文獻(xiàn)解讀：尿scRNA-seq捕獲人類急性腎損傷的腎損傷和修復(fù)過程

期刊：Kidney Int
影響因子：18.998

導(dǎo)語
急性腎損傷(AKI)是一個主要的健康問題，其結(jié)果主要取決于腎小管上皮細(xì)胞的損傷和修復(fù)過程。AKI的機(jī)制仍然不完全清楚，缺乏特異性治療方法，在臨床常規(guī)中監(jiān)測AKI的病程僅限于測量尿量和血漿濾過標(biāo)志物水平。通過流式分選尿液并進(jìn)行scRNA-seq，證明了一種評估AKI細(xì)胞和分子動力學(xué)的新方法的可行性和潛力。分析了來自32名AKI患者的40份尿液樣本的42,608個scRNA-seq數(shù)據(jù)，并將測得的數(shù)據(jù)與來自人類AKI死后活檢和已發(fā)表的小鼠數(shù)據(jù)的參考資料進(jìn)行了比較。證明小管上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組反映腎臟病理，反映不同的損傷和修復(fù)過程，包括氧化應(yīng)激、炎癥和組織重排。此外還描述了AKI特異性的大量適應(yīng)性祖樣細(xì)胞尿排泄。因此，尿中排泄的腎細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)為AKI的細(xì)胞過程提供了無創(chuàng)的、前所未有的見解，從而為目標(biāo)識別、AKI亞分類以及自然疾病過程和干預(yù)的監(jiān)測開辟了新的機(jī)會。

研究技術(shù)
ScRNA-seq

研究路線

研究結(jié)果
1. 尿液主要是由腎細(xì)胞和免疫細(xì)胞組成
對32例患者40份新鮮尿液樣本的沉積物進(jìn)行了scRNA-seq，共獲得42,608個單細(xì)胞，每個樣本中位數(shù)為472個細(xì)胞，每個細(xì)胞檢測到1436個基因和3991個獨(dú)特轉(zhuǎn)錄本。AKI尿液沉積物的主要為3種細(xì)胞類型。
 

Fig 1. 急性腎損傷(AKI)患者尿液的細(xì)胞組成是多樣和個體的，但具有主要上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞類型的代表性

2. 尿腎上皮細(xì)胞表現(xiàn)出不同的損傷和適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)
重新分析了12853個AKI的scRNA-seq數(shù)據(jù)，這些之前被鑒定為tec或PDCs；在對腎實質(zhì)細(xì)胞的重點(diǎn)分析中，10個細(xì)胞亞群類似于來自腎小管系統(tǒng)不同片段的細(xì)胞，表達(dá)了特定的marker基因。然而，一些關(guān)鍵的marker基因在這些cluster中沒有規(guī)律地表達(dá)，這暗示了一個去分化過程。這些“典型”的cluster僅構(gòu)成尿tec的一小部分，而大多數(shù)顯示出幾種與損傷相關(guān)的細(xì)胞狀態(tài)之一。其中一大群的細(xì)胞結(jié)合了損傷標(biāo)志物、促炎因子和趨化因子以及上皮到間質(zhì)轉(zhuǎn)化標(biāo)志物的高表達(dá)�？赡芊从沉艘环N去分化的適應(yīng)性祖細(xì)胞樣細(xì)胞的細(xì)胞狀態(tài)。

泌尿tec的表型似乎主要由損傷相關(guān)的去分化過程決定，僅在較小程度上由其小管段起源決定。
 

Fig 2. 尿腎上皮細(xì)胞表現(xiàn)出不同的損傷和適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)

3. AKI患者的尿細(xì)胞反映了AKI死后活檢
對先前生成的人類死后AKI腎活檢的snRNA-seq進(jìn)行分析。人類AKI腎組織的數(shù)據(jù)包含106,971個細(xì)胞核，包含小管細(xì)胞、白細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和纖維細(xì)胞。將活檢AKI數(shù)據(jù)與symphony構(gòu)建了一個參考圖譜，并將我們的尿液數(shù)據(jù)映射到圖譜上。尿液和組織的數(shù)據(jù)重疊證實了之前的發(fā)現(xiàn)，很少有尿液TECs映射到健康組織TECs，最明顯的是PT和CD。損傷相關(guān)的尿液亞群映射到損傷的活檢細(xì)胞狀態(tài)，特別是TAL、瘦肢(TL)和PT起源。Map查詢還顯示尿纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞豐度較低，這些細(xì)胞先前在非整合尿液數(shù)據(jù)中與tec和白細(xì)胞聚集在一起。

比較了尿液和活檢數(shù)據(jù)集之間的基因表達(dá)。表達(dá)譜的相關(guān)性顯示了相應(yīng)尿液和組織細(xì)胞類型的分子相似性，大多數(shù)尿小管亞群與損傷相關(guān)的活檢細(xì)胞的表達(dá)相關(guān)性優(yōu)于健康細(xì)胞亞群。

使用AKI活檢數(shù)據(jù)作為參考，尿液數(shù)據(jù)的SingleR注釋產(chǎn)生了類似的結(jié)果：除了一小部分健康的、特定節(jié)段的小管細(xì)胞外，尿tec似乎是受損的表型，主要來自小管的Henle環(huán)和收集管段。比較腎元位置和疾病狀態(tài)顯示尿偏向髓質(zhì)和遠(yuǎn)端損傷腎元段。這表明，腎小管完整性喪失和/或脫離基底膜后，受損的tec被排泄，從而影響尿腎細(xì)胞特征，存活的TAL、TL和CD細(xì)胞更傾向于最終尿排泄。與公共數(shù)據(jù)庫中健康腎臟和膀胱數(shù)據(jù)集的進(jìn)一步比較支持這些細(xì)胞的腎臟起源，而尿液應(yīng)激基因特征表明尿液暴露對TEC轉(zhuǎn)錄組的影響有限。綜上所述，大部分受損細(xì)胞和髓質(zhì)細(xì)胞隨尿液排出，而這些細(xì)胞中保留了有關(guān)小管節(jié)段起源和病理生理的信息。
 

Fig 3. 急性腎損傷(AKI)患者的尿細(xì)胞反映了AKI死后活檢

4. 人尿tec類似于小鼠AKI的適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)
在跨物種小鼠/人類比較方法中，使用Kirita等人最近發(fā)表的小鼠缺血-再灌注損傷數(shù)據(jù)集中的marker基因訓(xùn)練了一個多項模型，他們最初在PT中描述了這些適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)。該模型表明，大多數(shù)尿TEC類似于“損傷”細(xì)胞狀態(tài)。部分特定節(jié)段的群集，主要是PT和TAL，也被指定為“健康”。有趣的是，TEC_VCAM1主要類似于“修復(fù)失敗”的細(xì)胞狀態(tài)，而TEC_prg與“修復(fù)”和“健康”狀態(tài)重疊。這些發(fā)現(xiàn)表明，尿液TECs從健康到受傷再到適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)的潛在軌跡。
 

Fig 4. 尿小管上皮細(xì)胞(tec)類似于小鼠急性腎損傷的適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)

5. 泌尿適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)可能來源于TAL，并表現(xiàn)出再生特征
尿tec大多表現(xiàn)為去分化損傷和適應(yīng)性表型。為了評估這些細(xì)胞的起源，使用monocle3研究了尿液tec數(shù)據(jù)。觀察了從健康的TAL通過損傷細(xì)胞狀態(tài)到可能去分化細(xì)胞狀態(tài)TEC_prg和TEC_VCAM1的終點(diǎn)的軌跡。

PLCG2在上皮細(xì)胞和肝細(xì)胞體外增殖中依賴信號傳導(dǎo)，表明PLCG2在上皮再生中發(fā)揮作用，可能通過成纖維細(xì)胞生長因子/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶通路或Wnt通路中的相互作用。與之相對應(yīng)的是，AKI再生相關(guān)通路PI3K、雌激素和Wnt42在TEC_prg中更活躍。
 

Fig 5. 泌尿適應(yīng)性細(xì)胞狀態(tài)可能來源于TAL，并表現(xiàn)出再生特征

6. 尿TEC豐度提示AKI后顳移位
細(xì)胞尿分析的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其可重復(fù)性，與基于活檢的方法相比，可以更容易地評估AKI發(fā)病后的顳葉變化。雖然數(shù)據(jù)集只包括有限數(shù)量的重復(fù)采樣患者，并且采樣時間點(diǎn)各不相同，但可以推斷AKI后尿液沉積物組成的時間變化。
 

Fig 6. 不同時間點(diǎn)尿急性腎損傷(AKI)腎小管上皮(TEC)細(xì)胞豐度和細(xì)胞類型比例

參考文獻(xiàn)：
Klocke J, Kim SJ, Skopnik CM, Hinze C, Boltengagen A, Metzke D, Grothgar E, Prskalo L, Wagner L, Freund P, Görlich N, Muench F, Schmidt-Ott KM, Mashreghi MF, Kocks C, Eckardt KU, Rajewsky N, Enghard P. Urinary single-cell sequencing captures kidney injury and repair processes in human acute kidney injury. Kidney Int. 2022 Dec;102(6):1359-1370. doi: 10.1016/j.kint.2022.07.032. Epub 2022 Aug 29. PMID: 36049643.