Nature:最新、最全和最大规模的人类心脏单细胞图谱

2021
05/03

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心脏,是人体最重要的器官之一,同时也是循环系统的核心。

撰文|nagashi
编辑|王聪
排版|水成文

心脏 ,是人体最重要的器官之一,同时也是循环系统的核心。然而,近年来,由于生活方式改变,心血管疾病已成为人类最主要的疾病死亡原因,每年可造成约1790万人死亡。因此,更深入地了解心脏疾病发病机制对改善人类健康是十分必要的。


详细了解健康心脏细胞内的分子过程,并深入认知心脏细胞的全部功能和它们的基因表达谱,对于理解心脏病是如何出错的至关重要。这些知识可以为各种心血管疾病提供更精确、更好的治疗策略。

2020年9月,英国、德国、美国、加拿大的多家顶尖研究机构在 Nature 杂志联合发表了题为: Cellsof the adult human heart  的研究论文。

研究团队对心脏的近50万个单细胞进行了分析测序, 构建了迄今为止最广泛的人类心脏细胞图谱 该图谱显示了 心脏细胞的巨大多样 ,并揭示了心肌细胞类型、心脏免疫细胞以及复杂的血管网络。通过对大规模单细胞和细胞核转录组的最新分析,研究人员已经确定了6个心脏解剖区域的特征,有利于人类认知心脏运作过程并阐明心脏如何应对压力和疾病。


在全世界范围内,有数百万人正在接受心血管疾病的相关治疗。与此同时,与心血管疾病相关的文献报道层出不穷,但仅有极少数在基因层面上对心血管疾病的发病机制进行深入而细致的研究。

本研究的通讯作者之一、哈佛医学院教授 Christine Seidman 说道:“我们的研究将帮助理解心脏内细胞和细胞之间的相互作用状态。最终,这些基本的见解可能会提出具体的目标,从而促进未来个体化治疗的产生。”

在此项研究中,研究人员首先从14颗捐献心脏的6个区域分离细胞,这些心脏一半来自男性,一半来自女性。他们使用单细胞分析、成像和人工智能技术来跟踪基因在每个细胞中的开启和关闭状态。

研究人员发现,心脏不同区域的细胞存在很大的差异。与此同时,他们还观察到,心脏的每个区域都有特定的细胞亚群——这意味着心脏的不同区域可能有着不同的发育起源,并表明这些细胞会对同一治疗方法有不同的反应。

更令人惊讶的是,研究人员还发现女性心肌细胞的比例比男性大,这一差异可以为未来性别差异的心脏病研究和管理提供有力信息。

成人心脏的细胞组成

本研究的通讯作者之一、德国Max Delbruck分子医学中心 Norbert Hubner 教授表示:“这是第一次有人以这种大规模的单细胞测序方法研究人类心脏,对心脏细胞及其基因活动的全面认知,是了解心脏如何运作并阐明心脏如何应对压力和疾病的基本必要。

作为这项研究的一部分,研究人员还对穿过心脏的血管进行了前所未有的细致观察。研究团队通过图谱展示了这些静脉和动脉中的细胞是如何适应不同的压力和位置的,这将帮助研究人员了解冠心病期间血管中到底出了什么问题。

血管、间质和间皮细胞

不仅如此,研究人员还把研究重点放在理解心脏修复上。他们在健康心脏中观察免疫细胞是如何与其他细胞相互作用和沟通的,并识别出具有炎症和保护性转录特征的心脏巨噬细胞,由此揭示免疫细胞在心血管系统中的复杂作用。

除此之外,研究团队还通过细胞-细胞相互作用的推断,突出了心房和心室之间不同的巨噬细胞-纤维细胞-心肌细胞网络,这与骨骼肌大相径庭。进一步的研究将包括研究心脏细胞是否可以被诱导自我修复。

心脏免疫细胞群和细胞-细胞的相互作用

文章的通讯作者之一、帝国理工学院 Michela Noseda 博士评论道:“我们的研究为科学界提供了一套无价的信息——通过阐明心脏细胞的分子和基因细节,我们的数据集是了解心脏病微妙之处的信息宝库。”

与此同时,针对COVID-19可以导致严重的血凝现象问题,研究团队还绘制了可能被SARS-CoV-2感染的心肌细胞,并发现小血管中的特殊细胞也可能是新冠病毒的目标

值得一提的是,这项研究是“人类细胞图谱”计划的一部分,该计划旨在绘制人体的每一种细胞类型。这些有关心脏的分子和细胞的新知识有望指导人类更好地理解心脏病发病机制并实现高度个体化治疗。

六大心脏解剖区域具有不同的特征

该研究的共同第一作者、哈佛医学院遗传学研究员 Daniel Reichart 表示,这个项目标志着人类认知‘单细胞是如何构建心脏’的新起点,在心脏中,许多单细胞具有不同的细胞状态, 这项工作也为未来基于再生医学的治疗奠定了基础,通过了解心脏的区域差异,我们可以开始考虑年龄、运动和疾病的影响,帮助推动心脏病学领域向精准医疗的时代。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2797-4


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关键词:
心血管疾病,研究人员,单细胞,图谱,细胞,基因,差异

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