单细胞工具如何解锁心血管疾病的心形黑匣子?

【字体: 时间:2022年07月01日 来源:10x Genomics

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  为了彰显单细胞技术推动的心血管研究中的突破性成果,我们在此重点介绍了两篇文章,它们在单细胞水平上深入探究了心脏病背后的机制。

心脏,这个赋予生命的重要器官的相关疾病仍是全球的主要死亡原因(1)。近年来,随着我们逐渐了解冠状病毒可能以哪些方式损害心脏和心血管系统,对该疾病的认知就变得更加重要(2)。

为了彰显单细胞技术推动的心血管研究中的突破性成果,我们在此重点介绍了两篇文章,它们在单细胞水平上深入探究了心脏病背后的机制。凭借这种比以往更深入的探索,科学家们正在研究未来将如何改善这种无声杀手的预防和治疗。

根据美国心脏协会的数据,心脏病是全球的主要死亡原因。最近的一份报告显示,2019年有近1860万人死于心血管疾病,在过去十年内增加了17.1%,报告的病例数达到5.232亿,与2010年相比增加了26.6%(3)。

这些触目惊心的统计数据突出了推动心血管研究从而提出更多切实可行的预防和治疗建议的紧迫性。为此,科学家们正使用单细胞工具来深入研究导致心力衰竭的纤维化。在最近发表的两篇文章中,他们在有关成纤维细胞表型转换上有一些新发现,并建立了衰竭心脏的单细胞转录组图谱。这两项工作都为深入了解导致心脏病的细胞通路提供了必要的知识。

探索成纤维细胞表型转换如何引起心脏病

在第一篇题为“A transcriptional switch governs fibroblast activation in heart disease”的文章(4)中,美国格拉斯通研究所Deepak Srivastava医学博士实验室中的研究人员采用10x Genomics Chromium单细胞基因表达和单细胞ATAC(染色质可及性分析)的组合来研究小鼠心脏中的成纤维细胞激活。

心脏成纤维细胞在激活时会引发应激反应,并导致心脏病。据了解,通过抑制BET蛋白的JQ1分子来治疗心脏病可改善心脏功能(5)。在这项研究中,他们采用单细胞RNA测序(scRNA-seq)来了解当治疗开始和停止时不同类型的细胞会发生什么。他们在各个组别上开展scRNA-seq分析,包括对照小鼠、未治疗心力衰竭的小鼠、接受JQ1治疗的小鼠以及最近停止治疗的小鼠。令人惊讶的是,他们发现了一个“可逆的转录开关”,也就是说成纤维细胞的转录组在静息和激活状态之间交替,这取决于它们是否接受治疗。

接下来,他们采用单细胞ATAC对同一批心脏开展单细胞染色质转座酶可及性测序分析(scATAC-seq),其目的是关注增强子(位于基因组中任何位置的DNA序列,可启动特定基因的转录),其可及性的增加与心脏功能恶化有关。他们在转录因子MEOX1的下游发现了一个增强子,它与心脏功能呈显著负相关。功能研究表明,在TGFβ诱导的成纤维细胞激活中,该元件是MEOX1表达的必要组分。从本质上讲,MEOX1可作为“开关”,启动心脏成纤维细胞,并诱导心脏纤维化。对细胞状态可塑性如何导致心力衰竭疾病机制的进一步研究有望为新疗法的开发打开新通道。

理清炎症和纤维化以了解它们在心力衰竭中的基本作用

在第二篇题为“Resolving the intertwining of inflammation and fibrosis in human heart failure at single-cell level”的文章(6)中,北京阜外医院宋江平教授团队使用Chromium单细胞基因表达和单细胞免疫分析的组合,建立了成人衰竭心脏的白细胞和非心肌细胞的首个单细胞转录组图谱。

最近的研究表明,心脏内的炎症对心脏纤维化过程至关重要,可导致心力衰竭(7)。缺血性心肌病(ICM)和扩张型心肌病(DCM)都是常见病,因此研究团队选择对这两种疾病状态进行采样,以便绘制最全面的图谱。他们采用scRNA-seq分析了三个DCM心脏、三个ICM心脏和两个未衰竭供体心脏的转录组,揭示出13种主要细胞类型,包括成纤维细胞和各种免疫细胞等。在这种表现出广泛表型变化的异质性中,他们通过拟时间轨迹分析发现,转录因子AEBP1在POSTN+成纤维细胞和ACTA2+肌成纤维细胞中的表达逐渐增加,有望作为心脏纤维化的新型调控因子。

考虑到该研究在衰竭心脏中发现了T细胞,他们又从另外两名DCM患者和一名ICM患者中采集了T细胞,并使用Chromium单细胞免疫分析开展单细胞免疫组库分析。发现表明,细胞毒性CD8+ T细胞浸润了纤维化的心脏,而CD4+ T细胞转变为促炎状态,导致心力衰竭时出现炎症。在进一步分析scRNA-seq数据中的髓细胞转录组后,他们发现巨噬细胞可通过CCR2和MHC II类分子的表达来划分(CCR2-HLA-DRhi和CCR2+HLA-DRhi巨噬细胞),而且促血管生成趋化因子CXCL8在部分细胞中上调。此外,当严重的心脏纤维化发生时,CXCL8hiCCR2+ HLA-DRhi巨噬细胞中的一个子集特异性移动到心肌,并刺激白细胞的招募和炎症。最后,他们使用CellPhoneDB绘制受体-配体对,以观察细胞间相互作用,发现DARC+内皮细胞和CXCL8hiCCR2+HLA-DRhi巨噬细胞之间存在交互,这可能导致更多白细胞浸润和炎症增加。这种心脏免疫微环境的单细胞图谱将大大有助于发现新的通路和交互,帮助人们了解心脏病背后的机制,并有望发现新的治疗靶点。

参考资料:

1. https://www.cdc.gov/heartdisease/index.htm

2. https://www.heart.org/en/coronavirus

3. https://www.heart.org/en/about-us/heart-and-stroke-association-statistics?uid=1740

4. Alexanian M, et al. A transcriptional switch governs fibroblast activation in heart disease. Nature 595: 438–443 (2021).

5. Antolic A, et al. BET bromodomain proteins regulate transcriptional reprogramming in genetic dilated cardiomyopathy. JCI Insight 5: e138687 (2020).

6. Rao M, et al. Resolving the intertwining of inflammation and fibrosis in human heart failure at single-cell level. Basic Res Cardiol 116: 55 (2021).

7. Bansal SS, et al. Dysfunctional and proinflammatory regulatory T-lymphocytes are essential for adverse cardiac remodeling in ischemic cardiomyopathy. Circulation 139: 206–221 (2019).

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