肾脏是一个高度复杂的器官，肾脏组织的发病机制涉及异质性肾脏环境中复杂的细胞间相互作用。近期，来自台湾高雄医学大学医学研究所的许雅玲研究团队于2023年7月在《Cell Death & Disease》杂志上发表题为“Single-cell transcriptomic profiles in the pathophysiology within the microenvironment of early diabetic kidney disease”的研究文章，通过单细胞测序和PhenoCycler（原CODEX）组织原位空间蛋白检测等技术解析了早期糖尿病肾病的组织微环境异质性，并鉴定了DKD病理发生发展中的多个hub靶标，揭示了DKD的复杂结构及其与微环境的相互作用。

 

 

早期DKD病理发生机制的示意图

 

主要技术和研究方法

糖尿病肾病（Diabetic kidney disease，DKD）是终末期肾脏疾病的主要原因，造成巨大的社会经济影响。本研究中，作者首先使用scRNA-seq技术研究了db/m小鼠和db/db小鼠在第14周时肾脏的早期变化，包括不同的细胞亚群、肾小管中特异性表达的关键分子以及肾脏内细胞间通讯作用。然后采用体外模型、人受试者和PhenoCycler（原CODEX）方法，研究hub基因在DKD中的病理生理作用。

 

主要结果

1. 早期DKD近端小管的亚型变化

近端小管（proximal tubule，PT）通过聚类分析可分为4个不同亚群。通过PhenoCycler原位空间蛋白检测证实了db/db小鼠肾脏组织中增殖性PT（AQP1+MKi67+）比例降低（见下图）。

 

 

此外，早期糖尿病肾病（DKD）PT的另一个主要变化是含有AQP4表达的PT（PT AQP4+）数量减少。AGT（血管紧张素原）作为AQP4+PT的特异性表达分子，在db/db小鼠的肾脏近端小管中的表达更高（见下图），提示PTAQP4+可调节 RAS通路。以上研究表明早期DKD中PT的这些变化可能与细胞修复活性受损和肾素-血管紧张素系统调节功能障碍有关。

 

 

2. DKD进展与铁死亡有关

此外，发现铁死亡与DKD进展有关。在与铁死亡相关的hub基因中，铜蓝蛋白（CP）仅表达于db/db小鼠的PTAQP4+中，但在其他类型PT中不表达。PhenoCycler原位空间蛋白检测显示db/db小鼠PT（AQP4）中谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4，铁死亡的标志）的水平低于db/m小鼠。综上所述，这些发现表明铁死亡可能在PT损伤中起重要的病理生理学作用，尤其是PTAQP4+。

 

 

3. SPP1调节早期DKD中PT亚型及远端小管的通信

通过研究四种PT亚型之间潜在的相互作用，可清楚地了解DKD中PT微环境的差异。在db/db小鼠PT亚型间参与交互作用的hub基因中，SPP1（分泌型磷酸蛋白1）表达量最高。db/db小鼠的PT中 SPP1蛋白水平表达高于db/m小鼠（见下图），这意味着SPP1可能调节早期DKD中PT亚型之间的病生理交互作用。

 

 

作者还研究了DKD中TAL（升支粗段）、DCT（远曲小管）和CD（连接小管）之间的通讯。TAL和CD-IC均通过SPP1信号通路与其他4种管型相互通讯。通过PhenoCycler原位空间蛋白检测进一步发现了db/db小鼠的TAL (SLC12A1+)和CD-IC (SCNN1A+)中SPP1的表达高于db/m小鼠。综上表明，SPP1不仅在DKD近端和远端小管微环境内的通信中起重要作用，而且是早期DKD小管损伤的潜在生物标志物。

 

 

4. SEMA3C调节早期DKD的肾小球微环境

关于db/db小鼠肾小球微环境中独特的相互作用，肾小球系膜细胞可能通过SEMA3C- NRP1/NRP2轴与内皮细胞交互作用，促进肾小球内皮细胞的内皮-间质转化。SEMA3C在db/db小鼠系膜细胞（PDGFRB+）中的表达高于db/m小鼠（见下图）。

 

 

总结

本项研究通过单细胞测序探索参与早期DKD发病机制的hub基因，并通过PhenoCycler 单细胞原位空间蛋白组学技术多层次证实了多个关键标志物在早期DKD不同病生理过程中的重要作用。

参考文献

1. Tsai, YC., Kuo, MC., Huang, JC. et al. Single-cell transcriptomic profiles in the pathophysiology within the microenvironment of early diabetic kidney disease. Cell Death Dis 14, 442 (2023). https://doi.org/10.1038/s41419-023-05947-1

 

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