Teil 1 Phänotypische Diversität und metabolische Spezialisierung renaler Endothelzellen

Kontakt: Audrey Hu WhatsApp/hp: 0086 13880143964 E-Mail:audrey.hu@wecistanche.com

Sébastien J. Dumas^1,6, Elda Meta^1,6, Mila Borri^1,6, Yonglun Luo ^2,3, XuriLi⁴, Ton J. Rabelink⁵und Peter Carmeliet^1,4

Cistanche tubulosa beugt Nierenerkrankungen vor, klicken Sie hier, um die Probe zu erhalten

Zusammenfassung |

Das komplexe vielzellige Leben in Säugetieren ist für das Überleben des gesamten Organismus auf die funktionelle Zusammenarbeit verschiedener Organe angewiesen. DasNierenspielen in diesem Prozess eine entscheidende Rolle durch die Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsvolumens und der Zusammensetzungshomöostase, die es anderen Organen ermöglicht, ihre Aufgaben zu erfüllen. Das Nierenendothel weist phänotypische und molekulare Merkmale auf, die es von den Endothelien anderer Organe unterscheiden. Darüber hinaus umfasst das Gefäßsystem der erwachsenen Niere verschiedene Populationen von meist ruhenden, aber nicht metabolisch inaktiven Endothelzellen (ECs), die sich innerhalb der Niere befindenNiereGlomeruli, Cortex und Medulla. Jede dieser Populationen unterstützt spezifische Funktionen, beispielsweise bei der Filtration von Blutplasma, der Reabsorption und Sekretion von Wasser und gelösten Stoffen und der Konzentration von Urin. Transkriptionsprofile dieser unterschiedlichen EC-Populationen deuten darauf hin, dass sie sich an lokale Mikroumgebungsbedingungen (Hypoxie, Scherstress, Hyperosmolarität) angepasst haben, wodurch sie die Nierenfunktionen unterstützen können. Die Exposition von ECs gegenüber Mikroumgebungs-abgeleiteten angiogenen Faktoren beeinflusst ihren Metabolismus und hält anNiereEntwicklung und Homöostase, während EC-abgeleitete endokrine Faktoren unterschiedliche Nischen der Mikroumgebung bewahren. Im Zusammenhang mit Nierenerkrankungen zeigen Nieren-ECs eine Veränderung ihres Metabolismus und Phänotyps als Reaktion auf pathologische Veränderungen in der lokalen Mikroumgebung, was die Nierenfunktionsstörung weiter fördert. Das Verständnis der Vielfalt und Spezialisierung von Nieren-ECs könnte neue Wege für die Behandlung von Nierenerkrankungen eröffnenNiereRegeneration.

Das Gefäßsystem von Säugetieren besteht aus zwei miteinander verbundenen und stark verzweigten Netzwerken, die den ganzen Körper durchziehen – jedes mit spezifischen Aufgaben. Das Blutgefäßsystem versorgt Parenchymgewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen und erleichtert die Abfallbeseitigung, die Immunüberwachung und den Transport von Immunzellen, die Gerinnung und die Produktion endokriner Signale für die Gewebeerhaltung und -regeneration1. Im Gegensatz dazu leitet das lymphatische Gefäßsystem die extravasierte interstitielle Flüssigkeit aus durchlässigen Blutkapillaren zurück zu den Venen und erleichtert den Transport von Immunzellen und den Transport von Lipiden². Alle Blutgefäße sind mit Blutendothelzellen (BECs, im Folgenden als ECs bezeichnet) ausgekleidet, während lymphatische Endothelzellen (LECs) die innerste Schicht der Lymphgefäße bilden – wobei jede Population ihre gefäßspezifischen Aufgaben unterstützt. Endotheliale Heterogenität geht jedoch weit über die großen Unterschiede zwischen Blut- und lymphatischem Endothel hinaus. Insbesondere ECs aus verschiedenen Organen weisen einzigartige molekulare Profile auf, die die spezifischen Funktionen des Organs unterstützen^3–6. DasNiereVorteileaus einem hochspezialisierten Gefäßsystem, das eng mit dem Nierenepithelsystem verbunden ist⁷. Insbesondere koexistieren phänotypisch unterschiedliche Populationen von renalen Endothelzellen (RECs) innerhalb der drei anatomischen und funktionellen Kompartimente derNiere, Glomeruli, Cortex und Medulla – wo sie bestimmte Nierenaufgaben unterstützen8,9. Wichtig ist, dass technologische Fortschritte die Untersuchung der REC-Heterogenität auf Einzelzellebene ermöglicht haben und neue Einblicke in ihre spezialisierte Rolle bei der Nierengesundheit und -erkrankung liefern^6,10,11.

DasNiereist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Homöostase des Organismus und reguliert das Volumen und die Zusammensetzung von Körperflüssigkeiten⁷. Nieren erhalten 20–25 Prozent des Herzzeitvolumens und weisen eine stereotype Blutgefäßarchitektur auf. Diese Architektur ermöglicht nicht nur die Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen zumNieren, sondern ermöglicht auch die Teilnahme an der Filtration des Blutplasmas, der Reabsorption von Ionen und Metaboliten aus dem Filtrat, der Sekretion von Ionen und Metaboliten in den Primärharn und der Urinkonzentration^7,8. Diese hoch orchestrierten Prozesse ermöglichen eine Feinabstimmung des extrazellulären Flüssigkeitsvolumens, des Blutdrucks, der Osmolalität und der Ionenkonzentration^7,8. Die Nieren regulieren auch die zirkulierenden Metabolitenspiegel, nicht nur durch die Ausscheidung von Stoffwechselschlacken, sondern beispielsweise auch durch die Freisetzung von Glukose (über Glukoneogenese) und Aminosäuren¹². Die Organe von Säugetieren tauschen kontinuierlich Metaboliten über den Kreislauf aus, die selektiv zur Unterstützung ihrer eigenen Stoffwechselaktivitäten verwendet werden¹².

Dementsprechend weisen die metabolischen Funktionen von ECs in verschiedenen Organen wahrscheinlich organspezifische Unterschiede auf, was durch Befunde aus metabolischen Transkriptomanalysen von ECs in verschiedenen Organen gestützt wird⁶. Darüber hinaus ermöglicht die metabolische Plastizität von ECs ihnen, sich in Bezug auf ihre metabolischen Bedürfnisse und Funktionen anzupassen und auf Umweltveränderungen zu reagieren3,13. Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die spezialisierten RECs derNierepassen ihr metabolisches Transkriptom an, um die Nierenfunktion zu unterstützen¹⁰.

REC-Dysfunktion begleitet den akuten oder fortschreitenden Verlust vonNiereFunktion^14,15. Diese Dysfunktion ist mit einer Zunahme der arteriellen Vasokonstriktion und einer Verringerung des renalen Blutflusses, dem Erwerb von proinflammatorischen und prothrombotischen Phänotypen, die die Adhäsion und Infiltration von Immunzellen begünstigen, und der Bildung von Mikrothromben, der Dissoziation von Wandperizyten aus dem Endothel verbunden Schicht, Zusammenbruch der Endothelbarriere, was zu interstitiellen Ödemen führt, Verdünnung der peritubulären Kapillaren (wodurch Nierenhypoxie gefördert wird) und Endothel-zu-Mesenchym-Übergang, der zur Nierenfibrose beiträgt16,17, was darauf hindeutet, dass das Endothel gezielt zum Schutz vor Nieren eingesetzt werden könnte Verletzungen und/oder zur Regeneration der Nierenfunktion.

Diese Überprüfung fasst unser aktuelles Verständnis derNiereGefäßsystem, wobei der Schwerpunkt auf den jüngsten Fortschritten in unserem Verständnis der phänotypischen, molekularen und metabolischen Heterogenität von RECs in Bezug auf ihre Mikroumgebung liegt. Wir diskutieren auch die mögliche Anwendung des gezielten REC-Stoffwechsels als therapeutische Strategie inNiereKrankheitenoder zur Nierenregeneration.

Wichtige Punkte

• Das Endothel unterscheidet sich zwischen verschiedenen Organen, wahrscheinlich um unterschiedliche Organfunktionen zu unterstützen.

• Mehrere spezialisierte Endothelzell-Phänotypen koexistieren innerhalb der Nierenglomeruli, -rinde und -mark; diese unterstützen die glomeruläre Filtration, die Reabsorption und Sekretion von Ionen und Metaboliten sowie die Urinkonzentration.

• Die unterschiedlichen lokalen Mikroumgebungen imNiereprägen die molekulare und metabolische Heterogenität des Nierenendothels; Umgekehrt unterstützen endokrine Faktoren aus Endothelzellen die Nischen andererNiereMikroumgebungen.

• Der Stoffwechsel von Nierenendothelzellen kann im Rahmen verändert werdenNiereVerletzungen und Krankheiten, teilweise als Folge von Veränderungen in der Mikroumgebung.

• Ein besseres Verständnis der phänotypischen Diversität und metabolischen Spezialisierung von Nierenendothelzellen kann die Identifizierung neuer Ziele für dieBehandlung vonNiereKrankheitenundNiereRegeneration.

Heterogenität des renalen Endothels

Anatomie der Nierengefäße

DasNierewird über die Nierenarterie mit Blut versorgt, die nach Eintritt in dieNiereverzweigt sich über den Nierenhilus in segmentale, interlobäre, bogenförmige und interlobuläre Arterien (Abb. 1a) und schließlich in afferente Arteriolen, die Gefäße mit hohem Widerstand sind, die für die Steuerung des glomerulären Blutflusses und der glomerulären Filtrationsrate (GFR) verantwortlich sind 18. Von den afferenten Arteriolen tritt das Blut in das glomeruläre Büschel ein – ein Netzwerk stark gefensterter glomerulärer Kapillaren, in denen die Ultrafiltration von Blutplasma bei erwachsenen Menschen mit einer Geschwindigkeit von ~ 120–140 ml / min erfolgt, wodurch gelöste Stoffe mit niedrigem Molekulargewicht aus dem Glomerulus austreten können Kapillaren zum Bowman-Raum¹⁹. Nachdem ein Teil des Plasmas filtriert wurde, verlässt das Blut das glomeruläre Büschel durch abführende Arteriolen, um die distalen und proximalen gewundenen Tubuli zu vaskularisieren und das kortikale peritubulare Kapillarnetzwerk zu bilden. Blut in den peritubulären Kapillaren ist mit gelösten Stoffen mit hohem Molekulargewicht angereichert und hat aufgrund des Flüssigkeitsverlustes während der glomerulären Ultrafiltration einen geringen Flüssigkeitsgehalt. Daher sind die peritubulären Kapillaren der Reabsorption von Wasser, Ionen und essentiellen Nährstoffen aus dem proximalen Bereich gewidmet^7,20und distale Tubuli²¹. Mehrere Ionen wie H plus (Ref. 22) und K plus (Ref. 23) sowie Moleküle wie Kreatinin²⁴und Arzneimittelmetaboliten²⁵– die von den glomerulären Kapillaren nicht vollständig gefiltert wurden, aber noch aus dem Körper ausgeschieden werden müssen – wandern von den peritubulären Kapillaren in die Epithelzellen der proximalen20 oder distalen Tubuli, um ausgeschieden und mit dem Urin ausgeschieden zu werden21. Die efferenten Arteriolen der juxtamedullären Nephrone führen zur absteigenden Vasa recta (DVR), die durch Kapillargeflechte mit der aufsteigenden Vasa recta (AVR) verbunden ist. AVR und DVR laufen im Gegenstrom zur Henle-Schleife und nehmen am medullären Gegenstromaustausch teil, der, wie später beschrieben, notwendig ist, um einen Osmolaritätsgradienten für die Urinkonzentration aufrechtzuerhalten26. Schließlich verschmelzen das kortikale und medulläre Kapillarsystem zusammen mit dem AVR zu einem venösen System an der kortikomedullären Verbindung. Genauer gesagt leitet das Nierenvenengefäßsystem das Blut aus den peritubulären Kapillaren und dem AVR in die interlobulären und bogenförmigen Venen und dann in die interlobären Venen ab, wodurch schließlich die Nierenvene gebildet wird, die aus der austrittNiereHilus und verzweigt sich schließlich in die untere Hohlvene⁷.

DasNierewird auch von Lymphgefäßen versorgt, die der Gesamttopographie des folgenNiereBlutgefäßsystem²⁷(Abb. 1a). Sie sind hauptsächlich in der Nierenrinde vorhanden, wo ihre Hauptaufgabe darin besteht, Flüssigkeit und Makromoleküle (wie Albumin) aus dem Zwischenraum zwischen den Tubuli und Kapillaren zu entfernen²⁸. Sie spielen auch eine Rolle bei der Infiltration von Immunzellen und der anschließenden Entzündung²⁹. In den Glomeruli umgeben sie die Bowman-Kapsel, ohne in das glomeruläre Büschel einzudringen²⁸. Im Gegensatz dazu sind traditionelle Lymphgefäße im Nierenmark selten vorhanden; In dieser Region werden interstitielle Flüssigkeit und Makromoleküle durch das AVR entfernt, das eine Art hybrides Blutgefäß mit lymphatischen Merkmalen darstellt^28,30.

Phänotypen von renalen Endothelzellen

ECs aus verschiedenen Organen sind phänotypisch heterogen^3–6,31. Die einzigartigen Eigenschaften von RECs und insbesondere von glomerulären ECs werden seit langem geschätzt. Das globale Transkriptionsprofil von ECs von Mäusen hat die Existenz von organspezifischen Transkriptomsignaturen bestätigt^3,4,6. Bemerkenswert ist, dass diese Studien gezeigt haben, dass RECs ECs aus anderen Organen, einschließlich Gehirn, Herz, Lunge, Muskel und Hoden, am unähnlichsten sind⁴(Abb. 1b) durch ihre Expression von Genen, die mit der Interferon-Signalübertragung assoziiert sind, sowie von Genen, die die endokrinen Faktoren FGF1 und IL-33 codieren (Lit^4,6). Die organspezifische Heterogenität von ECs liegt wahrscheinlich ihrer molekularen Anpassung zugrunde, um spezifische funktionelle Rollen zu erfüllen^3–6,31.

Die Heterogenität von RECs geht jedoch über die organotypische Ebene hinaus, mit einer bemerkenswerten Vielfalt derNiereGefäßsystem, wie zunächst durch Elektronenmikroskopie und Microarray-Studien und anschließend durch Einzelzellanalysen gezeigt wurde^6,32,33. DasNiereCortex, Glomeruli und Medulla enthalten einzigartige EC-Populationen (cRECs, gRECs bzw. mRECs). Diese Vielfalt der EG-Populationen könnte aus der Exposition gegenüber den unterschiedlichen Mikroumgebungen dieser Regionen resultieren. Beispielsweise ist das glomeruläre Endothel einem hohen Gefäßdruck ausgesetzt und interagiert eng mit Podozyten, um die Ultrafiltration zu regulieren, während mRECs einer hohen Osmolarität und Hypoxie ausgesetzt sind, die mit der Aufrechterhaltung eines Osmolaritätsgradienten und einer Urinkonzentration zusammenhängen^6,9,10,32(Abb. 1c). Über die Interkompartiment-Heterogenität hinaus weisen RECs auch eine Intrakompartiment-Heterogenität auf, die wahrscheinlich durch eine Reihe genetischer und umweltbedingter Faktoren bestimmt wird, einschließlich der Art des Gefäßbetts (arteriell, kapillar, venös), ihrer Wechselwirkungen mit anderen Zelltypen (z , glatte Muskelzellen, Perizyten, Körnerzellen, Podozyten und Tubulusepithelzellen) und ihre Exposition gegenüber verschiedenen Mikroumgebungen innerhalb desselben Kompartiments, wie z. Entwicklungen in Einzelzell-Transkriptomik-Technologien haben es ermöglicht, die Heterogenität von Maus-RECs mit sehr hoher Auflösung abzubilden^6,10,11, die bis zu 24 transkriptionell unterschiedliche REC-Populationen enthüllt^6,10,11. Bemerkenswerterweise müssen die unten zusammengefassten Ergebnisse aus Einzelzell-RNA-seq-Studien auf Proteinebene bestätigt werden, um sowohl die räumliche Lokalisierung der vorhergesagten Proteine ​​umfassend zu verifizieren als auch das Wissen über die posttranslationalen Veränderungen zu integrieren und/oder Signalmechanismen, die die Proteinaktivität beeinflussen können. Bemerkenswert ist auch die Tatsache, dass die relative Anreicherung eines Gens innerhalb einer bestimmten REC-Population, wie sie durch Einzelzellsequenzierung bestimmt wird, nicht unbedingt bedeutet, dass die Expression dieses Gens auf diese spezifische Zellpopulation beschränkt ist.

Heterogenität glomerulärer Nierenendothelzellen.DasNiereGlomerulus ist eine hochspezialisierte Struktur, die für die Filtration von Blutplasma verantwortlich ist, um ein primäres Urinfiltrat zu erzeugen, während sichergestellt wird, dass essentielle Plasmaproteine ​​im Blut zurückgehalten werden. Es besteht aus glomerulären Kapillaren, die zwischen afferenten und efferenten Arteriolen liegen, die Widerstandsgefäße sind, die sowohl den kapillaren Blutfluss als auch den Druck kontrollieren. Die Arteriolen eines Nephrons stehen in teilweisem Kontakt mit dem juxtaglomerulären Apparat (JGA) – einer spezialisierten Struktur, die die Macula densa des distalen gewundenen Tubulus, körnige Renin-produzierende Zellen, die mit der afferenten Arteriole assoziiert sind, und extraglomeruläre Mesangialzellen umfasst (Abb. 2a). Die JGA reguliert die GFR des einzelnen Nephrons und den Blutdruck durch das tubuloglomeruläre Feedback, die myogene Reaktion und die Freisetzung von Renin^19,35–37.

Das glomeruläre Kapillarendothel besteht aus einzigartigen ECs mit Fenstern ohne Zwerchfell, die die Filtration großer Flüssigkeitsvolumina ermöglichen38 (Abb. 2b).

Die Fenster sind 50–100 nm groß und nehmen etwa 20 Prozent der Zelloberfläche ein und erscheinen in der elektronenmikroskopischen Bildgebung als transzelluläre Löcher³⁸. Der Durchmesser dieser Fenster ist theoretisch groß genug, um Flüssigkeit und große Proteine ​​in die Tubuli passieren zu lassen. Kapillar-gRECs produzieren jedoch auch eine dicke Glykokalyxschicht, die aus negativ geladenen Glykoproteinen und Polysacchariden besteht, die als Barriere für die Proteinpassage wirken^39,40. Darüber hinaus werden Plasmakomponenten in der Glykokalyx adsorbiert und bilden eine breitere Schicht, die als Endotheloberflächenschicht bezeichnet wird41, die mit ihrer filamentösen Struktur die Permselektivität der glomerulären Endothelbarriere weiter verbessert⁴². Tatsächlich werden Albuminurie und Proteinurie bei Beeinträchtigung der Glykokalyx beobachtet^39,43,44. Zusammen mit Podozyten synthetisieren und teilen Kapillar-gRECs auch eine gemeinsame extrazelluläre Matrix, die als glomeruläre Basalmembran (GBM) bekannt ist und hauptsächlich aus Kollagen Typ IV, Laminin und sulfatierten Proteoglykanen besteht42. Mutationen, die die Synthese einer der Komponenten des GBM beeinflussen, führen zu Proteinurie45,46. Somit bilden kapillare gRECs, Podozyten und das GBM eine effiziente glomeruläre Filtrationsbarriere. Bemerkenswerterweise fehlt dem glomerulären Kapillarendothel ein Diaphragma und es exprimiert daher nicht das Typ-II-Transmembran-Glykoprotein Plasmalemma-Vesikel-assoziiertes Protein 1 (PV1), das von Plvap10 codiert wird und ein typischer Marker für gefensterte ECs ist, die mit den überbrückenden Diaphragmen des Endothels assoziiert sind Fenestrae und Caveolae⁴⁷

Die Entwicklung und Aufrechterhaltung der kapillaren gREC-Fenster erfordert den aus Podozyten stammenden vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF), der parakrin über den endothelialen VEGF-Rezeptor 2 (VEGFR2, auch bekannt als KDR) wirkt.⁴⁸. Eine Überexpression von VEGF verursacht einen glomerulären Kollaps, einen raschen Verlust kapillärer gRECs und eine massive Proteinurie⁴⁹. Daher ist eine strenge Regulation von Podozyten-VEGF erforderlich, um das glomeruläre Gefäßsystem während der Embryonalentwicklung aufzubauen und um Fenster in reifen glomerulären Kapillaren aufrechtzuerhalten^38,42. In ähnlicher Weise ermöglicht VEGF aus tubulären Epithelzellen die Aufrechterhaltung des peritubulären Kapillarnetzwerks⁵⁰

Im Gegensatz zu anderen Kapillar-ECs sind gRECs hohem Blutdruck und hohem Blutfluss ausgesetzt, was den glomerulären Filtrationsprozess antreibt und gRECs erheblicher Scherbeanspruchung aussetzt⁵¹. Dementsprechend exprimieren gRECs hohe Spiegel des durch Scherspannung regulierten Transkripts Pi16 (Lit^6,10,11,52) (Abb. 2c; Ergänzungstabelle 1). Kapillar-gRECs exprimieren auch eine Reihe anderer Marker^10,11,32,53, einschließlich Ehd3, das für ein Mitglied der EHD-Proteinfamilie kodiert^{10,11,38,54,55}das das endozytische Recycling reguliert und von dem angenommen wird, dass es das Recycling von VEGFR2 in Kapillar-gRECs reguliert (Fig. 2c), zusammen mit EHD4 (Lit. 54). Somit könnte EHD3 zur Aufrechterhaltung glomerulärer Kapillarfenster beitragen. Kapillare gRECs zeigen auch eine angereicherte Expression von Genen, die mit dem TGF-BMP-Signalweg (Eng, Smad6, Smad7, Xiao und Hipk2 (Ref. 10, 56–58)) assoziiert sind, der an der glomerulären Kapillarbildung beteiligt ist. Überexpression von TGF induziert Proteinurie und Glomerulosklerose⁵⁹, und daher kann das Vorhandensein von inhibitorischen SMADs, wie denjenigen, die von Smad6 und Smad7 in gRECs codiert werden, eine übermäßige TGF-Signalübertragung und eine glomeruläre Dysfunktion verhindern. Im Gegensatz dazu ist aus Podozyten stammendes BMP entscheidend für die normale glomeruläre Kapillarbildung60. Kapillare gRECs exprimieren auch spezifisch Nostrin³², dessen Proteinprodukt die endotheliale Stickoxidsynthase (eNOS) bindet, um deren Translokation von der Plasmamembran zu vesikelartigen subzellulären Strukturen auszulösen, und die Produktion von Stickoxid (NO) – einem wichtigen Regulator von GFR32 – abschwächt. Darüber hinaus deutet die eingeschränkte Expression von Lipoproteinlipase (Lpl) auf kapillare gRECs darauf hin, dass das glomeruläre Endothel für die Freisetzung von Fettsäuren in das Ultrafiltrat essentiell sein könnte, das anschließend als Energiequelle durch Tubulusepithelzellen oder für die Regulation von verwendet werden könnte den Blutfettgehalt oder könnten zur Akkumulation von glomerulären Lipiden beitragen, wie sie in pathologischen Kontexten beobachtet werden^6,10,61,62. Interessanterweise korreliert die renale Expression von Genen, die am Fettstoffwechsel beteiligt sind, mit GFR und Entzündungen bei Patienten mitDiabetikerNiereErkrankung, während eine defekte Fettsäureoxidation (FAO) in Tubuluszellen zur Entwicklung von beiträgtNiereFibrose^61,62.

Transkriptionsfaktoren wie SOX17 und COUP-TFII (kodiert durch Nr2f2) in arteriellen bzw. venösen RECs steuern transkriptomische Signaturen und die Identität spezifischer Gefäßbetten63,64. Die Identität von gRECs beruht auf der Aktivität von mindestens zwei Transkriptionsfaktoren: GATA5 und TBX3 (Ref. 10, 11, 32) (Abb. 2c), die den Erwerb eines gREC-ähnlichen Genexpressionsprofils vermitteln, wenn sie zusammen in der menschlichen Nabelvene überexprimiert werden ECs (HUVECs), ein häufig verwendetes EC-Modell11. Das GATA5-Regulon ist in gRECs hochreguliert, aber nicht in anderen REC-Populationen^10,11und die selektive Deletion von Gata5 in ECs verursacht glomeruläre Läsionen65. Darüber hinaus verursacht die EC-spezifische Deletion von Tbx3 morphogenetische Defekte wie Mikroaneurysmen in Untergruppen von Glomeruli, eine verringerte Anzahl von kapillaren gREC-Fenstern und deformierte Podozyten-Fußfortsätze, was darauf hindeutet, dass dieser Transkriptionsfaktor eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Organisation von glomerulären Kapillaren spielt¹¹. Darüber hinaus sind sowohl GATA5 als auch TBX3 an der Regulierung des Blutdrucks beteiligt. GATA5 beeinflusst typische Gefäßfunktionen, Proteinkinase A und NO-Signalwege⁶⁵, wohingegen von TBX3 angenommen wird, dass es den Blutdruck über die Regulierung der Renin-Sekretion im moduliertNiere¹¹.

Die Regulierung des Gefäßtonus von zu- und abführenden Arteriolen ist erforderlich, um den für die glomeruläre Filtration erforderlichen konstant hohen glomerulären Kapillardruck aufrechtzuerhalten¹⁸. Dieser Regulierungsprozess ermöglicht die Aufrechterhaltung einer konstanten GFR trotz Änderungen des systemischen Drucks und des Herzzeitvolumens66. Afferente Arteriolen haben ein bis drei Schichten vaskulärer glatter Muskelzellen (VSMCs), die in der Nähe der JGA teilweise durch Renin-produzierende Körnerzellen ersetzt werden67 (Abb. 2d). EC-Heterogenität besteht auch innerhalb der afferenten Arteriole, mit Fenstern ohne Zwerchfell des Endothels, das der JGA am nächsten liegt68,69 – ähnlich dem des glomerulären Kapillarendothels – wahrscheinlich um den schnellen Transport von Renin in das Blut zu erleichtern18 (Abb. 2d). Die Expression von Gja5 (das Connexin 40 codiert) ist in dieser Untergruppe von gRECs angereichert^10,70und spielt eine wichtige Rolle bei der Kommunikation zwischen dem Endothel und den Körnerzellen in der JGA, um die Reninfreisetzung zu regulieren^35,70,71. Diese ECs sind auch mit anderen Genen angereichert, die an der Zell-zu-Zell-Interaktion beteiligt sind, wie z. B. solchen, die mit den Wnt- und Notch-Signalwegen, Ephrin und Zytokinen und Chemokinen zusammenhängen (Abb. 2c), die das Übersprechen zwischen Mesangialzellen und/oder vermitteln könnten. oder Körnerzellen und gRECs in der JGA und tragen möglicherweise zur Autoregulation und Blutdruckmodulation bei¹⁰.

Im Gegensatz dazu exprimieren gRECs im stromaufwärtigen (am weitesten entfernten) Teil der afferenten Arteriolen Gene, die an der Benzinregulierung beteiligt sind, wie Edn1 (das für Endothelin 1 kodiert), Alox12 (Arachidonat 12- Lipoxygenase) und S1pr1 (Sphingosin {{6 }}Phosphatrezeptor 1)^10,72,73(Abb. 2c). Der S1P-S1PR1-Signalweg reguliert wirksam das afferente Arteriolenbenzin, indem er das eNOS-System aktiviert^74–76. Entsprechend dieser Rolle ist der S1P-Rezeptor in den afferenten Arteriolen in gRECs angereichert und wird in den efferenten Arteriolen nicht nachgewiesen¹⁰.

Im Gegensatz zu gRECs in den afferenten Arteriolen zeigen gRECs in den efferenten Arteriolen eine geringere Connexin-Expression77, insbesondere Connexin 37 und Connexin 40 (kodiert durch Gja4 bzw. Gja5)10. Ähnlich wie bei ECs aus den afferenten Arteriolen weisen Transkriptomanalysen von ECs aus den abführenden Arteriolen jedoch auf das Vorhandensein von zwei gREC-Populationen hin: eine, die vermutlich mit der JGA assoziiert ist (die Gene exprimiert, die mit der Adhäsion und Extravasation von Immunzellen und der EC-Permeabilität assoziiert sind) und eine zweite das entspricht dem distalen Teil der ableitenden Arteriole (angereichert mit Genen, die an Hyperosmolaritätsreaktionen beteiligt sind)10 (Abb. 2c).

Diese Erkenntnisse legen nahe, dass die phänotypische und funktionelle Vielfalt von gRECs der Fähigkeit dieser Endothelien zugrunde liegt, die GFR durch die aktive Modulation des glomerulären Blutflusses und durch die Gewährleistung der glomerulären Filtrationseffizienz aufrechtzuerhalten. Durch die Integration von tubuloglomerulärem Feedback und myogenen Signalen sind insbesondere gRECs, die mit der JGA assoziiert sind, wahrscheinlich entscheidende Regulatoren der GFR.

Heterogenität kortikaler Nierenendothelzellen.Neben dem glomerulären Kapillarendothel und den präglomerulären und postglomerulären afferenten und efferenten Arteriolen sind dieNiereCortex enthält Lymphgefäße und große Arterien und Venen zusammen mit den zugehörigen Vasa vasora, postkapillaren Venolen und peritubulären Kapillaren. Entsprechend ihrer Rolle bei der Reabsorption und Sekretion von gelösten Stoffen, Ionen und Wasser sind kortikale peritubulare Kapillaren dünnwandige Kapillaren, die aus ECs bestehen, die funktionell an das tubuläre Epithel gekoppelt sind9 (Abb. 3a). Im Vergleich zu gRECs und mRECs exprimieren cRECs – insbesondere peritubuläre kapillare ECs – hohe Spiegel von Igfbp3 (kodiert für insulinähnliches Wachstumsfaktor-bindendes Protein 3) und Npr3 (kodiert für natriuretischen Peptidrezeptor 3)10,11 (Abb. 3b) .

Die kortikalen peritubulären Kapillaren entspringen den efferenten Arteriolen und umgeben die proximalen und distalen gewundenen Tubuli (Abb. 3a), liefern Sauerstoff und Nährstoffe und tragen zur Aufnahme von gelösten Stoffen und zur Wasserreabsorption aus dem Tubuluslumen bei⁹. Im Gegensatz zu glomerulären Kapillaren exprimieren peritubuläre kapillare ECs Plvap, dessen Proteinprodukt (PV1) die peritubulären kapillaren EC-Fenestrae überspannt. Diese Membranfenster haben einen Durchmesser von 62–68 nm und erleichtern wahrscheinlich dieAustausch von Wasser, Ionen und kleinen gelösten Stoffen mit proximalen und distalen Tubuli9,10

Glomeruli filtern ungefähr 180 g Glukose pro Tag78 und unter physiologischen Bedingungen wird fast alles davon in den proximalen Tubuli reabsorbiert. Gefilterte Glukose wird zuerst aus dem Lumen der proximalen Tubuli innerhalb der Epithelzellen durch Natrium-Glucose-Cotransporter (SGLTs) reabsorbiert. Sobald die intrazelluläre Glukosekonzentration die des Interstitiums übersteigt, diffundiert sie durch spezifische erleichterte Glukosetransporter (GLUTs) in den Zwischenraum, von wo sie in den Blutkreislauf reabsorbiert wird79. In Übereinstimmung mit ihrer Rolle in diesem Prozess exprimieren peritubuläre Kapillar-ECs höhere Spiegel von Slc2a1 (kodiert für GLUT1) als ECs anderer Nierengefäßbetten11 (Abb. 3b), was darauf hindeutet, dass die Glukose-Reabsorption durch GLUT1 in peritubulären Kapillar-ECs erleichtert werden könnte.

Zu den kortikalen peritubulären Kapillaren gehören zwei EC-Populationen – eine, die große Mengen an Apoe (codiert Apolipoprotein E) exprimiert, und eine, die wenig oder kein Apoe10 exprimiert (Abb. 3b). Die Apoe-High-Population zeigt eine angereicherte Expression anderer Gene, die mit dem Lipidstoffwechsel in Verbindung stehen, wie Plpp3 und Thrsp10,80,81. Im Gegensatz dazu exprimiert die Apoe-Low-Population Gene, die für VEGF-Rezeptoren (Kdr, Flt1 und Nrp1, die für VEGFR2, VEGFR1 bzw. Neuropilin 1 codieren), insulinähnliche Wachstumsfaktor-bindende Proteine ​​und Rezeptoren (Igfbp5, Igfbp3 und Insr) kodieren. und Npr3, das einen Rezeptor für das natriuretische Peptid codiert, das das Blutvolumen und die Natriumausscheidung reguliert10,82–85. Ob diese beiden EC-Populationen in separaten Kapillaren existieren, die mit proximalen gewundenen Tubuli oder distalen Tubuli interagieren, oder ob sie in denselben Kapillaren existieren, ist derzeit unbekannt.

Überraschenderweise wurden auch zwei weitere kapillare EC-Populationen in der Nierenrinde der Maus beschrieben – eine angiogenetische EC-Population und eine Population, die durch die Expression von Interferon-stimulierten Genen und Genen, die an der Antigenverarbeitung und -präsentation beteiligt sind, gekennzeichnet ist10 (Abb. 3b). . Die angiogenetischen ECs könnten eine Rolle bei der Regeneration geschädigter RECs spielen, während die Interferon-aktivierten ECs an der Immunüberwachung teilnehmen könnten, obwohl weitere Studien erforderlich sind, um diese Möglichkeiten zu untersuchen10.

cRECs in großen Arterien sind durch die Expression des arteriellen Transkriptionsfaktor-Gens Sox17 und des Tight Junction-Gens Cldn5 (Claudin 5) gekennzeichnet, während cRECs in großen Venen durch die Expression des Transkriptionsfaktors Nr2f2 (COUP-TFII) und der Fenstermarkierung Plvap^{6,10,11,47,63,64,86}(Abb. 3b).

Arterielle cRECs exprimieren das Semaphorin-codierende Gen Sema3g, das autokrine und parakrine Wirkungen auf ECs bzw. VSMCs hat, die Connexin-codierenden Gene Gja4 und Gja5, die Bestandteile der myoendothelialen Verbindungen sind, und das Mitglied der Notch-Familie Jag1 (Lit.6,10, 11,87–90) (Abb. 3b). Große Arterien sind hohem Blutdruck ausgesetzt und ihr Gefäßtonus wird als Reaktion auf Änderungen des Blutdrucks moduliert. Ihre Fähigkeit, auf mechanische Signale zu reagieren, wird durch das Vorhandensein einer elastischen Schicht in der Tunica media ermöglicht, die reich an elastischen Fasern ist^9,91und durch die Expression von Genen, die mit dem Zusammenbau elastischer Fasern in Verbindung stehen, wie Eln (Elastin), Ltbp4 (latent-transforming growth factor- --bindendes Protein 4), Fbln5 (Fibulin 5) und Bmp4 (Lit.6,10,11,92 –95). Sie exprimieren auch hohe Konzentrationen an Mgp (Matrix-Gla-Protein)6,10, das die Gefäßverkalkung wahrscheinlich durch Hemmung der BMP2- und BMP4-Signalübertragung unterdrückt96. In Übereinstimmung mit ihrer Rolle bei der Regulierung des renalen Blutflusses exprimieren cRECs der großen Arterien auch Gene, die für die Benzinregulierung verantwortlich sind, wie Ace, Edn1 und S1pr1 (Lit. 6, 10, 97–99) (Abb. 3b).

Die Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen und die Entfernung von Abfallprodukten, die innerhalb der Gefäßwand großer Arterien und Venen freigesetzt werden, werden durch die Vasa vasora100 erleichtert. Vasa-vasora-RECs wurden in den veröffentlichten Studien zu einzelligen Maus-RECs nicht identifiziert, vermutlich weil Gefäße mit einem Lumendurchmesser von<0.5mm (the="" diameter="" of="" normal="" vessels="" in="" mice)="" do="" not="" normally="" have="" vasa="">^6,10,11,100. Die Durchführung solcher Studien an größeren Tieren oder Menschen mit größeren Nierengefäßen kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, Vasa-vasora-RECs zu erfassen. Derzeit sind keine Marker für aus Vasa vasora stammende RECs beschrieben.

Neben dem Blutgefäßsystem enthält die Nierenrinde auch zwei Gruppen von renalen Lymphgefäßen. Beide haben ihren Ursprung als Kapillaren mit blinden Enden im Nierenläppchen, von wo aus ein Satz den Arterien zum Hilus folgt, um das Hilus- und Kapselsystem zu verbinden, und der andere die Kapsel durchdringt, um sich mit den Kapsellymphgefäßen zu verbinden28,101 (Abb. 1a). Die renalen Lymphkapillaren können von den Blutgefäßkapillaren unterschieden werden, da sie hauptsächlich im Interstitium vorhanden sind, blind enden und keine Perizyten aufweisen^28,29. Renale Lymphkapillaren bestehen aus einschichtigen, „Eichenblatt“-förmigen, teilweise überlappenden LECs28,29, die von BECs durch die Expression mehrerer Marker unterschieden werden können⁶, von denen die bekanntesten Pdpn (Podoplanin)102, das für den Hyaluronan-Rezeptor kodierende Gen Lyve1 (Ref. 103), Flt4 (das für VEGFR3 kodiert)104 und das Transkriptionsfaktor-Gen Prox1 (Ref. 105) sind (Abb. 3b) . Obwohl diese Marker auch in anderen Zelltypen exprimiert werden, können sie verwendet werden, um zwischen den beiden wichtigsten EC-Typen zu unterscheiden29. Im MenschenNierewurde Podoplanin als zuverlässigster Marker für LECs beschrieben^28,29. Trotzdem ist keiner der beiden bekanntNiereLEC-Populationen wurden in veröffentlichten Einzelzell-RNA-seq-Studien identifiziert^6,10,11, möglicherweise aufgrund ihres Verlustes während technischer Verarbeitungsschritte (z. B. während des enzymatischen Verdaus oder der EC-Reinigung) und/oder weil sie im Vergleich zur Population der renalen BEC einen zu geringen EC-Anteil darstellen. Weitere Studien sind daher erforderlich, um die Heterogenität des renalen lymphatischen Endothels zu charakterisieren.

Heterogenität der medullären Nierenendothelzellen.Die primäre Rolle des Nierenmarks ist die Urinkonzentration⁹. Die anatomische Anordnung der Vasa recta und der geringe Blutfluss des Nierenmarks (10 Prozent des gesamten Nierenblutflusses9) verhindern das Auswaschen gelöster Stoffe wie Harnstoff und NaCl, wodurch ein Osmolaritätsgradient vom äußeren Medulla zur Nierenpapille entsteht , der für die Urinkonzentration wesentlich ist26,106. Dieser Gradient variiert je nach Hydratationsstatus106.

Das Nierenmarksendothel ist durch die Expression von Igfbp7 (refs10,11), einem Urinmarker von, gekennzeichnetNiereVerletzung, die eine Nierenerholung nach einer akuten Nierenverletzung (AKI)107 vorhersagt, und Cd36 (Ref.10,32), das einen Scavenger-Rezeptor kodiert, der für die Aufnahme langkettiger Fettsäuren aus dem Kreislauf verantwortlich ist108 (Abb. 3c). Daher könnten Lipide auf CD36--abhängige Weise durch das medulläre Endothel zu medullären interstitiellen Zellen pendeln, einer Fibroblasten-ähnlichen Zellpopulation, die durch Lipidtröpfchen gekennzeichnet ist, deren Häufigkeit mit dem Zustand der Diurese korreliert109. Die Deletion von Cd36 bei Mäusen war mit einem erhöhten nierenabhängigen Risiko einer spontanen Hypertonie verbunden^10,110, aber abgeschwächt die Entwicklung vonNiereFibrose als Reaktion auf eine fettreiche Ernährung111 (Abb. 3c), was darauf hindeutet, dass der Lipidtransport in diesen Prozessen sowohl eine schützende als auch eine pathologische Rolle spielt.

Wie die kortikalen und glomerulären Endothelien weist das Nierenmarksendothel eine ausgedehnte Intrakompartiment-Heterogenität auf^10,11. Das DVR sind arterienähnliche Gefäße, die ein kontinuierliches Endothel umfassen, das von glattmuskelähnlichen Perizyten oder VSMCs umgeben ist, die auf vasoaktive Stimuli reagieren, um den Blutfluss im Nierenmark zu kontrollieren. In Übereinstimmung mit ihrem arteriolenähnlichen Phänotyp exprimieren DVR-ECs Sox17 (Ref. 10,55), Cldn5 (Ref.10,55, 86,112), Fbln5, Gja4 und Cxcl12 (CXCL12, auch bekannt als SDF1 – ein Chemokinprotein der als Ligand für CXCR4 und CXCR7 fungiert, die von VSMCs und Perizyten exprimiert werden)^10,63,113. DVR-ECs exprimieren auch Slc14a1 und Aqp1, die für den Harnstofftransporter B (UTB) kodieren.^10,11,112und der Wasserkanal Aquaporin 1 (Lit^10,11,55), die beide für die Urinkonzentration erforderlich sind114,115 (Abb. 3c,d). Diese ECs exprimieren auch Scin, das für Cinder kodiert – ein Protein, das Aquaporin 2 in einem Multiproteinkomplex in Sammelrohr-Epithelzellen bindet, vermutlich um den Transport von Aquaporin 2 zu erleichtern116. Die Co-Expression von Aqp1 und Scin in DVR-ECs deutet auf eine ähnliche Wechselwirkung im medullären Endothel hin¹⁰.

Der Osmolaritätsgradient schafft eine feindliche Umgebung für Zellen des Nierenmarks, insbesondere für diejenigen in der Nierenpapille, wo die Osmolarität am höchsten ist (was einem Zustand physiologischer Hyperosmolarität entspricht, bei der die Osmolarität höher ist als im systemischen Plasma)117. Maus-DVR-ECs können entsprechend ihrer Lokalisierung in der Nierenpapille oder im äußeren oder inneren Medulla10 in zwei Hauptphänotypen unterteilt werden, die sich durch die Expression von Hyperosmolaritäts-induzierten und Vasoton-regulierenden Genen unterscheiden10 (Abb. 3c). Nierenpapillen-DVR-ECs exprimieren auf Hyperosmolarität ansprechende Gene, einschließlich Zielgene des Hyperosmolaritäts-induzierbaren Transkriptionsfaktors NFAT5, wie S100a4 und S100a6 (Lit. 10,118), während DVR-ECs aus dem inneren und äußeren Medulla eine angereicherte Expression von Hpgd zeigen, das kodiert ein wichtiges Enzym, das am Katabolismus von vasoaktiven Prostaglandinen beteiligt ist, Edn1, das für den Vasokonstriktor Endothelin 1 kodiert, und Adipor2, das für einen Rezeptor für Adiponectin kodiert, der vasodilatorische Wirkungen induziert119,120 (Abb. 3c). Dieses Expressionsmuster steht im Einklang mit dem deutlicheren Vorhandensein von glattmuskelähnlichen Perizyten im äußeren medullären Teil des DVR und daher der größeren Reaktionsfähigkeit dieser Region auf vasoaktive Faktoren im Vergleich zu niedrigeren DVR-Teilen9,121.

Im Gegensatz zum DVR sind AVR gefensterte venenähnliche Gefäße (Abb. 3d). Diese Gefäße resorbieren Wasser aus dem Nierenmarksinterstitium, das sich während der Urinkonzentration durch die Sammelrohre, die Henle-Schleife und den DVR ansammelt, und sammeln es in ähnlicher Weise wie die Funktion von Lymphgefäßen30 in den allgemeinen Kreislauf zurück. In Übereinstimmung mit dieser Rolle exprimieren AVR-ECs den venösen Transkriptionsfaktor Nr2f2 (Ref. 10,11,64) und Plvap – wahrscheinlich, um ihre Rolle bei der Wasserresorption aufrechtzuerhalten^10,11,47,122(Abb. 3c). AVR-ECs exprimieren auch Tek, das für den Angiopoietin-Tie2-Rezeptor kodiert, der für die AVR-Bildung während der Entwicklung notwendig ist. Die Deletion von Tek bei Mäusen löst die schnelle Ansammlung von Flüssigkeit und Zysten im medullären Interstitium und den Verlust von medullären Gefäßbündeln aus und führt zu einer verminderten Konzentrationsfähigkeit des Urins³⁰.

Ähnlich wie der DVR kann der AVR in zwei transkriptomisch unterschiedliche EC-Populationen getrennt werden, die sich in der Papille und im äußeren und inneren Medulla befinden. Diejenigen in der Papille sind durch die Expression von auf Hyperosmolarität ansprechenden Genen (Cryab, Fxyd2 und Cd9 (Ref. 10,123,124)), glykolytischen Genen (Ldha, Aldoa und Gapdh10,125,126) und Car2, das für das Enzym Carboanhydrase 2 kodiert, gekennzeichnet , deren Fehlen die Urinkonzentration beeinträchtigt und bei Mäusen Polyurie auslöst127 (Abb. 3c). Papilläre AVR-ECs exprimieren spezifisch das Gen Fxyd2, das die Na plus /K plus ATPase-Untereinheit codiert, während ein alternatives Gen Fxyd6, das die Untereinheit codiert, in AVR-ECs im äußeren und inneren Medulla hochreguliert ist¹⁰ (Abb. 3c).

Die papillären Teile des AVR und DVR zeigen unterschiedliche Genexpressionsprofile, teilen aber die Expression mehrerer auf Hyperosmolarität ansprechender Gene, einschließlich Akr1b3, das für Aldosereduktase kodiert – das geschwindigkeitsbestimmende Enzym des Polyolwegs, das für die Umwandlung von Glukose in verantwortlich ist Sorbit, ein inerter organischer Osmolyt, der für die Aufrechterhaltung des Zellvolumens unter Bedingungen von Hyperosmolarität wichtig ist117. Sie exprimieren auch S100a6 sowie andere Gene – wie Fxyd5 (das für eine weitere Na plus /K plus ATPase-Untereinheit codiert), Nrgn (das für das Calmodulin-bindende Protein Neurogranin codiert) und Crip1 (das für das Cystein-reiche Protein 1 codiert). 10,118 – das möglicherweise mit der hyperosmotischen Umgebung in Verbindung gebracht werden könnte (Abb. 3c).

Der Kapillarplexus des Nierenmarks, der den DVR und den AVR verbindet (Abb. 3a), ist durch ein Plvap-positives fenestriertes Endothel und die angereicherte endotheliale Expression von Genen gekennzeichnet, die für VEGF-Rezeptoren kodieren, wie Kdr, Flt1 und Nrp1 als Gene, die am Transport und Stoffwechsel von Fettsäuren beteiligt sind (Cd36 und Plpp3)10 (Abb. 3c). mRECs umfassen auch ECs aus postkapillaren Venolen sowie angiogene und Interferon-aktivierte EC-Populationen, ähnlich den Kapillaren der Nierenrinde10.

REC-Heterogenität und Nierenerkrankungen

Unter physiologischen Bedingungen ist das Endothel ruhend – ein Zustand, der zum großen Teil durch die S-Nitrosylierung von Proteinen und Transkriptionsfaktoren durch von eNOS abgeleitetes NO128,129 aufrechterhalten wird. Die Aktivität von eNOS selbst wird durch Scherspannung reguliert¹³⁰und intrazelluläre Metaboliten, wie das eNOS-Substrat, l-Arginin, und sein Cofaktor, Tetrahydrobiopterin¹³¹. Unter bestimmten Bedingungen – zum Beispiel als Reaktion auf eine Infektion – kann dieser Ruhezustand abgeschaltet werden, was die Aktivierung von ECs und die Rekrutierung von Immunzellen induziert. Die Redoxsignalisierung und insbesondere die Entkopplung des eNOS-Enzyms, die zur Produktion von Superoxid anstelle von NO führt, ist für diesen Aktivierungsprozess entscheidend. Die Entkopplung von eNOS setzt eine Kaskade in Gang, die zu einem Umbau der endothelialen Oberflächenschicht führt und die Expression von Rezeptoren induziert, die mit Blutplättchen und Immunzellen interagieren können¹³². Obwohl die Endothelaktivierung Teil des Abwehrsystems des Wirts ist, kann diese molekulare Maschinerie bei Krankheitszuständen wie Autoimmunerkrankungen oder im Zusammenhang mit kardiovaskulären Risikofaktoren oder Infektionen unangemessen aktiviert werden. Bemerkenswert ist, dass die Reaktion von RECs auf schädliche Signale heterogen ist¹³³. Beispielsweise sind beim atypischen hämolytisch-urämischen Syndrom Mutationen im komplementhemmenden Faktor H mit einer verringerten Faktor-H-Bindung an glomeruläres endotheliales Heparansulfat verbunden134, wodurch eine glomeruläre thrombotische Mikroangiopathie induziert wird. Ein weiteres Beispiel ist die chronische humorale Allotransplantatabstoßung, bei der die peritubulären Kapillaren das Hauptziel der Verletzung zu sein scheinen¹³⁵; der damit verbundene Verlust des peritubulären Kapillarnetzwerks sagt das Auftreten von vorausNiereAusfall136. Im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie ist anzumerken, dass AKI häufig bei Patienten mit schwerer Erkrankung beobachtet wird (betrifft bis zu 50 % der Patienten auf Intensivstationen).¹³⁷, bei denen eine weit verbreitete EC-Dysfunktion eine Krankheitseskalation als Folge von Gefäßleckagen, Koagulopathie und verschlimmerten Entzündungen fördern könnte^138,139.

Zusätzlich zur Heterogenität in der endothelialen Aktivierungsreaktion kann die Reaktion von RECs auf Umweltreize aus dem Kreislauf ortsspezifisch sein. Zum Beispiel zeigen gRECs von Patienten mit Typ-1-Diabetes Mellitus eine fehlregulierte angiogene Reaktion, die zu glomerulärem Wachstum und sekundärer Podozytopathie führt^140,141. Bei ischämischer Verletzung – insbesondere in peritubulären Kapillaren – führt die Endothelaktivierung und das Ablösen von ECs zum sogenannten „No-Reflow“-Phänomen, wodurch die Perfusion auch nach Wiederherstellung der Durchgängigkeit nicht wiederhergestellt wird, was zu einer Verletzung der tubulären Epithelzellen und AKI führt¹⁴². Die durch REC-Aktivierung induzierte klinische Pathologie wird an anderer Stelle ausführlich diskutiert.

Das Aufkommen von hochauflösenden Techniken wie Einzelzell-RNA-seq hat neue Einblicke in die molekulare Regulation der phänotypischen Heterogenität von Endothelien und die daran beteiligten Prozesse geliefertNiereVerletzung. Eine Reihe von Studien in den letzten Jahren, von unserer Gruppe und anderen, haben das Konzept vorangebracht, dass endotheliale Heterogenität mit dem intrazellulären Metabolismus verknüpft ist^{3,6,10,143–145}. Wie unten beschrieben, tragen die verschiedenen Mikroumgebungen, denen RECs ausgesetzt sind, dazu bei, sowohl ihre phänotypische Vielfalt als auch ihre metabolische Spezialisierung zu etablieren.

Metabolische Spezialisierung von RECs

ECs zeigen selbst im Ruhezustand einen aktiven Stoffwechsel, um Prozesse wie Energieerzeugung, Biomassesynthese und Redoxhomöostase aufrechtzuerhalten, die für die Aufrechterhaltung der Integrität der Gefäßbarriere, der vasoregulatorischen Funktion, des Transports gelöster Stoffe und der Hemmung von Thrombose und Gefäßentzündung erforderlich sind. Zum Beispiel halten ruhende ECs hohe FAO-Spiegel aufrecht, was dazu beiträgt, die Integrität der Gefäßbarriere teilweise durch die Regeneration von NADPH aufrechtzuerhalten, das Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) bietet146. Im Einklang mit dieser Rolle erhöht die Hemmung von FAO in ECs den oxidativen Stress, die Permeabilität der endothelialen Barriere, die Leukozyteninfiltration146 und den Übergang vom Endothel zum Mesenchym¹⁴⁷, was darauf hindeutet, dass FAO für die Aufrechterhaltung der Endothelfunktion und des Phänotyps erforderlich ist. RECs zeigen andere metabolische Profile und Transkriptome als ECs, die aus anderen Organen in Mäusen isoliert wurden^3,6. Sie sind insbesondere durch die Hochregulation von Genen gekennzeichnet, die an der Aminosäure- und Pyrimidinbiosynthese sowie am Glukosestoffwechsel beteiligt sind⁶. Darüber hinaus sind einige metabolische Gene selektiv in arteriellen, kapillaren oder venösen ECs angereichert, was auf eine metabolische Heterogenität innerhalb eines Organs hinweist⁶. Wie unten diskutiert, können verschiedene Mikroumgebungsbedingungen, denen verschiedene REC-Populationen ausgesetzt sind, auch ihre Stoffwechselprofile beeinflussen und die phänotypische Heterogenität der REC sowie ihre Reaktion auf Krankheitsreize unterstützen.

REC-Reaktionen auf Änderungen der Sauerstoffspannung

ObwohlNierensind die am besten durchbluteten Organe des Körpers, weniger als 10 Prozent des zirkulierenden Sauerstoffs werden während der Blutpassage verbrauchtNieren¹⁴⁸. DasNiereMedulla ist einem niedrigen Sauerstoffdruck ausgesetzt, mit einem pO2 von 10–20 mmHg (Hypoxie) im Vergleich zu 50 mmHg in der Nierenrinde117 (Abb. 4a). Der Sauerstoffgradient, der der kortikopapillären Achse folgt, ist die Folge mehrerer Faktoren, einschließlich eines arteriovenösen Sauerstoff-Shunts, der aus der parallelen Anordnung von AVR und DVR in der Medulla resultiert, der begrenzte Blutfluss zu und innerhalb der Medulla, um das Auswaschen von gelösten Stoffen zu minimieren , und die Verwendung von oxidativer Phosphorylierung, um die hohen Energieniveaus zu erzeugen, die für die Na plus /K plus ATPase erforderlich sind, um Na plus zu reabsorbieren und das ordnungsgemäße Funktionieren anderer Zellmembran-Transporter für gelöste Stoffe zu ermöglichen117. Somit ist Hypoxie dem Urinkonzentrationsmechanismus der Medulla inhärent^10,117.

Es ist auch für angemessene erforderlichNiereEntwicklung149. Hypoxie kann jedoch schädlich sein und gilt als Hauptursache für AKI150 und als Risikofaktor für chronische Nierenerkrankungen (CKD)151 (Abb. 4a). Eine Nierenhypoxie kann aus ischämischen Ereignissen resultieren, wie sie während einer Nierentransplantation oder als Folge einer abnormalen Nierendurchblutung aufgrund einer Verdünnung der peritubulären Kapillaren, einer glomerulären Verletzung, Atherosklerose, einer Dysregulation des arteriellen Gefäßtonus, einer Anämie und einer beeinträchtigten Sauerstoffdiffusion aufgrund einer Fibrose auftreten können152 ( Abb. 4a). Innerhalb des Gefäßsystems verursacht eine kurzzeitige Exposition gegenüber Hypoxie eine reversible Modulation des Gefäßtonus und des Blutflusses, während eine langfristige Exposition zu einer irreversiblen Umgestaltung des Gefäßsystems und des umgebenden Gewebes mit VSMC-Proliferation und Fibrose führt¹⁵³. Die zelluläre Antwort auf Hypoxie hängt von der Inaktivierung von Fe2 plus -abhängigen Oxygenasen und 2-Oxoglutarat (2-OG)-abhängigen Oxygenasen152 und der anschließenden Aktivierung von Hypoxie-induzierbaren Transkriptionsfaktor (HIF)-abhängigen und ab HIF-unabhängige Signalwege. Die Exposition gegenüber Hypoxie löst die Aktivierung von HIF1 und HIF2 in ECs aus154 (Abb. 4b). In demNiereexprimieren RECs HIF2 in großem Umfang bei Hypoxie, während die Proteinexpression von HIF1 auf mRECs in der Papille beschränkt ist155–157, wo sie wahrscheinlich die Glykolyse stimuliert (Abb. 4b). Die Aktivierung von HIF2 in RECs vermittelt im Allgemeinen Schutz und Genesung von einer ischämischen Nierenschädigung durch Förderung der Erythropoese und durch Unterdrückung von Nierenentzündung, Kapillarverdünnung und Fibrose156 (Abb. 4b). Exposition von RECs gegenüber Hypoxie im Zusammenhang mitNiereDie Krankheit könnte daher bei gRECs und cRECs andere Reaktionen hervorrufen als bei mRECs. Zum Beispiel fördert Hypoxie die HIF1 --abhängige Proliferation und Migration von kultivierten ECs158,159; Unter nicht konfluenten Bedingungen unterliegen kultivierte gRECs jedoch einer mitochondrienabhängigen Apoptose, wenn sie Hypoxie ausgesetzt werden155,160,161, was auf eine Fehlanpassung von gRECs an Hypoxie hindeutet. Obwohl gRECs in vivo ziemlich resistent gegen Hypoxie zu sein scheinen, wahrscheinlich aufgrund der parakrinen Wirkung von aus Podozyten stammendem VEGF161, kann Hypoxie einen fortschreitenden Verlust der Tight Junction-Proteine ​​Occludin und ZO-1 in gRECs in einem HIF induzieren{{ 11}} abhängige Weise, wodurch letztendlich die Durchlässigkeit der Endothelbarriere erhöht wird162. Über die Reaktion von mRECs auf Hypoxie ist wenig bekannt. Insbesondere mRECs im AVR und DVR sind unter physiologischen Bedingungen einer niedrigen Sauerstoffspannung in der Papille ausgesetzt, und das Epas1-Regulon (kodiert für HIF2) wird in mRECs bei Wasserentzug hochreguliert, wahrscheinlich als Reaktion auf eine Zunahme der Hypoxie, die durch die verursacht wird Urinkonzentrationsprozess¹⁰.

Metabolische Anpassung von ECs an Änderungen der Sauerstoffspannung.Unter normoxischen Bedingungen verlassen sich ECs hauptsächlich auf die Glykolyse für die ATP-Produktion und nicht auf die mitochondriale oxidative Phosphorylierung163. Als Reaktion auf Hypoxie werden diese Stoffwechselreaktionen verschlimmert, mit einer weiteren Verstärkung der Glykolyse und Unterdrückung der mitochondrialen Atmung (Abb. 4b), was erklärt, warum ECs gegen Hypoxie resistent sind, solange Glukose verfügbar bleibt164. Bei Exposition gegenüber akuter Hypoxie wie einem ischämischen Ereignis zeigen ECs einen raschen Anstieg der mitochondrialen und/oder von NAD(P)H-Oxidase abgeleiteten ROS, was HIF1 stabilisiert und einen höheren glykolytischen Fluss ermöglicht164 – Reaktionen, die mit einem HIF{{6 }}induzierte Hochregulierung des Glukosestoffwechsels und Herunterregulierung der mitochondrialen Aktivität^164,165 (Abb. 4b). Darüber hinaus zeigten Stoffwechselweganalysen von ECs, die einer chronischen Hypoxie ausgesetzt waren, wie sie im Medulla oder im Zusammenhang mit CNI auftreten kann, eine HIF2 --abhängige Hochregulierung glykolytischer Gene¹⁶⁶. Interessanterweise wurden einige glykolytische Gene wie Eno1 und Aldoa, die für die Enzyme Enolase 1 und Aldolase A kodieren, die für die Produktion von ATP und Pyruvat aus Glukose notwendig sind, in mRECs stärker hochreguliert als in cRECs und gRECs10. Genauer gesagt zeigten mRECs aus dem papillären Teil des AVR – das ist der Teil des Nierengefäßbetts, der am stärksten Hypoxie ausgesetzt ist – die höchste Expression der glykolytischen Gene Aldoa, Ldha und Gapdh unter allen mRECs in Mäusen10. Daher könnten papilläre mRECs aufgrund ihrer hypoxischen Mikroumgebung einen höheren anaeroben glykolytischen Fluss aufweisen als andere RECs. In ähnlicher Weise haben medulläre Epithelzellen eine höhere Kapazität für die anaerobe glykolytische ATP-Produktion als proximale Tubuluszellen¹¹⁷. mRECs regulieren auch mehrere glykolytische Gene bei Wasserentzug hoch, gleichzeitig mit der oben erwähnten erhöhten HIF2-Aktivität¹⁰.

In ECs wird HIF2 teilweise nach Aktivierung der mitochondrialen NAD plus -abhängigen Deacetylase Sirtuin 3 (SIRT3) hochreguliert (Lit. 167) (Fig. 4b). Der Verlust von SIRT3 beeinträchtigt die hypoxische Signalübertragung in ECs und führt zu einer fehlerhaften Angiogenese und mikrovaskulären Dysfunktion, sekundär zu einer metabolischen Umstellung von sauerstoffunabhängiger Glykolyse auf mitochondriale Atmung. Diese Stoffwechselumstellung ist mit einer Abnahme der Expression von 6-Phosphofructo-2-kinase (PFKFB3) verbunden, einem Enzym, das als positiver Regulator der Glykolyse und ROS-Bildung wirkt¹⁶⁷(Abb. 4b). Bei Hypoxie reguliert SIRT3 mitochondriale antioxidative Enzyme in einer von FOXO3 abhängigen Weise hoch (Ref.¹⁶⁸) – ein Transkriptionsfaktor, der ebenfalls von HIF1 hochreguliert wird¹⁶⁹ (Abb. 4b). Interessanterweise ist der antioxidative Signalweg SIRT3-FOXO3 in gRECs aktiv, verhindert den Übergang vom Endothel zum Mesenchym undNiereFibrose in einem Tiermodell von Angiotensin-II-induzierter Hypertonie¹⁷⁰(Abb. 4b). Pharmakologische Ansätze, die SIRT3 erhöhen, begrenzen auch Cisplatin-induzierte AKI, indem sie vor tubulären Verletzungen schützen und sich verbessernNiereFunktion¹⁷¹. Im Gegensatz dazu weisen Sirt3--Knockout-Mäuse eine schwerere AKI auf, obwohl der Beitrag von RECs zu diesen Effekten nicht bestimmt wurde¹⁷¹. Ob dieser SIRT3-FOXO3-Antioxidansweg auch an der physiologischen Reaktion von mRECs auf Hypoxie im Medulla beteiligt ist, muss noch bestimmt werden.

Der Stoffwechsel von Fettsäuren wird auch durch die Sauerstoffverfügbarkeit beeinflusst, da Hypoxie eine Erhöhung der Expression und Aktivität der Fettsäuresynthase (FAS), eines Schlüsselenzyms der Fettsäurebiosynthese, auslöst, was zu einer Verringerung des Malonyls führt -CoA-Pool und eine Erhöhung der Palmitatspiegel in ECs172 (Abb. 4b). In humanen Lungenarterien-ECs führt die Hemmung von FAS zu einer Beeinträchtigung der HIF1-Stabilisierung und anschließenden HIF1 --vermittelten Veränderungen im Glukosetransport und -stoffwechsel und zur Wiederherstellung der eNOS-Funktion, was darauf hindeutet, dass die Hemmung der Fettsäuresynthese von Vorteil sein kann für die EC-Funktion bei Hypoxie¹⁷²(Abb. 4b). In demNiere, Fans – das für FAS kodiert – wurde in einem experimentellen Modell für chronisches Nierenversagen hochreguliert und trug zu Hypertriglyceridämie bei¹⁷³. Eine Hochregulierung von Fans und anderen auf Hypoxie ansprechenden Genen wurde ebenfalls beobachtetNiereCortex eines Mausmodells der Sichelzellenanämie, das fortschreitende glomeruläre und tubuläre Schäden aufwies¹⁷⁴. Ein veränderter Lipidstoffwechsel ist ein Merkmal der proteinurischen CKD, und sowohl klinische als auch experimentelle Beweise stützen die Vorstellung, dass ein veränderter Lipidstoffwechsel zur Pathogenese und zum Fortschreiten einer Nierenerkrankung beitragen könnte¹⁷⁵. Dennoch ist die Rolle von RECs im fehlregulierten Fettsäurestoffwechsel im Zusammenhang mitNiereErkrankungbleibt noch zu klären.

Hypoxie induziert auch die Hochregulierung von Arginase II in Abhängigkeit von der Aktivierung von HIF2¹⁷⁶oder HIF1¹⁷⁷und verringert die Synthese und den Transport seines Substrats Arginin in ECs^178,179(Abb. 4b). Arginase II ist ein Metalloenzym, das besonders in der exprimiert wirdNierenund katalysiert die Hydrolyse von L-Arginin zu Harnstoff und L-Ornithin. Die Erhöhung der Arginase II-Aktivität senkt die Bioverfügbarkeit von Arginin, was die eNOS-Aktivität dämpft, die endotheliale NO-Produktion verringert und die eNOS-Entkopplung auslöst, was letztendlich zur Produktion von ROS und nitrosativem Stress führt¹⁷⁶. Diese Schritte sind entscheidend bei der Förderung der endothelialen Dysfunktion, der diabetischen Nierenerkrankung undNiereEntzündungen im Zusammenhang mit ernährungsbedingter Adipositas^180,181. Unter physiologischen Bedingungen wird Arginase II hauptsächlich in der äußeren Medulla exprimiert, was darauf hindeutet, dass diese metabolische Anpassung wahrscheinlich nicht in den mRECs auftritt, die am stärksten Hypoxie ausgesetzt sind¹⁸¹.

Schließlich löst die Exposition von papillären mRECs gegenüber akuter Hypoxie die Freisetzung von Purinen und ATP zusammen mit UTP und UDP im extrazellulären Raum aus^182–184. ATP aktiviert endotheliale P2Y-Rezeptoren, was zu NO-Produktion, Vasodilatation und erhöhter Gewebedurchblutung führt¹⁸⁵. ATP bildet auch Adenosin nach Metabolisierung des ATP durch Ectoenzyme^185,186. Wichtig ist, dass Hypoxie eine HIF2 --abhängige Hochregulierung des Adenosin-A2a-Rezeptors (kodiert durch ADORA2A) in ECs auslöst^187,188, dessen Aktivierung die HIF1-Proteinsynthese erhöht, wodurch die glykolytische Genexpression und der glykolytische Fluss weiter gefördert werden¹⁸⁷(Abb. 4b). In den meisten Fällen vermittelt die Aktivierung von A2a- und A2b-Rezeptoren, die von ECs und VSMCs exprimiert werden, die gefäßerweiternde Wirkung von Adenosin, das während Hypoxie freigesetzt wird185. In demNieresind verschiedene Adenosinrezeptoren in den verschiedenen Teilen des Gefäßsystems vorhanden¹⁸⁹, und extrazelluläres ATP und Adenosin üben eine Schlüsselrolle bei der Regulation der renalen Hämodynamik und der Mikrozirkulation aus^185,190. In der Medulla wird nach oxidativem Stress Adenosin im markdick aufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife (TALH) produziert¹⁹¹und wirkt als Vasodilatator, der über einen Mechanismus, an dem DVR-mRECs beteiligt sein können, eine Erhöhung des medullären Blutflusses induziert¹⁹². Im Gegensatz zu seinen Wirkungen in den meisten anderen Gefäßen löst die Adenosin-vermittelte Aktivierung von A2a-Rezeptoren, die besonders in den afferenten Arteriolen exprimiert werden, jedoch eine Vasokonstriktion der Nierengefäße aus, wodurch möglicherweise der renale Blutfluss und die glomeruläre Filtration beeinträchtigt werden^185,193. Bemerkenswert ist, dass eine Rolle für purinerge Rezeptoren bei der CKD-Progression identifiziert wurde¹⁹⁴.