导语
急性肾损伤(AKI)是一个主要的健康问题，其结果主要取决于肾小管上皮细胞的损伤和修复过程。AKI的机制仍然不完全清楚，缺乏特异性治疗方法，在临床常规中监测AKI的病程仅限于测量尿量和血浆滤过标志物水平。通过流式分选尿液并进行scRNA-seq，证明了一种评估AKI细胞和分子动力学的新方法的可行性和潜力。分析了来自32名AKI患者的40份尿液样本的42,608个scRNA-seq数据，并将测得的数据与来自人类AKI死后活检和已发表的小鼠数据的参考资料进行了比较。证明小管上皮细胞转录组反映肾脏病理，反映不同的损伤和修复过程，包括氧化应激、炎症和组织重排。此外还描述了AKI特异性的大量适应性祖样细胞尿排泄。因此，尿中排泄的肾细胞的单细胞转录组学为AKI的细胞过程提供了无创的、前所未有的见解，从而为目标识别、AKI亚分类以及自然疾病过程和干预的监测开辟了新的机会。
研究技术
ScRNA-seq
研究路线
研究结果
1. 尿液主要是由肾细胞和免疫细胞组成
对32例患者40份新鲜尿液样本的沉积物进行了scRNA-seq，共获得42,608个单细胞，每个样本中位数为472个细胞，每个细胞检测到1436个基因和3991个独特转录本。AKI尿液沉积物的主要为3种细胞类型。
2. 尿肾上皮细胞表现出不同的损伤和适应性细胞状态
重新分析了12853个AKI的scRNA-seq数据，这些之前被鉴定为tec或PDCs；在对肾实质细胞的重点分析中，10个细胞亚群类似于来自肾小管系统不同片段的细胞，表达了特定的marker基因。然而，一些关键的marker基因在这些cluster中没有规律地表达，这暗示了一个去分化过程。这些“典型”的cluster仅构成尿tec的一小部分，而大多数显示出几种与损伤相关的细胞状态之一。其中一大群的细胞结合了损伤标志物、促炎因子和趋化因子以及上皮到间质转化标志物的高表达。可能反映了一种去分化的适应性祖细胞样细胞的细胞状态。
泌尿tec的表型似乎主要由损伤相关的去分化过程决定，仅在较小程度上由其小管段起源决定。
3. AKI患者的尿细胞反映了AKI死后活检
对先前生成的人类死后AKI肾活检的snRNA-seq进行分析。人类AKI肾组织的数据包含106,971个细胞核，包含小管细胞、白细胞、内皮细胞和纤维细胞。将活检AKI数据与symphony构建了一个参考图谱，并将我们的尿液数据映射到图谱上。尿液和组织的数据重叠证实了之前的发现，很少有尿液TECs映射到健康组织TECs，最明显的是PT和CD。损伤相关的尿液亚群映射到损伤的活检细胞状态，特别是TAL、瘦肢(TL)和PT起源。Map查询还显示尿纤维细胞和内皮细胞丰度较低，这些细胞先前在非整合尿液数据中与tec和白细胞聚集在一起。
比较了尿液和活检数据集之间的基因表达。表达谱的相关性显示了相应尿液和组织细胞类型的分子相似性，大多数尿小管亚群与损伤相关的活检细胞的表达相关性优于健康细胞亚群。
使用AKI活检数据作为参考，尿液数据的SingleR注释产生了类似的结果：除了一小部分健康的、特定节段的小管细胞外，尿tec似乎是受损的表型，主要来自小管的Henle环和收集管段。比较肾元位置和疾病状态显示尿偏向髓质和远端损伤肾元段。这表明，肾小管完整性丧失和/或脱离基底膜后，受损的tec被排泄，从而影响尿肾细胞特征，存活的TAL、TL和CD细胞更倾向于最终尿排泄。与公共数据库中健康肾脏和膀胱数据集的进一步比较支持这些细胞的肾脏起源，而尿液应激基因特征表明尿液暴露对TEC转录组的影响有限。综上所述，大部分受损细胞和髓质细胞随尿液排出，而这些细胞中保留了有关小管节段起源和病理生理的信息。
4. 人尿tec类似于小鼠AKI的适应性细胞状态
在跨物种小鼠/人类比较方法中，使用Kirita等人最近发表的小鼠缺血-再灌注损伤数据集中的marker基因训练了一个多项模型，他们最初在PT中描述了这些适应性细胞状态。该模型表明，大多数尿TEC类似于“损伤”细胞状态。部分特定节段的群集，主要是PT和TAL，也被指定为“健康”。有趣的是，TEC_VCAM1主要类似于“修复失败”的细胞状态，而TEC_prg与“修复”和“健康”状态重叠。这些发现表明，尿液TECs从健康到受伤再到适应性细胞状态的潜在轨迹。
5. 泌尿适应性细胞状态可能来源于TAL，并表现出再生特征
尿tec大多表现为去分化损伤和适应性表型。为了评估这些细胞的起源，使用monocle3研究了尿液tec数据。观察了从健康的TAL通过损伤细胞状态到可能去分化细胞状态TEC_prg和TEC_VCAM1的终点的轨迹。
PLCG2在上皮细胞和肝细胞体外增殖中依赖信号传导，表明PLCG2在上皮再生中发挥作用，可能通过成纤维细胞生长因子/细胞外信号调节激酶通路或Wnt通路中的相互作用。与之相对应的是，AKI再生相关通路PI3K、雌激素和Wnt42在TEC_prg中更活跃。
6. 尿TEC丰度提示AKI后颞移位
细胞尿分析的主要优点之一是其可重复性，与基于活检的方法相比，可以更容易地评估AKI发病后的颞叶变化。虽然数据集只包括有限数量的重复采样患者，并且采样时间点各不相同，但可以推断AKI后尿液沉积物组成的时间变化。
参考文献：
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.