【Nature子刊】迄今最详细人类心脏单细胞转录组图谱,揭示心脏细胞异质性,助力精准医疗

2020
09/28

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Cathy / 转化医学网
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该研究由哈佛医学院、剑桥大学和帝国理工学院等机构的科学家共同进行,并于9月24日发表在《自然》杂志上,题为“Cells of the adult human heart”。

导言:心血管疾病是一种严重威胁人类,特别是50岁以上中老年人健康的常见病,具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点。据世卫组织统计,心血管疾病是全球的头号死因,每年死于心血管疾病的人数多于其它任何病因。

为了深入了解心血管疾病的机制和治疗策略,洞悉人类健康心脏的分子组成,一个跨国研究小组绘制了人类心脏六个区域的近五十万个细胞的单细胞转录组图谱。这是迄今为止最详细的人心脏单细胞转录组图谱,揭示了心脏各区域细胞的异质性,为将来的心脏病研究和治疗提供依据。

该研究由哈佛医学院、剑桥大学和帝国理工学院等机构的科学家共同进行,并于9月24日发表在《自然》杂志上,题为“Cells of the adult human heart”。

该研究是人类细胞图谱计划(Human Cell Atlas)的一部分,该项目由Chan Zuckerberg Initiative资助,计划绘制人体中每种细胞的图谱。绘制人类心脏细胞图谱,能够更好地了解心脏疾病,并指导高度个性化治疗方法的发展。

与癌细胞不同,人的心脏细胞不能在实验室中进行研究。虽然科学家在研究小鼠心脏方面取得了重大进展,但是啮齿动物和人体解剖学之间的差异却给人类心脏的研究带来了障碍。

研究人员首先从14个捐献心脏的六个区域分离细胞,其中一半来自男性,一半来自女性。他们使用单细胞分析、成像技术和人工智能深度学习技术来追踪每个细胞中基因的开启和关闭。

研究人员发现心脏不同区域的细胞存在重大差异。他们还观察到每个区域都有特定的细胞亚群,这一发现指向不同的发育起源,并暗示这些细胞对治疗的反应不同。

这张来自“心脏细胞图谱”的图像显示了六个心脏区域(左,右心房和心室,根尖和心室间隔)。(来源:heartcellatlas.org)

例如,研究人员指出,心房组织由30%的心肌细胞和24%的成纤维细胞构成,而心室组织由29%的心肌细胞、21%的壁细胞和16%的成纤维细胞构成。他们还特别指出,心肌细胞的异质性很高。在心室心肌细胞中(富含编码肌节蛋白和转录因子的基因转录物),研究人员确定了五个不同的细胞亚群。他们指出,其中之一vCM1占左心室的近64%,但在右心室仅占心肌细胞的约37%。同时,与左心室相比,vCM2在右心室中更多。

研究人员发现类似的五个心房心肌细胞群,它们的基因表达各不相同。他们指出,心房心肌细胞和心室心肌细胞之间的基因表达差异指出了不同的发育起源。此外,他们发现了17种不同的内皮细胞、平滑肌细胞、周细胞和间皮细胞亚群,并且在所研究的11种细胞类型中共发现了60多种不同的细胞状态。

为了说明如何应用这个心脏细胞图谱,研究人员检测了SARS-CoV-2受体ACE2在心脏中的表达。他们发现它在心周细胞中表达最高,其次是成纤维细胞,在心肌细胞中表达最少,尽管心室心肌细胞中ACE2的转录高于心房心肌细胞。

这项研究的第一作者,哈佛医学院遗传学研究员Daniel Reichart说:“该项目标志着人们对由单个细胞构建心脏的新认识的开始,其中许多细胞具有不同的细胞状态。有了整个心脏区域差异的知识,我们就可以开始考虑年龄、运动和疾病在其中的影响,并有助于将心脏病学领域推向精确医学时代。”

作为这项研究的一部分,研究人员还仔细研究了贯穿心脏的血管。该图集显示了这些静脉和动脉中的细胞如何适应不同的压力和位置,以及如何帮助研究人员了解冠心病期间血管出了什么问题。

研究人员还专注于了解心脏修复,研究免疫细胞如何与健康心脏中的其他细胞相互作用和交流,以及它们与骨骼肌的区别。

这项研究的共同通讯作者,维康桑格研究所的Sarah Teichmann表示:“这项巨大的合作是全球人类细胞图集计划的一部分,旨在创建人体细胞的Google地图。心脏细胞图谱对全世界的研究人员开放,是一个了不起的资源,它将使人们对心脏的健康和疾病,新的治疗方法产生新的认识,甚至有可能找到再生受损心脏组织的方法。”

参考资料:

【1】https://www.genomeweb.com/sequencing/single-cell-transcriptome-atlas-human-heart-highlights-heterogeneity#.X21RsqEzbIU

【2】https://medicalxpress.com/news/2020-09-highly-human-heart-personalized-treatments.html

【3】https://www.fiercebiotech.com/research/new-atlas-human-heart-could-guide-personalized-medicine-cardiology

【4】https://www.nature.com/articles/s41586-020-2797-4


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关键词:
细胞,研究,心脏,人员

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