Nature Communications 14권, 기사 번호: 4407(2023) 이 기사 인용
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급성 신장 손상(AKI)은 만성 신장 질환(CKD)의 중요한 위험 요소이지만 세뇨관 복구 실패 및 AKI-CKD 전환의 기본 메커니즘은 불완전하게 이해됩니다. 이 연구에서 우리는 AKI에 대한 국소 손상이 시간이 지남에 따라 퍼질 수 있는지 이해하기 위해 세뇨관 손상의 동적 추적 및 리모델링을 목표로 했습니다. 여기에서는 신장의 절반만 허혈성으로 렌더링한 AKI 모델을 제시합니다. 직렬 강내 2광자 현미경 검사와 순환 세포의 유전적 식별을 사용하여 우리는 허혈 후 신장 영역과 비허혈 신장 영역에서 동시에 3주에 걸쳐 동적 조직 리모델링을 추적했습니다. 초기 괴사 세포 사멸과 관련된 순환 세포의 공간적 및 시간적 분석은 상피 VCAM1 발현으로 세뇨관 위축을 예측하는 비괴사성 조직 영역으로의 뚜렷한 손상 전파 및 확장을 입증했습니다. 요약하면, 세뇨관 손상, 리모델링 및 운명에 대한 종단적 분석은 AKI 병리학에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.
급성 신장 손상(AKI)은 급성 세뇨관 손상1으로 인해 발생하는 신장 기능의 갑작스러운 저하로 정의됩니다. 손상의 정도에 따라 환자의 신장 기능이 회복될 수 있습니다. 그러나 현재 AKI 환자는 나중에 만성 신장 질환(CKD)이 발생할 위험이 높다는 것이 잘 알려져 있습니다2,3. 이 AKI-CKD 전환의 메커니즘은 불완전하게 이해되지만3 내피 세포 기능 장애4,5, 간질성 면역 세포 모집 및 염증6,7,8, 신장 간질 섬유증9,10 및 불완전한 세뇨관 상피 복구11,12와 관련이 있습니다. 신장 근위 세뇨관(PT)은 허혈-재관류 손상(IRI) 동안 주요 손상 부위이며 상당한 리모델링을 거칩니다. 손상 시 PT 세포는 Kim-1, Cd44 및 vimentin과 같은 마커의 새로운 발현으로 탈분화하고 증식하여 결국 기능성 PT 세포로 재분화될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 탈분화 상태에서는 간질 염증, 근섬유모세포 모집 및 후속 섬유증 리모델링을 향상시키는 측분비 신호 전달 경로에도 관여합니다14,17,18,19. IRI 신장에서 얻은 최근의 단일 세포 염기서열 분석 연구는 이러한 탈분화된 PT 세포의 하위 집합이 염증 신호 증가로 인해 복구 실패 상태를 겪는다는 것을 추가로 시사했습니다8,11. 마지막으로, AKI에 의해 유발된 괴사성 세포 사멸은 조직 염증 강화 및 추가 손상 촉진에 직접적으로 관여할 수 있습니다20,21.
AKI-CKD 전환을 방지하려면 조직 손상 및 리모델링 과정이 회복의 성공 또는 실패와 어떻게 연결되는지 더 잘 이해할 필요가 있습니다. 그러나 이를 연구하기 위한 종단적 데이터는 제한되어 있습니다. AKI 환자의 생검은 정기적으로 수집되지 않으며 생검을 실시한 시간과 관련하여 상당한 이질성을 보여줍니다22. 또한 AKI에 대한 동물 연구에는 전통적으로 추가 생체 외 분석을 위한 장기 수집이 포함됩니다. 따라서 매우 역동적인 AKI 유발 리모델링 프로세스는 다양한 동물 및 시점에서 획득한 단일 스냅샷으로 재구성됩니다. 이는 동적 세포-세포 상호 작용과 네프론 운명에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제한합니다. 실제로, 신장 조직이 손상으로부터 어떻게 재생될 수 있는지에 대한 몇 가지 기본적인 질문은 아직 답변되지 않았거나 논란의 여지가 있습니다. 조직 손상에 반응하여 어떤 세포가 증식합니까? 손상된 신장 조직의 회복 능력은 얼마나 됩니까? 손상되지 않은 신장 조직은 인접한 국소 손상에 의해 어떻게 영향을 받나요? 시간이 지나면 부상이 퍼질 수 있나요?
이 연구에서 우리는 연속 생체 내 2광자 현미경(2PM)을 순환 세포의 유전적 식별과 부분 허혈-재관류 손상(부분 IRI) 모델과 결합했습니다. 이는 인접한 손상되지 않은 조직에 괴사 세포가 미치는 영향을 연구하기 위해 개념화되었습니다. 3주에 걸친 부분 IRI 신장의 연속 영상화는 세뇨관 손상 및 리모델링에 대한 쌍을 이루는 데이터를 제공했으며 처음으로 초기 괴사성 세포 사멸을 세뇨관 증식의 국소 부위와 궁극적으로 세뇨관 운명과 연결시켰습니다. 따라서 우리의 데이터는 초기 근위 세뇨관이 괴사 손상의 핵심 부위이자 세분화된 원주 형성의 원천임을 확인했으며, 이는 하류 손상 전파 및 세뇨관 위축의 발생과 관련이 있습니다.
25 μm) from any propidium iodide (PI)+ cell detected on day 0 (n = 145, 184 and 37 segments from 4 mice for PT-S1, PT-S2, and DCT/CD, respectively); mean ± 95% CI with scatterplot. Statistical test: two-sided paired t-test with p < 0.05 considered significant (Supplementary Extended Statistics.k). d Same dataset as in (c) displayed to reveal distinct locations of proliferating tubule cells in different tubule segments over days after partial IRI (n = 4 partial IRI mice; detailed information on segment number/group provided in Supplementary Table 3); mean ± 95% CI with scatterplot. Statistical test: linear mixed-effect model, p-values from two-sided test (Supplementary Extended Statistics.m). e Volumetric quantification of tubular GFP expression (% of total nuclei/ segment) clustered by necrotic thresholds (n = 223, 140, 157 PT-S1 segments and 250, 237, 103 PT-S2 segments for non-necrotic, moderate, and severe, respectively, from 6 mice); mean ± 95% CI with scatterplots. Statistical test: linear mixed-effect model, p-values from two-sided test (Supplementary Extended Statistics.n). f Linear regression of PI+ nuclei (% of total nuclei/segment) at day 0 and cumulative GFP+ nuclei (% of total nuclei/ segment) from days 1, 2, and 3 for PT-S1 and PT-S2 segments (n = 144 and 180 from 4 mice). Fit (slope*x + intercept, plotted with 95% CI), R2 and Pearson’s coefficient (r) are reported for both. #: significant difference of slope and intercept from zero. *: significance test across groups, p-values from two-sided test. */#: p < 0.05; **/##: p < 0.01; ***/###: p < 0.001./p>20% necrotic cells at day 0). Consistent with the findings above, we observed significantly higher GFP expression in non-necrotic and moderately necrotic PT-S2 segments on days 2 and 3 as compared to respective PT-S1 (Fig. 4e). Among severely necrotic segments, PT-S1 segments proliferated more than PT-S2 segments on day 1. However, GFP expression in severely necrotic PT-S2 segments rapidly increased from day 2 and exceeded that observed in PT-S1 segments on days 3 and 7 (Fig. 4e). Finally, we aimed to evaluate if PT-S1 and PT-S2 displayed different capacities to proliferate upon necrotic cell death of a given degree. Thus, we performed a linear regression of PI-positive nuclei (% of total nuclei) observed on day 0 and the cumulative number of GFP-positive nuclei (% of total nuclei) observed on days 1 to 3 after partial IRI. For both PT-S1 and PT-S2 segments, a significant correlation between the initial number of necrotic cells and the subsequent proliferative response was detected (Fig. 4f). Of note, there was no significant difference in the slopes of the linear regressions, indicating a comparable necrosis-induced proliferative response in PT-S1 and PT-S2 segments (Fig. 4f). However, we detected a significantly higher intercept in the linear regression of PT-S2 segments (Fig. 4f), which demonstrated a population of PT-S2 segments that proliferated in absence of preceding necrotic injury. In contrast, the intercept of the PT-S1 linear regression equation was not statistically different from zero, confirming that proliferation in these segments strictly depended on the presence of initial necrotic injury./p>1% PI+ necrotic cells at day 0 was classified as necrotic; mean ± 95% CI with scatterplots. Statistical test: linear mixed-effect model, p-values from two-sided test, no adjustment for multiple comparisons (Supplementary Extended Statistics.o). e Linear regression of luminal granular cast area (% of total segment cross-sectional area) and GFP+ nuclei (% of total nuclei/ segment, assessed in 3D) measured 24 h later in the same segment and proliferating outside a 25 µm radius from any PI+ nucleus (n = 179 and 184 for non-necrotic and necrotic segments from 4 and 3 mice, respectively). Fit (slope*x + intercept, plotted with 95% CI); R2 and Pearson’s correlation coefficient (r) are reported for both. #: significant difference of slope and intercept from zero. *: significant difference between the segment types, p-values from two-sided test, */#: p < 0.05; **/##: p < 0.01; ***/###: p < 0.001./p>1% PI+) (c) and GFP+ nuclei (% of total nuclei/ segment) at day 3/4 (d), in recovered and atrophic tubule segments, respectively (c: n = 89 and 92 segments from 4 and 3 mice; d: n = 124 and 168 segments from 4 mice, respectively); mean ± 95% CI with scatterplot. Statistical tests: linear mixed-effect model, p-values from two-sided test (Supplementary Extended Statistics.q). e Correlative in vivo and ex vivo 2-photon microscopy images of CycB1-GFP kidneys 21 days after partial IRI reveal selective tubular VCAM-1 immunostaining (blue, arrows) in atrophic tubules (ω). Scale bar: 100 µm. f, g Tubular fate distribution (%) across partial IRI areas (f: n = 82,232, and 153 segments for Not-IR, Mid, and IR from 4, 6, and 5 mice, respectively), and days after partial-IRI (g: n = 103 and 106 for recovered and atrophic tubules from 6 mice, respectively). h Binary regression of luminal granular cast area (in % of total segment cross-sectional area) at day 3/4 and respective tubule fate (0 = non-atrophy; 1 = atrophy), (n = 237 segments from 4 mice, respectively). Fit (slope*x + intercept); R2, and effect size as odds ratio (OR) for the predictor are reported. *: p < 0.05; **: p < 0.01; ***: p < 0.001./p>1% of total nuclei) that regained morphologically intact epithelium. Atrophic segments were defined by a collapsed tubular lumen and severely fragmented epithelial appearance (Supplementary Fig. 2). (9) Dynamic PT-S1 function was assessed as albumin reuptake capacity expressed as the mean fluorescent intensity ratio of Alexa594-albumin in the apical cytoplasmic region of PT-S1 segments and in peritubular capillaries (n = 170)./p>
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