急性肾损伤(AKI)是包括慢性肾脏疾病（CKD）在内的长期不良后果的主要危险因素。在小鼠AKI模型中，损伤的近端小管(PT)的不适应修复阻止了组织的完全恢复。然而，在人类中缺乏PT适应不良及其与AKI并发症的病因学关系的证据。

23年12月，来自约翰霍普金斯大学医学院、耶鲁大学医学院、匹兹堡大学等机构的研究人员发表在《Science Translational Medicine》（IF=19）论文[1]中，结合单细胞转录组学和血浆蛋白质组学，发现了急性肾损伤（AKI）中的不适应性修复流程，这些流程与更严重肾病的进展相对应。该研究阐明了人类AKI中PT细胞的转录组学景观，鉴定与适应不良过程相关的血浆蛋白质组学特征，并确定它们与心脏手术后严重AKI进展及AKI小鼠模型中AKI后肾萎缩有关的相关性。研究结果证明了多组学方法在发现非侵入性标志物和将PT适应不良与不良临床结果联系起来方面的可行性，并且可以协助治疗开发，研究人员有可能又向治疗AKI迈进了一步。

研究方法：

• 通过单核RNA测序（snRNA-seq）对来自KPMP肾脏精准医学项目前瞻性队列研究的17名AKI患者和7名健康对照者的肾脏的120,985个肾活检样品的细胞核进行了测序。在不同病因的急性肾损伤（AKI）患者中均存在适应不良的PT细胞，其在促炎和促纤维化途径中表现出去分化和富集的转录组特征。
• 通过SomaLogic蛋白质组学技术测定血浆蛋白组开发PT不适应的血浆标志物。TRIBE-AKI前瞻性队列研究接受心脏手术的成人队列和两个独立验证队列（小儿心脏手术队列和可能患有运动相关性AKI的马拉松运动员队列）的蛋白质血浆蛋白质组，将其与不适应PT相关的转录组特征联系起来，鉴定了9种蛋白质，其基因被不适应PT中特异性上调或下调。研究人员发现了并确定了6种蛋白质标记物 ，包括转化生长因子-β2（TGFB2）、胶原蛋白XXIII-α1（COL23A1）、X-连锁神经胶质蛋白4（NLGN4X）增加，纤溶酶原（PLG）、外切核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶6（ENPP6）和蛋白C（PROC）减少。这些标志物的术后变化与成人心脏手术后AKI的进展以及缺血再灌注损伤(IRI)和毒性损伤的小鼠模型中的AKI后肾萎缩有关。

研究结果：

1、单核RNA测序揭示了人类AKI中不同的PT细胞表型

研究人员首先用snRNA-seq从参与者的肾活检样本中分析120,985细胞核，使用无监督聚类，在患有和未患有AKI的参与者中鉴定了所有主要的肾细胞、基质细胞和免疫细胞类型。在来自健康参考的样本中，属于健康PT亚簇的细胞的比例较多，但在来自患有AKI的受试者的样品中比例减少，观察到AKI参与者中严重损伤和适应不良的PT细胞富集相似，健康PT细胞比例减少，这表明PT细胞在转录水平上对损伤有潜在的共同反应。除了健康的PT细胞亚群外，转录组图谱还显示，PT细胞具有与去分化相关的特征，其促炎症和促组织坏死的活性高于常人。

 

 

图1. 来自KPMP队列的17名AKI参与者和7名健康参考的snRNA-seq分析鉴定了不同健康状态下的PT细胞

 

2、基因调控网络分析确定了健康和患病状态下PT细胞中激活的不同调控因子

研究人员接着研究了转录组调控结构和转录因子，这些结构和因子有助于健康的肾脏细胞，或损伤后的不适应性表达转变，其中包括涉及从应激反应或损伤到细胞增殖等流程的基因上调。通过检查每个PT亚簇中10个最富集的调控，可以发现，不同健康状态下PT细胞的调控网络存在差异。研究人员观察到HNF4A，HNF1A对靶基因的调节，以及NR1H3 均在健康的PT细胞中富集。在适应不良的PT细胞中，SOX4和STAT5A与TEAD2和IRF8形成了一个共同的调控网络，并控制了一组靶基因的表达，表明炎症和纤维化与修复过程中异常肾小球再生的激活有关。这些结果共同揭示了该研究中至少部分受AKI影响的参与者的PT适应性修复不良，这些参与者是肾脏精准医疗项目(KPMP)的一部分。

 

 

图2. 对17名AKI参与者的PT亚群细胞在不同健康状态下存在不同的调控网络

 

3、多组学研究确定了健康状态下PT适应不良和PT细胞的标志物

在AKI生物标志物 (TRIBE-AKI) 队列的研究中，使用来自具有AKI的KPMP参与者的适应不良的PT细胞的不同表达基因和在接受心脏手术的322名成年人中测量的蛋白质，研究员开发了鉴定PT适应不良的候选标志物的工作流程（图3A、B）。

研究人员使用SomaLogic SomaScan 基于aptamer测定方法，评估了322名成年心脏手术患者的血浆样品，重点研究了与转录组学阶段适应不良近端小管细胞上调或下调的基因相对应的蛋白质。他们注意到，在手术后血浆水平增强的122种蛋白质中，有39种蛋白质在发生严重AKI的心脏手术患者亚群中出现较高水平。另一方面，在手术后血浆水平降低的192种蛋白质中，有38种与晚期AKI的发生有关。

通过对68名接受心脏手术进行先天性心脏病修复的儿科患者和39名被认为是运动相关性AKI高风险的马拉松运动员的样品进行确认测试，研究小组筛选出了几种严重AKI的血浆蛋白标记物。这些标志物包括X连锁神经胶质蛋白4 (NLGN4X) 、XXIII-α1型胶原 (COL23A1) 和转化生长因子- β2 (TGFB2) 水平升高，以及核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶6 (ENPP6)，蛋白C (PROC) 和纤溶酶原 (PLG) 低于正常水平。

 

 

图3.AKI患者肾脏组织转录组和心脏手术患者血浆蛋白质组的整合

 

4、反向研究在缺血性和毒性AKI小鼠模型中验证了PT适应不良和健康状态PT细胞的标志物

为了进一步验证这些蛋白质与不同原因的AKI适应不良反应之间的关联，研究员进行了反向研究，并比较了这些标记的mRNA表达 (Col23a1，Tgfb2，Enpp6 ，和Proc) 在两种不同的IRI小鼠模型中进行修复或萎缩，以及在毒性马兜铃酸肾病 (AAN) 小鼠模型中表现为AKI向CKD过渡。研究人员对肾脏毒性或损伤进展为器官瘢痕或萎缩的小鼠模型的肾脏样品进行了RT-PCR分析，发现这些标志物也与肾脏萎缩有关。

 

 

图4.在17名AKI参与者和AKI小鼠模型中，健康状态下PT适应不良和PT细胞标志物的肾脏基因表达

 

结论：

该研究在人类和临床前实验中的转录组学研究表明，PT细胞中的适应不良修复是对各种原因造成的损伤的共同反应。此外，他们确定了三种血浆蛋白-NLGN4X、COL23A1和TGFB2可以作为PT适应不良的标志物，而血浆蛋白ENPP6，PLG和PROC表示PT细胞的健康状态。这些标志物可以改善AKI后并发症的预后，并可能作为药效学终点，以促进AKI中的药物开发。他们的发现方法结合了多组学方法，也可以帮助健康或改变的细胞状态与其他肾脏疾病的临床结果之间的病因学联系。

参考文献

[1] Yumeng Wen et al. ,Analysis of the human kidney transcriptome and plasma proteome identifies markers of proximal tubule maladaptation to injury.Sci.Transl. Med.15,eade7287(2023).DOI:10.1126/scitranslmed.ade7287

 

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