakoid sejteket és endoteliális sejteket inkább az snRNS-seq fogta be, mint az scRNS-seq. Az snRNS-seq alkalmazása minimálisra csökkenti az enzimatikus emésztés pszeudohatásait, és fagyasztott mintákon is elvégezhető, ami várhatóan szélesebb körű alkalmazást eredményez a különböző vesebetegségek patológiás mechanizmusainak tanulmányozásának felgyorsítása érdekében.

Egy precíz sejttranszkriptom feltárhatja a vese tumorsejtek eredetét és a malignus transzformációt támogató transzkripciós pályákat. young et al. 72 501 egysejtes transzkriptomból álló katalógusból határozta meg a normál és a rákos emberi vesesejt-típusokat. A veseráksejtek (RCC) specifikus normál sejtes korrelációinak azonosításával egy tanulmány bizonyítékot szolgáltatott arra a hipotézisre, hogy Wilms tumorsejtjei rendellenes magzati sejtek, és hogy az RCC-k a proximális tubuláris sejtek egy kevéssé ismert altípusából származhatnak. Így az scRNA-seq skálázható kísérleti stratégiát biztosít a humán veserák sejtek pontos kvantitatív sejtmolekuláris felbontással történő jellemzésére.

Az immunsejtek molekuláris atlasza vesebetegségben

Az immunsejtek az emberi szövetek alapvető alkotóelemei, és fontos szerepet játszanak a fiziológiás és kóros anyagcserében. Valóban, az immunrendszer azon képessége, hogy felismerje a patogén vagy veszélyjeleket vagy a rosszindulatú sejteket, döntő fontosságú. Az egysejtű technológia alkalmazása a vese immunsejtek vizsgálatára elősegítheti az immunrendszer szerepének jobb megértését az egészséges vesék és a betegségek patogenezisében, valamint új terápiás stratégiák azonosítását. Ezek az erőfeszítések kezdik feltérképezni a vesén belüli összetett immunrendszert, és feltárják a kapcsolatot a szövetekben rezidens immunsejtek és kölcsönösen aktivált szomszédaik között.

2018-ban az scRNA-seq alkalmazása egérveseszövetben átfogó immunsejt-képet biztosított, beleértve a rezidens makrofágokat, neutrofileket, B- és T-limfocitákat és NK-sejteket. Egy évvel később példátlan egysejtes vizsgálatot hoztak létre az emberi vese immunsejtek tér-időbeli szerveződéséről. Szövetben rezidens mieloid és limfoid immunsejthálózatokat azonosítottak a magzati és felnőtt vesékben, és a vizsgálatok azonosítottak a születés után szerzett transzkripciós programokat, amelyek elősegítik a fertőzések elleni védekezést. Ezenkívül az érett vesehámsejtek és az immunsejtek közötti keresztbeszédről azt jósolták, hogy antibakteriális makrofágokat és neutrofileket toboroznak a vese legérzékenyebb régióiba. Összességében a vese átfogó immunrendszere hozzájárul a patogén mechanizmusok tanulmányozásához és a terápiás célpontok azonosításához immun- és fertőző vesebetegségekben.

A lupus nephritis (LN) egy potenciálisan halálos kimenetelű autoimmun betegség, amelyre a jelenlegi terápiák hatástalanok és gyakran mérgezőek. A vesekárosodáshoz vezető molekuláris és sejtes folyamatok, valamint az LN heterogenitása továbbra is tisztázatlan. Az scRNA-seq-et Arazi és mtsai. a mieloid, T, természetes gyilkos és B sejtek 21 betegség-specifikus alpopulációjának azonosítása LN betegekben. Hasonlóképpen Der et al. scRNA-seq-et alkalmaztak LN betegek vese- és bőrbiopsziás szöveteire. A tubuláris epiteliális sejtek I. típusú interferon válaszpontszáma magasabb volt LN-betegeknél, mint egészséges kontrolloknál. Ezenkívül a tubuláris sejtek gyulladásos és fibrotikus jellemzői a kezelés hatástalanságával jártak együtt. A DKD-ben az scRNS-seq analízis szignifikánsan több immunsejteket mutatott a diabéteszes glomerulusokban, mint a kontrollokban. Ezek a vizsgálatok arra utalnak, hogy a vizeletben, a bőrben és a vesében lévő immunsejtek génexpressziós profilja erősen korrelál, ami arra utal, hogy a vizelet és a bőrbiopsziák a vesebetegség diagnosztikai és prognosztikai markereinek potenciális forrásai lehetnek.

A legújabb tanulmányok kimutatták az immunsejtek szerepét a vesebetegség egysejtes felbontású modelljeiben. Az egyoldali ureterelzáródási modelleket széles körben alkalmazzák a vese intersticiális fibrózisára, ahol a makrofágok és a gyulladásos sejtek beszivárognak a vese interstitiumba, ami jelentős változásokhoz vezet a vese hemodinamikájában és metabolizmusában. Az scRNA-seq-et reverzibilis egyoldali ureterelzáródási modellekben alkalmazták a mieloid sejttáj szétválasztására a fibrózis progressziója és regressziója során. Conway et al. A myeloid sejtekben heterogenitást fedeztek fel, az alpopulációk relatív arányának dinamikus változásával, a monociták a sérülés korai szakaszában toborzódnak, a Ccr2 plusz makrofágok a sérülés késői szakaszában halmozódnak fel, és az Mmp12 plusz makrofágok új klasztere játszik szerepet a helyreállítási folyamatban. Vesebetegségben és transzplantációban az ischaemia-reperfúziós károsodás (IRI) gyulladással és leukocita-rekrutációval jár. Az IRI kísérleti modelljeit felhasználták a veleszületett limfoidszerű sejtek 2 csoportjának funkcionális szerepének felmérésére a vesében, és az adatok arra utalnak, hogy ezek a sejtek redundáns funkciót látnak el a vesekárosodásban. Az scRNS-seq alkalmazásával egy vesetranszplantációs IRI modellre Kremann és mtsai. azt találták, hogy az ezt követő CXCR5 plusz leukocita infiltráció megemelkedett szisztémás CXCL13 szintet eredményezett. A knRNS-seq-et egy IRI egérmodellre is alkalmazták Kirita és munkatársai. a sérülés utáni sejtes válaszok részletes jellemzésére, valamint a pro-inflammatorikus és pro-fibrotikus proximális tubulussejt-állapot azonosítására. A húgysav, a purin metabolizmus végső oxidációs terméke, számos betegségmodellben szorosan összefügg a vesegyulladással. Például az NLRP3 (NOD-, LRR- és pirint tartalmazó strukturális domén 3) érzékeli a húgysavfelesleg jeleit, és a gyulladásos vezikulák aktiválódnak hiperurikémiás nephropathiában. A hiperurikémia által kiváltott vesekárosodás hátterében álló specifikus immunmechanizmusok azonban nem ismertek. A közeljövőben várhatóan megvalósul a gyulladásos testtáj egysejtszintű felépítése a hiperurikémia által kiváltott vesekárosodás modelljében.

Az immuninfiltráció a vese daganatokban létezik, és a tumor mikrokörnyezete befolyásolja. Egy korábbi tanulmány kimutatta, hogy a tumorba beszűrődő makrofág populációk expresszálják az A vaszkuláris endoteliális növekedési faktort, és részt vesznek a komplex VEGF jelátviteli útvonalban az RCC szövetben. A jelen tanulmány bemutatja, hogy az scRNS-seq képes kezelni a daganatképződést, és azonosítani a feltételezett patofiziológiai mechanizmusokat és sejtes jelátviteli hálózatokat, amelyek célpontként szolgálhatnak a gyógyszeres terápia számára. Összességében a tanulmány rávilágít az scRNAseq fejlődésére, amely betekintést nyújt az immunrendszerbe és az egészséges és beteg vesékben működő sejthálózatokba.

Gyógynövényes Cistanche

Az scRNA-seq alkalmazása veseorganoidokra

A beteg veseszövetek vizsgálata mellett a veseorganoidok az organogenezis és a betegségmechanizmusok tanulmányozásának kulcsfontosságú eszközeivé váltak, és potenciálisan felgyorsíthatják a terápiák fejlesztését, mint alternatív szövetek forrását. Ezzel párhuzamosan az scRNA-seq fejlődése a különböző sejtalpopulációk és a veseszerű szervek génexpressziós változásainak részletesebb elemzéséhez vezetett.

Összességében a vese embrionális fejlődésének jobb megértése szükséges az egysejt szintjén a veseszerű szervek érésének irányításához. Az emberi magzati vesék egysejtes transzkriptomikai vizsgálatai 22 sejttípust és a megfelelő markergéneket azonosítottak.

A különböző fejlődési szakaszok összehasonlítása megmutatja a lábsejtek molekuláris dinamikájának folytonosságát. Egy másik egysejtes elemzést végeztek humán magzati vesén és embrionális őssejtből származó veseszerű szerveken. A vese egysejtes fejlődési pályáinak összehasonlító analízise hasonló génexpressziós profilokat mutatott ki in vivo és in vitro, kivéve a késői stádiumú podocitákat, ami a podocitaszerű szervek nem teljes érési folyamatára utal. A transzplantációs kísérletek továbbá azt sugallják, hogy a tilakoid és a vaszkuláris lumen organoid modellekkel optimalizálható. Egy közelmúltban végzett tanulmány, amelyben hátsó vese mezenchimális és ureterbimbószerű sejteket használtak veseorganoidok létrehozására, kimutatta, hogy az scRNS-seq javította a proximális tubulusok érését, és csökkentette a célon kívüli sejtpopulációkat. Humán pluripotens őssejtből (PSC) származó veseorganoidok scRNS-seq analízisét Subramanian et al. és Wu és mtsai. Összehasonlítva a humán magzati és felnőtt vese egysejtű adatkészleteivel, a különböző veseszerű szervek nagyrészt reprodukálható sejttípusokat mutattak, de eltérő sejtarányokat mutattak a nem célsejtek jelenléte miatt. Ezenkívül a transzkripciós faktor hálózatelemzés feltárta a vese organoid differenciálódási útvonalait, kiemelve az egysejtű technológia erejét az organoid differenciálódás jellemzésében és irányításában.

Összefoglalva, az emberi veseszerű szervek hasznos forrást jelentenek a betegségmodellek bányászatához, a lehetséges szabályozó mechanizmusokhoz, a nagy áteresztőképességű gyógyszerszűréshez és végső soron a regeneratív terápiákhoz. Ezek a tanulmányok rávilágítanak az scRNS-seq potenciális felhasználására vesemodell-rendszerekben az in vivo fiziológiai és kóros folyamatok feltárására, és útmutatást adnak a vesebetegségek diagnosztizálásával és kezelésével kapcsolatos jövőbeli kutatásokhoz.

Betekintés a vese allograftba az scRNA-seq segítségével

Az allogén vesetranszplantáció a végstádiumú vesebetegség egyik leghatékonyabb klinikai kezelése. Az egysejtű technológia lehetőséget kínál a vesesejtek típusainak és állapotának pontos és precíz jellemzésére humán biopsziás minták segítségével allogén transzplantáció után. A vesetranszplantációs biopsziás mintákról szóló első közzétett jelentés 8746 egysejtes transzkriptumot elemzett, és határozott gyulladásos válaszokat határoz meg. A monociták alkották a nem klasszikus CD16 plusz csoportot és a klasszikus CD16- csoportot; Az endothel sejtek nyugalmi állapotot és 2 antitest által közvetített kilökődési állapotot mutattak. Ezek az eredmények hozzájárulnak ahhoz, hogy jobban megértsük a vesetranszplantációs immunkilökődést. A recipiens és donor forrásokból származó vese monociták összehasonlító vizsgálata során a vese biopsziás minták szignifikánsan eltérő transzkripciós génexpressziót mutattak. A recipienseknél gyulladás által aktivált makrofágokat és citotoxikusan expresszált T-sejteket figyeltek meg. Hasonlóképpen Liu és mtsai. elemezték a krónikus vesetranszplantációs kilökődésből származó sejteket, és az egészséges felnőtt vesékhez illeszkedtek egysejtszinten. A felügyelet nélküli klaszteranalízis kimutatta, hogy az immunsejtek és a myofibroblasztok megnövekedett száma a krónikus vesetranszplantált kilökődési csoportban hozzájárulhat a vesekilökődéshez és a fibrózishoz. Nevezetesen, egy nemrégiben végzett tanulmány bemutatta a felnőttek vizeletének első egysejtű atlaszát, és SOX9 plusz vese őssejt/progenitor sejtpopulációkat azonosított a vizeletben. A progenitor sejtek sikeresen szaporodtak és differenciálódtak in vivo, megszerezve a tubuláris sejtek bizonyos tulajdonságait, és potenciálisan hasznos forrást jelentenek a jövőbeli vesetranszplantációs terápia számára. Összességében az scRNA-seq technológia újszerű és éles betekintést nyújt az emberi vesetranszplantátum kilökődésébe, végső soron javítva a diagnosztikai pontosságot és felgyorsítva a molekuláris biopszia értelmezés elfogadását.

Cistanche kiegészítők

Következtetés

Az elmúlt évtizedben az scRNA-seq nélkülözhetetlen eszközzé vált az egész transzkriptumra kiterjedő differenciális génexpresszió-elemzésben a fiziológiai biológia tanulmányozására és a betegségek molekuláris szabályozási rendellenességeinek azonosítására. A hagyományos diszkrét fenotípusokkal ellentétben az egysejtszintű molekuláris jellemzés szisztematikus standardot jelenthet a vesebetegség fenotípusainak jellemzésére. Az egysejtű technológia alkalmazása egészséges veseszövetben vagy klinikai vesebiopsziás mintákban átfogó molekuláris atlaszt ad a veséről, és szélesíti a nefrológiai ismereteinket. A vese egysejt-atlasz szerves része lesz az emberi sejtatlasz nemzetközi munkájának, amelynek célja az emberi test átfogó és szisztematikus referenciatérképének elkészítése. A jövőbeni tanulmányok során az egysejtű, ultra-nagy áteresztőképességű és a térbeli transzkriptomelemzések várhatóan bővítik a vesével kapcsolatos ismereteinket. A multi-omics adatok integrálása tovább javítja a vesebetegségek személyre szabott diagnosztizálását és kezelését.

IRODALOM

1. Kriz W, Bankir L. A vese struktúráinak standard nómenklatúrája. Az Élettani Tudományok Nemzetközi Szövetségének (IUPS) vesebizottsága. Kidney Int. 1988 jan. 33. (1):1–7.

2. Kurts C, Panzer U, Anders HJ, Rees AJ. Az immunrendszer és a vesebetegség: alapfogalmak és klinikai vonatkozások. Nat Rev Immunol. 2013. október;13(10):738–53.

3. Luyckx VA, Al-Aly Z, Bello AK, Bellorin Font E, Carlini RG, Fabian J és mások. A fenntartható fejlődési célok fontosak a vese egészsége szempontjából: frissítés az előrehaladásról. Nat Rev Nephrol. 2021. január;17(1):15–32.

4. Clark AR, Greka A. Az egy ereje: előrelépések a vese egysejtes genomikájában. Nat Rev Nephrol. 2020. február;16(2):73–4.

5. Han X, Wang R, Zhou Y, Fei L, Sun H, Lai S és mások. Az egérsejt atlasz feltérképezése microwell-seq. Sejt. 2018. febr.;172(5):1091–107.e17.

6. Park J, Shrestha R, Qiu C, Kondo A, Huang S, Werth M és mások. Az egérvese egysejtes transzkriptomikája feltárja a vesebetegség lehetséges sejtes célpontjait. Tudomány. 2018 május; 360(6390):758–63.

7. Hochane M, van den Berg PR, Fan X, Bérenger-Currias N, Adegeest E, Bialecka M, et al. Az egysejtes transzkriptomika feltárja az emberi magzati vesefejlődés génexpressziós dinamikáját. PLoS Biol. 2019. február 17. (2): e3000152.

8. Han X, Zhou Z, Fei L, Sun H, Wang R, Chen Y és mások. Emberi sejttáj felépítése egysejtszinten. Természet. 2020 május; 581(7808):303–9.

9. Liao J, Yu Z, Chen Y, Bao M, Zou C, Zhang H és társai. Az emberi vese egysejtű RNS-szekvenálása. Sci Data. 2020. január;7(1):4.

10. Precíziós gyógyászat a nefrológiában. Nat Rev Nephrol. 2020. nov. 16(11):615.

11. Chen QL, Li JQ, Xiang ZD, Lang Y, Guo GJ, Liu ZH. A SARS-CoV-2 sejtreceptorokhoz kapcsolódó génjeinek lokalizálása a vesében egysejt-transzkriptom-analízissel. Vese Dis. 2020. július;6(4):258–70.

12. Tietjen I, Rihel JM, Cao Y, Koentges G, Zakhary L, Dulac C. Single-cell transzkripciós elemzése neuronális progenitorok. Idegsejt. 2003. április;38(2):161–75.

13. Chiang MK, Melton DA. A hasnyálmirigy fejlődésének egysejtes transzkriptum elemzése. Dev Cell. 2003. márc.;4(3):383–93.

14. Guo G, Huss M, Tong GQ, Wang C, Li Sun L, Clarke ND és mások. Az egysejtű génexpressziós elemzéssel feltárt sejtsors-döntések feloldása a zigótától a blasztocisztáig. Dev Cell. 2010. április;18(4):675–85.

15. Guo G, Luc S, Marco E, Lin TW, Peng C, Kerényi MA, et al. A sejthierarchia feltérképezése a sejtfelszíni repertoár egysejtes elemzésével. Sejt őssejt. 2013. október; 13(4):492–505.

16. Wang Z, Gerstein M, Snyder M. RNA-Seq: forradalmi eszköz a transzkriptomikában. Nat Rev Genet. 2009. január;10(1):57–63.

17. Tang F, Barbacioru C, Wang Y, Nordman E, Lee C, Xu N és mások. Egyetlen sejt mRNS-Seq teljes transzkriptom elemzése. Nat Methods. 2009. május;6(5):377–82.

18. Ramsköld D, Luo S, Wang YC, Li R, Deng Q, Faridani OR et al. Teljes hosszúságú mRNS-szekvencia az RNS egysejtszintjéből és az egyes keringő tumorsejtekből. Nat Biotechnol. 2012. augusztus;30(8):777–82.

19. Picelli S, Björklund ÅK, Faridani OR, Sagasser S, Winberg G, Sandberg R. Smart-seq2 érzékeny, teljes hosszúságú transzkriptom profilalkotáshoz egyetlen cellában. Nat Methods. 2013. nov.; 10(11): 1096–8.

20. Hagemann-Jensen M, Ziegenhain C, Chen P, Ramsköld D, Hendriks GJ, Larsson AJM és társai. Egysejtű RNS számlálás allél- és izoforma felbontásban Smart-seq3 segítségével. Nat Biotechnol. 2020. június;38(6):708–14.

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

22. Yanai I, Hashimshony T. CEL-seq2-egysejtű RNS szekvenálás multiplex lineáris amplifikációval. Módszerek Mol Biol. 2019;1979: 45–56.

23. Streets AM, Zhang X, Cao C, Pang Y, Wu X, Xiong L, et al. Mikrofluidikus egysejtű teljes transzkriptom szekvenálás. Proc Natl Acad Sci US A. 2014. május;111(19):7048–53.

24. Klein AM, Mazutis L, Akartuna I, Tallapragada N, Veres A, Li V, et al. Cseppvonalkódolás az embrionális őssejteken alkalmazott egysejt-transzkriptomikákhoz. Sejt. 2015. május;161(5): 1187–201.

25. Macosko EZ, Basu A, Satija R, Nemesh J, Shekhar K, Goldman M és mások. Egyedi sejtek nagymértékben párhuzamos genomszintű expressziós profilja nanoliteres cseppek felhasználásával. Sejt. 2015. május;161(5):1202–14.

26. Fan HC, Fu GK, Fodor SP. Kifejezés profilalkotás. Egyedi sejtek kombinatorikus jelölése génexpressziós citometriához. Tudomány. 2015. február; 347(6222):1258367.

27. Gierahn TM, Wadsworth MH, Hughes TK, Bryson BD, Butler A, Satija R és mások. Seq-well: hordozható, alacsony költségű RNS-szekvenálás egyetlen sejtből nagy áteresztőképesség mellett. Nat Methods. 2017. április;14(4):395–8.

28. Cao J, Packer JS, Ramani V, Cusanovich DA, Huynh C, Daza R és mások. Egy többsejtű szervezet átfogó egysejtű transzkripciós profilalkotása. Tudomány. 2017. augusztus;357(6352): 661–7.

29. Rosenberg AB, Roco CM, Muscat RA, Kuchina A, Sample P, Yao Z, et al. A fejlődő egér agy és gerincvelő egysejtű profilozása split-pool vonalkóddal. Tudomány. 2018. április;360(6385):176–82.

30. Cao J, Spielmann M, Qiu X, Huang X, Ibrahim DM, Hill AJ és társai. Az emlősök organogenezisének egysejtű transzkripciós tájképe. Természet. 2019. február;566(7745):496–502.

31. Cao J, O'Day DR, Pliner HA, Kingsley PD, Deng M, Daza RM és munkatársai. A magzati génexpresszió emberi sejt atlasza. Tudomány. 2020; 370(6518):370.

32. Chen L, Lee JW, Chou CL, Nair AV, Battistone MA, Păunescu TG és társai. A főbb vesegyűjtő csatorna sejttípusok transzkriptómái egerekben, amelyeket egysejtű RNS-szekvenciával azonosítottak. Proc Natl Acad Sci US A. 2017 Nov;114(46): E9989–98.

33. Ransick A, Lindström NO, Liu J, Zhu Q, Guo JJ, Alvarado GF és munkatársai. Az egysejtű profilalkotás feltárja a nemet, a származást és a regionális sokféleséget az egérvesében. Dev Cell. 2019. nov.;51(3):399–413.e7.

34. Barry DM, McMillan EA, Kunar B, Lis R, Zhang T, Lu T és társai. A nephron vaszkuláris specializációjának molekuláris meghatározói a vesében. Nat Commun. 2019. december;10(1):5705.

35. Chung JJ, Goldstein L, Chen YJ, Lee J, Webster JD, Roose-Girma M és munkatársai. A vese glomerulusának egysejtű transzkriptom profilja azonosítja a kulcsfontosságú sejttípusokat és a sérülésekre adott reakciókat. J Am Soc Nephrol. 2020. október; 31(10): 2341–54.

36. Kramann R, Machado F, Wu H, Kusaba T, Hoeft K, Schneider RK és társai. A parabiózis és az egysejtű RNS-szekvenálás kimutatja, hogy a monociták korlátozott mértékben járulnak hozzá a miofibroblasztokhoz a vesefibrózisban. JCI Insight. 2018. május;3(9): e99561.

37. Kuppe C, Ibrahim MM, Kranz J, Zhang X, Ziegler S, Perales-Patón J et al. A miofibroblaszt eredetének dekódolása az emberi vesefibrózisban. Természet. 2021. jan.;589(7841):281–6.

38. Wang H, Zheng C, Lu Y, Jiang Q, Yin R, Zhu P és mások. A vizelet fibrinogénje a CKD progressziójának előrejelzője. Clin J Am Soc Nephrol. 2017. december;12(12):1922–9.

39. Fu J, Akat KM, Sun Z, Zhang W, Schlondorff D, Liu Z és társai. A glomeruláris sejtek egysejtű RNS-profilja dinamikus változásokat mutat kísérleti diabéteszes vesebetegségben. J Am Soc Nephrol. 2019. ápr.;30(4):533–45.

40. Zhang Y, Li W, Zhou Y. Hub gének azonosítása diabéteszes vesebetegségben többszörös microarray elemzéssel. Ann Transl Med. 2020. augusztus;8(16):997.

41. Wilson PC, Wu H, Kirita Y, Uchimura K, Ledru N, Rennke HG és mások. A korai emberi diabéteszes nefropátia egysejtű transzkriptomikus tája. Proc Natl Acad Sci US A. 2019 Sep;116(39):19619–25.

42. Wu H, Kirita Y, Donnelly EL, Humphreys BD. Az egymagvú előnyei a felnőtt vese egysejtes RNS-szekvenálásával szemben: ritka sejttípusok és új sejtállapotok a fibrózisban. J Am Soc Nephrol. 2019. január;30(1):23–32.

43. Young MD, Mitchell TJ, Vieira Braga FA, Tran MGB, Stewart BJ, Ferdinand JR és mások. Az emberi vesékből származó egysejtes transzkriptomok felfedik a vese daganatok sejtes azonosságát. Tudomány. 2018. augusztus;361(6402):594–9.

44. Stewart BJ, Ferdinand JR, Young MD, Mitchell TJ, Loudon KW, Riding AM és társai. Az emberi vese spatiotemporális immunzónája. Tudomány. 2019. szept.;365(6460):1461–6.

45. Arazi A, Rao DA, Berthier CC, Davidson A, Liu Y, Hoover PJ és mások. Az immunsejt-táj lupus nephritisben szenvedő betegek veséjében. Nat Immunol. 2019. július;20(7):902–14.

46. ​​Der E, Ranabothu S, Suryawanshi H, Akat KM, Clancy R, Morozov P és mások. Egysejtű RNS szekvenálás a lupus nephritis molekuláris heterogenitásának feltárására. JCI Insight. 2017. május;2(9):e93009.

47. Der E, Suryawanshi H, Morozov P, Kustagi M, Goilav B, Ranabothu S és mások. A lupus nephritisre alkalmazott tubuláris sejt és keratinocita egysejtes transzkriptomika I-es típusú IFN-t és fibrózis-releváns útvonalakat tár fel. Nat Immunol. 2019. július;20(7):915–27.

48. Conway BR, O'Sullivan ED, Cairns C, O'Sullivan J, Simpson DJ, Salzano A és mások. A vese egysejtű atlasza a mieloid heterogenitást tárja fel a vesebetegség progressziójában és regressziójában. J Am Soc Nephrol. 2020. december; 31(12):2833–54.

49. Cameron GJM, Cautivo KM, Loering S, Jiang SH, Deshpande AV, Foster PS és mások. A 2. csoportba tartozó veleszületett limfoid sejtek redundánsak a kísérleti vese ischaemia-reperfúziós sérülésben. Front Immunol. 2019;10:826.

50. Kreimann K, Jang MS, Rong S, Greite R, von Vietinghoff S, Schmitt R et al. Az iszkémia-reperfúziós sérülés CXCL13 felszabadulását és B-sejtek toborzását váltja ki allogén vesetranszplantáció után. Front Immunol. 2020;11:1204.

51. Kirita Y, Wu H, Uchimura K, Wilson PC, Humphreys BD. Az egér akut vesekárosodásának sejtprofilja a sérülésre adott konzervált sejtválaszokat mutatja. Proc Natl Acad Sci US A. 2020 Jul;117(27):15874–83.

52. Wen L, Yang H, Ma L, Fu P. The roles of NLRP3 inflammasome-mediated signaling pathways in hyperuricemiás nephropathia. Mol Cell Biochem. 2021. márc.;476(3):1377–86.

53. Nishinakamura R. Emberi vese organoidok: fejlődés és hátralévő kihívások. Nat Rev Nephrol. 2019. október;15(10):613–24.

54. Tran T, Lindström NO, Ransick A, De Sena Brandine G, Guo Q, Kim AD és társai. A humán podociták in vivo fejlődési pályái a pluripotens őssejt-eredetű podociták in vitro differenciálódását jelzik. Dev Cell. 2019. július;50(1):102–e6.

55. Uchimura K, Wu H, Yoshimura Y, Humphreys BD. Humán pluripotens őssejt-eredetű veseorganoidok javított gyűjtőcsatorna éréssel és sérülésmodellezéssel. Cell Rep. 2020 Dec;33(11):108514.

56. Subramanian A, Sidhom EH, Emani M, Vernon K, Sahakian N, Zhou Y és mások. Az emberi vese organoidok egysejtű összeírása reprodukálhatóságot mutat, és a transzplantáció után csökkent a célsejtek száma. Nat Commun. 2019. nov.;10(1):5462.

57. Wu H, Uchimura K, Donnelly EL, Kirita Y, Morris SA, Humphreys BD. A humán PSC-ből származó vese organoid differenciálódás összehasonlító elemzése és finomítása egysejtes transzkriptomikával. Sejt őssejt. 2018. dec. 23(6):869–e8.

58. Czerniecki SM, Cruz NM, Harder JL, Menon R, Annis J, Otto EA és társai. A nagy áteresztőképességű szűrés fokozza a vese organoidok differenciálódását a humán pluripotens őssejtektől, és lehetővé teszi az automatizált többdimenziós fenotipizálást. Sejt őssejt. 2018. június; 22(6): 929–e4.

59. Dvela-Levitt M, Kost-Alimova M, Emani M, Kohnert E, Thompson R, Sidhom EH és társai. A kis molekula a TMED9-et célozza meg, és elősegíti a lizoszómális lebontást a proteinopátia megfordítása érdekében. Sejt. 2019. július;178(3):521–e23.

60. Wu H, Malone AF, Donnelly EL, Kirita Y, Uchimura K, Ramakrishnan SM és munkatársai. A humán vese allograft biopsziás mintájának egysejtes transzkriptomikája változatos gyulladásos választ határoz meg. J Am Soc Nephrol. 2018. augusztus;29(8):2069–80.

61. Malone AF, Wu H, Fronick C, Fulton R, Gaut JP, Humphreys BD. A kifejezett egyetlen nukleotid variáció és az egysejtű RNS szekvenálás kihasználása az immunsejt-kimérizmus meghatározására a kilökődő vesetranszplantációban. J Am Soc Nephrol. 2020. szept. 31(9):1977–86.

62. Liu Y, Hu J, Liu D, Zhou S, Liao J, Liao G és társai. Az egysejtes elemzés feltárja az immunrendszert a krónikus transzplantációs kilökődésben szenvedő betegek veséjében. Theranostics. 2020; 10(19):8851–62.

63. Wang Y, Zhao Y, Zhao Z, Li D, Nie H, Sun Y és mások. Az egysejtű RNS-Seq analízis vese progenitor sejteket azonosított az emberi vizeletből. Fehérje sejt. 2021. április;12(4):305–12.

64. Stark R., Grzelak M., Hadfield J. RNS szekvenálás: a tizenévesek. Nat Rev Genet. 2019. nov., 20(11):631–56. 65 Regev A, Teichmann SA, Lander ES, Amit I, Benoist C, Birney E, et al. Az emberi sejt atlasz. 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: Őssejt- és Regeneratív Orvostudományi Központ, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, Kína;

c: Zhejiang tartományi kulcslaboratórium a szövetmérnöki és regeneratív gyógyászat területén, Dr. Li Dak Sum & Yip Yio Chin, Őssejt- és Regeneratív Medicina Központ, Hangzhou, Kína;

d: Csontvelő-transzplantációs központ, The First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, Kína;

e: Hematológiai Intézet, Zhejiang University, Hangzhou, Kína