Nature重磅成果:人类心脏细胞的第一个图谱

【字体: 时间:2020年09月25日 来源:生物通

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  科学家们绘制了一份详细的健康人类心脏细胞分子图,这将有助于了解这一重要器官的功能,并阐明心血管疾病的病因。

  

“砰……砰……砰”尽管大多数时候我们几乎没有注意到它,但是我们体内稳定的心跳声其实是一种复杂的机理表现,就像是乐团一样,成千上万的细胞必须掌握各自的演奏节奏,并共同努力。

最近,一组科学家创建了人类心脏细胞的第一个图谱,这些图集展示了将近50万个心脏细胞,确定了每种细胞在心脏交响乐中的作用!研究人员检查了14个健康供体心脏中的六个区域,创建了一个详细的数据库,该数据库为研究心脏病(世界范围内主要的死因)提供了新的比较基础。

这项研究成果于9月24日发表在Nature杂志上,由哈佛医学院,布莱根妇女医院,Sanger研究所,德国马克斯·德布吕克分子医学中心(MDC),伦敦帝国理工学院及其全球合作者的研究人员完成。

哈佛大学心血管遗传学家Christine Seidman表示,“要了解各种形式的心脏病出了什么问题,首先,我们必须知道什么是正常的。”

华盛顿大学医学院的心脏病学家Douglas Mann(未参与该项研究)说,“我可以用一个词概括我的想法:里程碑。我认为这是一个很大的成就,将成为该领域的重要参考。”

难以研究的心脏细胞

事实证明,心脏细胞特别难以研究。与某些癌细胞和其他组织不同,没有心脏细胞可以在实验室中无限期地生长和研究。因此许多心脏研究都是使用小鼠完成的,但小鼠的心脏与人的心脏有重要的区别。

健康的人类心脏也很难找到(大部分用于移植)。Seidman的团队依靠那些异常的心脏,这些心脏被拒绝移植,因此可能被冷冻,用于研究。首先,研究人员使用高通量测序方法来定义每个心脏细胞的个体特征。然后,他们将这些细胞绘制在14个人类心脏的六个区域中,其中七个来自男性,七个来自女性。“这是第一次,我们为每个细胞提供一个邮政编码,用以了解其所属的种群。”

迄今为止人类心脏最广泛的人类心脏细胞图谱

在这项研究中,研究小组分析了将近五十万个单个细胞,构建迄今为止人类心脏最广泛的细胞图集。该图集显示了细胞的巨大多样性,揭示了心肌细胞类型,心脏保护性免疫细胞和复杂的血管网络。它还可以预测细胞如何通讯,保持心脏正常运转。

该研究是人类细胞图谱计划的一部分,前者计划绘制人体中每种细胞的图谱。心脏的新分子和细胞有关知识将能帮助人们更好地了解心脏病,指导高度个性化治疗的发展。

研究人员说,这项工作还为将来基于再生医学的疗法奠定了基础。

Seidman说:“数百万人正在接受心血管疾病的治疗。了解健康的心脏将有助于我们了解细胞类型和细胞状态之间的相互作用,这些相互作用可以延长终身功能,以及疾病之间的差异。”

“最终,这些基本知识可能会提出一些具体目标,这些目标可能会在将来导致个性化疗法,为心脏病创造个性化药物并提高每位患者的治疗效果。”

这就是研究人员在这项新研究中要做的。

每个细胞的特征

研究小组研究了心脏六个不同区域中近500,000个单个细胞和细胞核,通过结合单细胞分析,机器学习和成像技术,该团队准确地看到每个细胞中哪些基因被打开和关闭。

研究人员发现心脏不同区域的细胞存在重大差异。他们还观察到心脏的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。

文章一作,哈佛医学院遗传学研究员Daniel Reichart说:“该项目标志着我们对心脏如何从单个细胞,具有不同细胞状态的多个细胞构建起来开始有了全新的认识,有了整个心脏区域差异的知识,我们就可以开始考虑年龄,运动和疾病的影响,帮助将心脏病学领域推向精确医学时代。”

另外一位资深作者Norbert Hübner说:“这是第一次以这种规模观察人的心脏单细胞,只有大规模的单细胞测序才有可能。”

“这项研究显示了单细胞基因组学和国际合作的力量。了解整个心脏细胞及其基因活性是了解心脏功能,开始阐明心脏对压力和疾病的反应的基本必要条件。”

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,这能帮助研究人员了解冠心病期间血管出了什么问题。

伦敦帝国学院的Michela Noseda说:“我们的国际合作通过阐明心脏细胞的细胞和分子细节,为科学界提供了宝贵的信息。我们绘制了可能被SARS-CoV-2感染的心脏细胞,并发现小血管的特殊细胞也是病毒的靶标。”

“我们的数据集是了解心脏病细节的信息的金矿。”

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

进一步的研究将包括调查是否可以诱导心脏细胞的自我修复。

文章资深作者,Sanger研究所的Sarah Teichmann表示:“这项巨大的合作是全球人类细胞图谱计划的一部分。心脏细胞图谱对全世界的研究人员开放,这是一个了不起的资源,它将使人们对心脏的健康和疾病,新的治疗方法有了新的认识,甚至有可能找到治疗再生受损心脏组织的方法。”

(生物通:万纹)

原文标题:

Cells of the adult human heart


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