本文转载自丁香学术
丁香学术是丁香园旗下科研类公众号，致力于传播有价值的学术报道，解读有深度的学术文章，欢迎关注！
尽管经过几十年的研究和药物研发，心脏病仍然对人类健康造成持续威胁。细胞异质性成为心脏生理学和病理学机制研究的主要焦点。
最近，有研究揭示了小鼠心脏的细胞多样性，以及人类心脏不同区域的不同蛋白图谱，揭示了某些细胞类型在心脏生理学和疾病中未被认识的功能。如巨噬细胞 (macrophages，MPs) 被发现可促进电传导，并在小鼠心衰和心肌梗死中发挥重要作用 [1]。因此，重新绘制成人心脏细胞图是解密细胞构成和相互作用的基本原理的第一步。然而，到目前为止，成人心脏仍然缺乏细胞图。这主要是因为人类心脏组织细胞多样性和样本获取困难，以及分离和测序高质量的成年心肌细胞的技术障碍。
2020 年 1 月 8 日，中国医学科学院阜外医院胡盛寿院士、王利团队在Nature Cell Biology发表了题为 Single-cell reconstruction of the adult human heart during heart failure and recovery reveals the cellular landscape underlying cardiac function 的文章 [2]，对 21 422 个心脏组织细胞进行单细胞转录组测序和分析，在世界上首次系统绘制了成人心脏的单细胞图谱。
研究内容
原代成人心脏细胞非常脆弱，一旦离开富氧的原始环境，便快速死亡。为了完全捕获正常成人心脏的细胞组成，研究者使用了两种分离方法：心肌细胞富集消化法和常规消化法，前者可以得到高质量和高纯度的心肌细胞，后者适合保持心脏细胞类型。为更好地覆盖心脏组分，采取左心室 (LV) 和左心耳 / 左心耳附属物 (LA) 样本。
研究者通过优化心肌细胞分离过程得到具有典型杆状形态、高生存能力、清晰横纹的心肌细胞。通过这种方法，利用单细胞平台对单个活细胞进行视觉检查和选择，从 14 个健康供体中收集了 12266 个单细胞。
接下来，进行单细胞测序。为了全面了解正常成人心脏的细胞组成，使用共享最近邻聚类算法和t - 分布领域嵌入算法(t-SNE) 来划分细胞，并将整个群体分为五大细胞类型：心肌细胞，内皮细胞，成纤维细胞，巨噬细胞和平滑肌细胞。
为了深入了解心房和心室心肌细胞之间的分子差异，研究者应用无监督聚类方法来划分所有使用 t-SNE 鉴定的 3894 个心肌细胞。心房和心室心肌细胞各形成五个不同的亚簇 LA1-5 和 LV1-5，聚类 AV (细胞同时存在于 LA 和 LV) 是唯一的例外。
研究者发现 LA 心肌细胞和 LV 心肌细胞都与肌肉收缩密切相关。然而，收缩相关基因的表达谱在这两个区域是有区别的。例如，LA 心肌细胞高表达 MYH6、MYL4、MYL7 和 TNNI1，而 LV 心肌细胞大量表达 MYH7、MYL2、MYL3 和 TNNI3，说明它们的收缩装置组装存在差异。另外，心房心肌细胞相对高表达大量的分泌蛋白 （如 NPPA、NPPB、DKK3 等） 和膜蛋白 （如 PAM、KCNJ3、KCNK1 等） ，这提示心房组织可能通过旁分泌作用对心脏发挥重要调节功能。
考虑到转录因子在细胞识别中起着至关重要的作用，研究者接下来分析了 LA 、LV 和 AV 心肌细胞中转录因子的表达水平。LA 和 LV 心肌细胞均表现出典型心脏转录因子的特异性表达。此外，研究者还验证了非典型性 AV 心肌细胞 SMARCA4 + 心肌细胞的存在，其中心肌主要标志基因如 TNNT2、MYH6、MYH7 的表达水平都极低，推测这种细胞可能是正在发生功能退化的心肌细胞。这一现象提示心肌细胞有很大的异质性，打破了常规认为只有一种心肌细胞的观点，对了解心脏功能及未来精准治疗都有很大的价值。
在系统比较心肌细胞后，研究人员又对三类主要的非心肌细胞：内皮细胞，成纤维细胞，巨噬细胞进行了亚型鉴定，并且根据细胞特异表达的分泌蛋白及膜蛋白，预测了整个心脏组织内的细胞 - 细胞之间相互作用网。
绘制正常心脏组织单细胞图谱后，研究团队采集扩张型心肌病 (dilated cardiomyopathy，dHF) 或冠心病 (coronary heart disease，cHF) 引起的心力衰竭的心脏细胞的单细胞信息，并进行聚类分析。尽管正常心脏和衰竭心脏的单细胞信息有相当大的重叠，研究者观察到了两者的主要差异，尤其是左心室。此外，dHF 和 cHF 两种疾病有各自独特的表达模式，dHF 表达如 NPPA、NPPB、DKK3、MSRB3 等，而 cHF 则表达 S100A6、PDK4、NEAT1 等。
为了进一步验证模型，研究者对 2 例左心室辅助装置 (left ventricular assist device，LVAD ) 治疗前后病人，即 LVAD1 和 LVAD2，左心室活检分离的细胞进行 scRNA-seq 分析。其中患者 LVAD1 的心功能在治疗后部分恢复，而患者 LVAD2 的心功能未见临床改善。LVAD1 心肌细胞和非心肌细胞的恢复系数都显著好于 LVAD2 患者。通过比较两例病人和正常人心肌细胞的表达谱，发现LVAD2 病人有一簇特异高表达的基因，可能作为治疗的靶点。并且 LVAD1 患者在某些相关基因的表达水平也还低于正常水平，也提示有进一步改善的可能。
此外，研究者 ACKR1+ 内皮细胞在 dHF 和 cHF 两种疾病中细胞数量都出现显著下降，推测这种细胞的缺失可能导致疾病发生。研究者将 ACKR1+ 内皮细胞移植到小鼠梗死心肌后显著改善了心功能。这提示该类细胞型具有潜在的临床治疗价值。
该研究工作首次系统性开展了成人心脏细胞的单细胞图谱绘制工作，并进行了疾病机制研究，为心血管疾病研究提供了一份宝贵的基础研究资源。
胡盛寿，中国工程院院士，现任国家心血管病中心主任，中国医学科学院阜外医院院长，他在冠心病外科、瓣膜外科和先心病外科造诣颇高，是中国心血管外科学术带头人。最近，胡盛寿院士频繁在心脏领域发表顶刊论文：
2020 年 2 月 12 日，胡盛寿院士在Science Translational Medicine上发表了 Elevated plasma β-hydroxybutyrate predicts adverse outcomes and disease progression in patients with arrhythmogenic cardiomyopathy 的研究性论文，表明血浆 β- 羟基丁酸升高可预测先证者、心律失常性心肌病患者及其临床无症状亲属疾病发展过程中的主要不良心脏事件。
2020 年 4 月 22 日，胡盛寿院士在Advanced science上发表了题为 CACCT: An Automated Tool of Detecting Complicated Cardiac Malformations in Mouse Models ，建立了一个基于微计算机断层扫描(CT)图像的自动工具，被称为 CACCT，以识别小鼠复杂的心脏畸形。利用 CACCT，研究人员即使没有先天性心脏病的专家培训或诊断经验，也可以有效地识别小鼠复杂心脏畸形，包括大动脉转位、右心室双出口和非典型室间隔缺损，其准确性相当于高级胎儿心脏病专家。
小知识
一、什么是单细胞测序？
简单地说，单细胞测序就是获取单个细胞遗传信息的测序技术。单细胞测序可以在单细胞层面回答以下 6 类问题：
1. DNA 的序列：ATCG 如何排列，以及各序列的丰度；
2. DNA 的表观遗传修饰：比如甲基化、羟甲基化，以及组蛋白的各种修饰；
3. RNA 的序列：AUCG 如何排列，以及各序列的丰度；
4. RNA 的表观遗传修饰：比如近年很火的 m6A 修饰；
5. 染色质的结构：3C、4C、5C 等各种 C；
6. 其他应用：DNA 损伤位置、蛋白 - 蛋白相互作用等。
二、为什么要使用单细胞测序？
世界上没有两片相同的叶子。对于多细胞生物来说，细胞与细胞之间是有差异的。当然了，这个差异可大可小。比如说，受精卵从一个细胞开始分裂，并逐渐形成囊胚，最终发育成个体的时候，细胞与细胞之间的差异会越来越大：有的分化成神经元，有的分化成骨骼肌，各自表达着不同的遗传信息，承担着不同的生理功能。又比如在心脏中，心室心肌细胞，心房心肌细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、内皮细胞的基因组和转录组等遗传信息，是存在差异的。而这种差异，在临床上可以决定心脏病对某种疗法是否有效。这就是所谓的遗传信息的异质性。单细胞测序能够检出混杂样品测序所无法得到的异质性信息。而这将带领整个遗传学领域进入新的次元。
「好文」，点个「好看」再走吧！
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
