孙学军
人类心肌梗塞后空间转录组和单细胞基因表达研究 精选
2022-8-13 07:27
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心肌梗死是世界范围内死亡的主要原因。尽管在急性治疗方面取得了进展,但对重塑过程的不完全了解限制了降低晚期死亡率的治疗效果。在这里,我们利用心肌梗死患者和对照组心肌不同时间点多个生理区域的单细胞基因表达、染色质开放性和空间转录组分析,生成了心肌梗死后人类心脏重构的一体化高分辨率地图。多模态数据集成使我们能够在更高的分辨率下评估心肌细胞类型的组成,通过识别损伤、修复和重塑的不同组织结构,从而深入了解心脏转录组和表观基因组的变化。我们确定并验证了主要细胞类型的疾病特异性心肌细胞状态,并在其空间背景下分析它们,评估它们对其他细胞类型的依赖性。我们的数据阐明了人类心肌组织组织的分子原理,再现了缺血损伤后心肌细胞和髓系的逐渐连续。总之,本研究提供了人类心肌梗死的整合分子图谱,为该领域提供了重要的参考,并为心脏疾病的进一步机制和治疗研究奠定了基础。

Spatial multi-omic map of human myocardial infarction | Nature (jitui.me)

在多细胞器官,如人类心脏,正常的细胞功能和组织稳态依赖于相邻的单个细胞类型之间的相互作用。单细胞技术可以描述不同细胞类型的分子异质性和疾病期间发生的变化。然而,在没有空间背景的情况下,这些不同类型的细胞是如何在空间中相互作用以协调组织功能的还不清楚。本研究通过整合空间转录组学、单核基因表达和染色质可及性数据,提供了心肌梗死后早期和晚期人类心脏与对照心脏(非移植供体心脏)的全面图谱。

心肌梗死,通常被称为心脏病发作,是世界范围内死亡的主要原因。当向心脏供血的动脉之一被阻塞,使心脏组织缺氧,从而导致损伤、细胞死亡和炎症时,就会发生这种疾病。在过去的几十年里,随着微创手术的发展,疏通阻塞的动脉,恢复心脏组织的血液流动,心肌梗死造成的急性死亡率显著下降。然而,梗死后心力衰竭的慢性死亡率仍然高得令人无法接受。这与心肌梗塞后发生的心脏组织改变有关,称为重塑。我们项目的目标是利用先进的基因组技术,以前所未有的空间分辨率绘制心肌梗死后的重构过程,以揭示与心脏病相关的细胞和分子机制。

为了生成心肌梗死及其后果的时空分布图,我们分析了心肌梗死后2 - 166天的人左心室心肌。我们从23名接受心脏移植或全人工心脏或辅助设备植入的患者身上获得了31份样本,并将它们与4颗未移植供体心脏的对照组织进行了比较。心肌梗死产生细胞死亡的中心区域(缺血区),周围是细胞损伤和炎症的区域(边界区),在此之外是几乎正常的心脏组织(远区)。我们首先取10 μ m的标本切片来检测整个组织的空间基因表达。我们还从邻近组织区域的细胞中分离了近200000个细胞核,并使用它们来测量单个细胞的基因表达和染色质可及性。我们通过组织染色和追踪小鼠心脏细胞命运来验证一些发现。

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图1人心肌梗死的|空间和单细胞基因组图谱。a、取急性心肌梗死后心脏不同区域的标本(IZ,缺血区;,边境地带;RZ,远区),以及稍后时间点(FZ,纤维化区)的纤维化重塑心脏和控制性心脏。表示每个区域的样本个数(n)b,对细胞核进行多组学分析:空间基因表达(GEX)和随后的荧光激活细胞核排序(fan),单核RNA测序(snRNA-seq)和相邻组织转座酶可及染色质单核测序(snATAC-seq)c,整合这些数据可生成细胞类型(如成纤维细胞和髓系细胞)的空间图谱,以及信号通路活性(TFGβ信号)和转录因子结合活性(tf),如MEF2C等分子信息。

我们的方法不同寻常之处在于,它允许我们将不同的数据整合到一个心脏病发展的“多组”地图中。我们的数据集允许我们对细胞类型、细胞状态和细胞中的各种分子功能进行分类和图谱,如信号通路的活动、细胞间的通信和转录因子结合。因此,我们可以了解细胞状态或活性通路如何预测邻近区域中其他状态或通路的存在。一个惊人的发现是,驱动纤维化(心脏组织的瘢痕)的肌成纤维细胞的存在,可以通过被称为巨噬细胞的免疫细胞的某些状态来预测,反之亦然。

我们计算了区分不同状态的心肌细胞类型的基因调控网络,并展示了这些网络如何映射到特定的组织位置。这一图谱为了解基因调控程序如何驱动心肌细胞等细胞类型的损伤和分化提供了见解。


我们的研究提供了一个全面的图谱显示心肌梗死前后人类心脏组织的基因调控。我们通过公开的互动探索平台发布了这些数据。我们相信,这将最终使我们更好地了解人类心脏的健康和疾病,并指出新的治疗策略。 

我们的下一步是选择和进一步研究一些涉及心脏重构的机制。最终的目标是确定新的治疗靶点和开发药物来减少或修复组织损伤。例如,一种对肌成纤维细胞起作用以减少纤维化的疗法可能会降低心肌梗死后长期心力衰竭引起的死亡率。这需要更多的研究来确定激活或阻断特定的通路是否会以减少疤痕和改善组织再生的方式影响心脏重构。- Rafael Kramann就职于德国亚琛工业大学医学院实验医学和系统生物学研究所。

 

专家看法 

作者对心肌梗死后的珍贵、罕见的人类心脏样本进行了尖端的空间和单细胞基因组学分析。我认为这可能是一个非常重要的信息资源心血管生物学社区。更普遍地说,这项工作使人们越来越乐观地认为,当这些技术直接应用于人类疾病组织时,可以揭示致病过程。-埃文·马科斯科(Evan Macosko)就职于美国马萨诸塞州剑桥市布罗德研究所。

背后故事 

医学教科书显示心肌梗死如何影响心脏局部区域。空间转录组学提供了基因表达的组织图,因此可以揭示这些区域的变化。目前空间转录组学技术的分辨率意味着,心脏内每个点平均包含5个不同的细胞,但当免疫细胞进入组织时,每个点的细胞数量会急剧增加。为了提高技术的分辨率,我们整合了各种“组学”数据——空间基因表达、单细胞基因表达和单细胞开放染色质测量。结合后,我们可以绘制单个细胞和细胞亚型,以及分子信息,如通路活性和基因调控。从心肌梗死后不久的人类心脏中获取研究样本极其困难。我们很幸运地通过一个完全人工心脏项目获得了样本,在这个项目中,严重心肌梗死导致严重心力衰竭的患者将接受一个机械泵的植入。

《自然》编辑的看法 

这是一篇技术强大的论文,使用了最先进的工具,为人类心脏组织对心肌梗死的反应提供了空间变化和轨迹的见解。毫无疑问,这将成为未来研究心脏损伤、修复和重塑背后的生物学变化的重要资源。——《自然》杂志咨询编辑苏珊·艾利森

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