Injectable self-healing hydrogel dressing with multifunctional properties including anti-infection, anti-oxidative and conductivity promoting wound healing process will be highly desired in wound healing application and its design is still a challenge. We developed a series of injectable conductive self-healed hydrogels based on quaternized chitosan-g-polyaniline (QCSP) and benzaldehyde group functionalized poly(ethylene glycol)-co-poly(glycerol sebacate) (PEGS-FA) as antibacterial, anti-oxidant and electroactive dressing for cutaneous wound healing. These hydrogels presented good self-healing, electroactivity, free radical scavenging capacity, antibacterial activity, adhesiveness, conductivity, swelling ratio, and biocompatibility. Interestingly, the hydrogel with an optimal crosslinker concentration of 1.5 wt% PEGS-FA showed excellent in vivo blood clotting capacity, and it significantly enhanced in vivo wound healing process in a full-thickness skin defect model than quaternized chitosan/PEGS-FA hydrogel and commercial dressing (Tegaderm™ film) by upregulating the gene expression of growth factors including VEGF, EGF and TGF-β and then promoting granulation tissue thickness and collagen deposition. Taken together, the antibacterial electroactive injectable hydrogel dressing prolonged the lifespan of dressing relying on self-healing ability and significantly promoted the in vivo wound healing process attributed to its multifunctional properties, meaning that they are excellent candidates for full-thickness skin wound healing.

Developing injectable antibacterial and conductive shape memory hemostatic with high blood absorption and fast recovery for irregularly shaped and noncompressible hemorrhage remains a challenge. Here we report injectable antibacterial conductive cryogels based on carbon nanotube (CNT) and glycidyl methacrylate functionalized quaternized chitosan for lethal noncompressible hemorrhage hemostasis and wound healing. These cryogels present robust mechanical strength, rapid blood-triggered shape recovery and absorption speed, and high blood uptake capacity. Moreover, cryogels show better blood-clotting ability, higher blood cell and platelet adhesion and activation than gelatin sponge and gauze. Cryogel with 4 mg/mL CNT (QCSG/CNT4) shows better hemostatic capability than gauze and gelatin hemostatic sponge in mouse-liver injury model and mouse-tail amputation model, and better wound healing performance than Tegaderm™ film. Importantly, QCSG/CNT4 presents excellent hemostatic performance in rabbit liver defect lethal noncompressible hemorrhage model and even better hemostatic ability than Combat Gauze in standardized circular liver bleeding model.

A challenge for single-cell genomic studies in kidney and other solid tissues is generating a high-quality single-cell suspension that contains rare or difficult-to-dissociate cell types and is free of both RNA degradation and artifactual transcriptional stress responses.We compared single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) using the DropSeq platform with single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) using sNuc-DropSeq, DroNc-seq, and 10X Chromium platforms on adult mouse kidney. We validated snRNA-seq on fibrotic kidney from mice 14 days after unilateral ureteral obstruction (UUO) surgery.A total of 11,391 transcriptomes were generated in the comparison phase. We identified ten clusters in the scRNA-seq dataset, but glomerular cell types were absent, and one cluster consisted primarily of artifactual dissociation-induced stress response genes. By contrast, snRNA-seq from all three platforms captured a diversity of kidney cell types that were not represented in the scRNA-seq dataset, including glomerular podocytes, mesangial cells, and endothelial cells. No stress response genes were detected. Our snRNA-seq protocol yielded 20-fold more podocytes compared with published scRNA-seq datasets (2.4% versus 0.12%, respectively). Unexpectedly, single-cell and single-nucleus platforms had equivalent gene detection sensitivity. For validation, analysis of frozen day 14 UUO kidney revealed rare juxtaglomerular cells, novel activated proximal tubule and fibroblast cell states, and previously unidentified tubulointerstitial signaling pathways.snRNA-seq achieves comparable gene detection to scRNA-seq in adult kidney, and it also has substantial advantages, including reduced dissociation bias, compatibility with frozen samples, elimination of dissociation-induced transcriptional stress responses, and successful performance on inflamed fibrotic kidney.

Kidney organoids derived from human pluripotent stem cells have great utility for investigating organogenesis and disease mechanisms and, potentially, as a replacement tissue source, but how closely organoids derived from current protocols replicate adult human kidney is undefined. We compared two directed differentiation protocols by single-cell transcriptomics of 83,130 cells from 65 organoids with single-cell transcriptomes of fetal and adult kidney cells. Both protocols generate a diverse range of kidney cells with differing ratios, but organoid-derived cell types are immature, and 10%–20% of cells are non-renal. Reconstructing lineage relationships by pseudotemporal ordering identified ligands, receptors, and transcription factor networks associated with fate decisions. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and its cognate receptor NTRK2 were expressed in the neuronal lineage during organoid differentiation. Inhibiting this pathway improved organoid formation by reducing neurons by 90% without affecting kidney differentiation, highlighting the power of single-cell technologies to characterize and improve organoid differentiation.

Diabetic nephropathy is characterized by damage to both the glomerulus and tubulointerstitium, but relatively little is known about accompanying cell-specific changes in gene expression. We performed unbiased single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) on cryopreserved human diabetic kidney samples to generate 23,980 single-nucleus transcriptomes from 3 control and 3 early diabetic nephropathy samples. All major cell types of the kidney were represented in the final dataset. Side-by-side comparison demonstrated cell-type-specific changes in gene expression that are important for ion transport, angiogenesis, and immune cell activation. In particular, we show that the diabetic thick ascending limb, late distal convoluted tubule, and principal cells all adopt a gene expression signature consistent with increased potassium secretion, including alterations in Na+/K+-ATPase, WNK1, mineralocorticoid receptor, and NEDD4L expression, as well as decreased paracellular calcium and magnesium reabsorption. We also identify strong angiogenic signatures in glomerular cell types, proximal convoluted tubule, distal convoluted tubule, and principal cells. Taken together, these results suggest that increased potassium secretion and angiogenic signaling represent early kidney responses in human diabetic nephropathy.

After acute kidney injury (AKI), patients either recover or alternatively develop fibrosis and chronic kidney disease. Interactions between injured epithelia, stroma, and inflammatory cells determine whether kidneys repair or undergo fibrosis, but the molecular events that drive these processes are poorly understood. Here, we use single nucleus RNA sequencing of a mouse model of AKI to characterize cell states during repair from acute injury. We identify a distinct proinflammatory and profibrotic proximal tubule cell state that fails to repair. Deconvolution of bulk RNA-seq datasets indicates that this failed-repair proximal tubule cell (FR-PTC) state can be detected in other models of kidney injury, increasing during aging in rat kidney and over time in human kidney allografts. We also describe dynamic intercellular communication networks and discern transcriptional pathways driving successful vs. failed repair. Our study provides a detailed description of cellular responses after injury and suggests that the FR-PTC state may represent a therapeutic target to improve repair.

Inflammation contributes to the tubulointerstitial lesions of diabetic nephropathy. Toll-like receptors (TLRs) modulate immune responses and inflammatory diseases, but their role in diabetic nephropathy is not well understood. In this study, we found increased expression of TLR4 but not of TLR2 in the renal tubules of human kidneys with diabetic nephropathy compared with expression of TLR4 and TLR2 in normal kidney and in kidney disease from other causes. The intensity of tubular TLR4 expression correlated directly with interstitial macrophage infiltration and hemoglobin A1c level and inversely with estimated glomerular filtration rate. The tubules also upregulated the endogenous TLR4 ligand high-mobility group box 1 in diabetic nephropathy. In vitro, high glucose induced TLR4 expression via protein kinase C activation in a time- and dose-dependent manner, resulting in upregulation of IL-6 and chemokine (C-C motif) ligand 2 (CCL-2) expression via IκB/NF-κB activation in human proximal tubular epithelial cells. Silencing of TLR4 with small interfering RNA attenuated high glucose–induced IκB/NF-κB activation, inhibited the downstream synthesis of IL-6 and CCL-2, and impaired the ability of conditioned media from high glucose–treated proximal tubule cells to induce transmigration of mononuclear cells. We observed similar effects using a TLR4-neutralizing antibody. Finally, streptozotocin-induced diabetic and uninephrectomized TLR4-deficient mice had significantly less albuminuria, renal dysfunction, renal cortical NF-κB activation, tubular CCL-2 expression, and interstitial macrophage infiltration than wild-type animals. Taken together, these data suggest that a TLR4-mediated pathway may promote tubulointerstitial inflammation in diabetic nephropathy.

Abstract The integration of single cell transcriptome and chromatin accessibility datasets enables a deeper understanding of cell heterogeneity. We performed single nucleus ATAC (snATAC-seq) and RNA (snRNA-seq) sequencing to generate paired, cell-type-specific chromatin accessibility and transcriptional profiles of the adult human kidney. We demonstrate that snATAC-seq is comparable to snRNA-seq in the assignment of cell identity and can further refine our understanding of functional heterogeneity in the nephron. The majority of differentially accessible chromatin regions are localized to promoters and a significant proportion are closely associated with differentially expressed genes. Cell-type-specific enrichment of transcription factor binding motifs implicates the activation of NF-κB that promotes VCAM1 expression and drives transition between a subpopulation of proximal tubule epithelial cells. Our multi-omics approach improves the ability to detect unique cell states within the kidney and redefines cellular heterogeneity in the proximal tubule and thick ascending limb.

Abstract After acute kidney injury (AKI), patients either recover or alternatively develop fibrosis and chronic kidney disease. Interactions between injured epithelia, stroma and inflammatory cells determine whether kidneys repair or undergo fibrosis, but the molecular events that drive these processes are poorly understood. Here, we use single nucleus RNA sequencing of a mouse model of AKI to characterize cell states during repair from acute injury. We identify a distinct proinflammatory and profibrotic proximal tubule cell state that fails to repair. Deconvolution of bulk RNA-seq datasets indicates that this “failed-repair proximal tubule cell” or FR-PTC, state can be detected in other models of kidney injury, increasing in the aging rat kidney and over time in human kidney allografts. We also describe dynamic intercellular communication networks and discern transcriptional pathways driving successful vs. failed repair. Our study provides a detailed description of cellular responses after injury and suggests that the FR-PTC state may represent a therapeutic target to improve repair. Significance Statement Single nucleus RNA sequencing revealed gene expression changes during repair after acute kidney injury. We describe a small population of proximal tubule cells that fail to repair (FR-PTC). Since this subpopulation expresses abundant pro-inflammatory and profibrotic genes, it may represent a new therapeutic target to improve repair and reduce fibrosis after AKI.

Abstract The integration of single cell transcriptome and chromatin accessibility datasets enables a deeper understanding of cell heterogeneity. We performed single nucleus ATAC (snATAC-seq) and RNA (snRNA-seq) sequencing to generate paired, cell-type-specific chromatin accessibility and transcriptional profiles of the adult human kidney. We demonstrate that snATAC-seq is comparable to snRNA-seq in the assignment of cell identity and can further refine our understanding of functional heterogeneity in the nephron. The majority of differentially accessible chromatin regions are localized to promoters and a significant proportion are closely-associated with differentially expressed genes. Cell-type-specific enrichment of transcription factor binding motifs implicates the activation of NFκB that promotes VCAM1 expression and drives transition between a subpopulation of proximal tubule epithelial cells. These datasets can be visualized at this resource: http://humphreyslab.com/SingleCell/ . Our multi-omics approach improves the ability to detect unique cell states within the kidney and redefines cellular heterogeneity in the proximal tubule and thick ascending limb.