期刊：Kidney Int
影響因子：18.998

導語
急性腎損傷(AKI)是一個主要的健康問題，其結果主要取決于腎小管上皮細胞的損傷和修復過程。AKI的機制仍然不完全清楚，缺乏特異性治療方法，在臨床常規中監測AKI的病程僅限于測量尿量和血漿濾過標志物水平。通過流式分選尿液并進行scRNA-seq，證明了一種評估AKI細胞和分子動力學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數據，并將測得的數據與來自人類AKI死后活檢和已發表的小鼠數據的參考資料進行了比較。證明小管上皮細胞轉錄組反映腎臟病理，反映不同的損傷和修復過程，包括氧化應激、炎癥和組織重排。此外還描述了AKI特異性的大量適應性祖樣細胞尿排泄。因此，尿中排泄的腎細胞的單細胞轉錄組學為AKI的細胞過程提供了無創的、前所未有的見解，從而為目標識別、AKI亞分類以及自然疾病過程和干預的監測開辟了新的機會。

研究技術
ScRNA-seq

研究路線

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

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

2. 尿腎上皮細胞表現出不同的損傷和適應性細胞狀態
重新分析了12853個AKI的scRNA-seq數據，這些之前被鑒定為tec或PDCs；在對腎實質細胞的重點分析中，10個細胞亞群類似于來自腎小管系統不同片段的細胞，表達了特定的marker基因。然而，一些關鍵的marker基因在這些cluster中沒有規律地表達，這暗示了一個去分化過程。這些“典型”的cluster僅構成尿tec的一小部分，而大多數顯示出幾種與損傷相關的細胞狀態之一。其中一大群的細胞結合了損傷標志物、促炎因子和趨化因子以及上皮到間質轉化標志物的高表達。可能反映了一種去分化的適應性祖細胞樣細胞的細胞狀態。

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

Fig 2. 尿腎上皮細胞表現出不同的損傷和適應性細胞狀態

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

比較了尿液和活檢數據集之間的基因表達。表達譜的相關性顯示了相應尿液和組織細胞類型的分子相似性，大多數尿小管亞群與損傷相關的活檢細胞的表達相關性優于健康細胞亞群。

使用AKI活檢數據作為參考，尿液數據的SingleR注釋產生了類似的結果：除了一小部分健康的、特定節段的小管細胞外，尿tec似乎是受損的表型，主要來自小管的Henle環和收集管段。比較腎元位置和疾病狀態顯示尿偏向髓質和遠端損傷腎元段。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，從而影響尿腎細胞特征，存活的TAL、TL和CD細胞更傾向于最終尿排泄。與公共數據庫中健康腎臟和膀胱數據集的進一步比較支持這些細胞的腎臟起源，而尿液應激基因特征表明尿液暴露對TEC轉錄組的影響有限。綜上所述，大部分受損細胞和髓質細胞隨尿液排出，而這些細胞中保留了有關小管節段起源和病理生理的信息。
 

Fig 3. 急性腎損傷(AKI)患者的尿細胞反映了AKI死后活檢

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

Fig 4. 尿小管上皮細胞(tec)類似于小鼠急性腎損傷的適應性細胞狀態

5. 泌尿適應性細胞狀態可能來源于TAL，并表現出再生特征
尿tec大多表現為去分化損傷和適應性表型。為了評估這些細胞的起源，使用monocle3研究了尿液tec數據。觀察了從健康的TAL通過損傷細胞狀態到可能去分化細胞狀態TEC_prg和TEC_VCAM1的終點的軌跡。

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

Fig 5. 泌尿適應性細胞狀態可能來源于TAL，并表現出再生特征

6. 尿TEC豐度提示AKI后顳移位
細胞尿分析的主要優點之一是其可重復性，與基于活檢的方法相比，可以更容易地評估AKI發病后的顳葉變化。雖然數據集只包括有限數量的重復采樣患者，并且采樣時間點各不相同，但可以推斷AKI后尿液沉積物組成的時間變化。
 

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

參考文獻：
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.