心血管疾病是全球主要的死亡原因。深入了解疾病機制和治療策略，就需要對健康心臟有分子水平的更深入了解，而了解心臟細(xì)胞的全部組成及其基因表達(dá)譜是這項工作的第一步。近日，Nature雜志在線發(fā)表了題為“Cells of the adult human heart”的研究論文，該研究使用大規(guī)模單細(xì)胞和核轉(zhuǎn)錄組的最新技術(shù)分析，描述了成人心臟六個解剖區(qū)域的特征。該研究結(jié)果強調(diào)了心肌細(xì)胞、周細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的細(xì)胞異質(zhì)性，揭示了具有不同發(fā)育起源和特性的獨特心房和心室亞群。該研究定義了心血管系統(tǒng)的復(fù)雜性及其沿動靜脈軸的變化。在免疫區(qū)中，該研究鑒別出具有炎性和保護(hù)性轉(zhuǎn)錄特征的心臟駐留巨噬細(xì)胞。此外，細(xì)胞-細(xì)胞相互作用的推論強調(diào)了心房和心室之間不同于骨骼肌的巨噬細(xì)胞-成纖維細(xì)胞-心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。該研究中的人類心臟細(xì)胞圖譜提高了我們對人類心臟的了解，并為今后的研究提供了健康對照。
圖1. 心臟的腔室結(jié)構(gòu)及電傳導(dǎo)系統(tǒng)示意圖
研究背景
心臟是一個復(fù)雜的器官，由四個形態(tài)和功能各不相同的腔室組成（圖1）。來自低壓右心房（RA）和右心室（RV）的脫氧血液被推進(jìn)肺部。含氧血液進(jìn)入左心房（LA）和左心室（LV），被全身壓力推動流過全身。腔室由房間隔和室間隔分開，單向流動由房室瓣和心室動脈瓣形成。內(nèi)在的電生理系統(tǒng)將電脈沖從竇房結(jié)迅速傳播到房室結(jié)，并沿著希氏束傳播到收縮起始的心尖。心臟解剖和功能復(fù)雜性需要對異質(zhì)性細(xì)胞群進(jìn)行精細(xì)的協(xié)調(diào)，以便每個腔室都可在不同的壓力、張力和生物物理刺激下持續(xù)收縮和松弛。
圖2. 成人心臟細(xì)胞組成的研究思路
研究方法與結(jié)果
如圖2所示，研究人員首先從捐獻(xiàn)的14個成人心臟中分離出位于六個不同區(qū)域（左/右室游離壁、左/右心房、左室心尖、室間隔）的單個細(xì)胞、細(xì)胞核和CD45+細(xì)胞，其中男女各7人。然后利用單細(xì)胞分析、成像技術(shù)等多種技術(shù)，描繪了11種主要心臟細(xì)胞類型的特征，并發(fā)現(xiàn)心臟不同區(qū)域的細(xì)胞存在較大差異，且每個區(qū)域都有特定的細(xì)胞亞群。
圖3. 心肌細(xì)胞的異質(zhì)性組成
研究結(jié)果顯示，心肌細(xì)胞存在很高的異質(zhì)性（圖3）。在心肌細(xì)胞中共鑒定出五個不同的細(xì)胞亞群，其中vCM1占左心室的63.9%，但在右心室僅占心肌細(xì)胞的36.7％；而與左心室（9.1%）相比，vCM2在右心室（39.9%）中更多。且這五個亞群的基因表達(dá)也各不相同，心房和心室心肌細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異指向不同的發(fā)育起源。
圖4. 血管細(xì)胞、間質(zhì)細(xì)胞和間皮細(xì)胞的異質(zhì)性組成
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了17種具有不同解剖學(xué)和動靜脈特性的內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、周細(xì)胞和間皮細(xì)胞亞群（圖4）。細(xì)胞-細(xì)胞相互作用分析推測出內(nèi)皮細(xì)胞可與血管壁不同區(qū)段的細(xì)胞間存在關(guān)聯(lián)。總之，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-Seq）、單核轉(zhuǎn)錄組測序（snRNA-Seq）和多重單分子熒光原位雜交（smFISH）能夠通過闡明心肌細(xì)胞在其微環(huán)境中的協(xié)調(diào)信號傳導(dǎo)來鑒定解剖特性、分子特征、細(xì)胞間網(wǎng)絡(luò)和空間關(guān)系。
總結(jié)
該研究展示了六個不同心臟區(qū)域的綜合性轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，提供了迄今為止最大的健康對照框架。采用snRNA-Seq來確保大型心肌細(xì)胞（長/寬：~100/25μm）的高通量捕獲，采用scRNA-Seq來上采樣和富集內(nèi)皮細(xì)胞群和免疫細(xì)胞群。通過多重smFISH成像來描述所選細(xì)胞群的空間分布和細(xì)胞-細(xì)胞共定位。通過將心臟細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組及核轉(zhuǎn)錄組與骨骼肌和腎臟的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行比較，突出了心臟特異性細(xì)胞特征。該研究定義了成年健康心臟的細(xì)胞和分子特征，使其能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)對不同生理和病理條件而作出反應(yīng)的功能可塑性。
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參考文獻(xiàn)：Monika Litviňuková, Carlos Talavera-López, etal. Cells of the adult human heart. Nature, 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2797-4（論文鏈接）
