心包作为独立结构在心脏形成过程中的发育起源与功能机制研究

本研究针对心包发育起源不明的问题，通过活体成像、单细胞转录组分析和机器学习辅助细胞追踪等技术，发现心包源自侧板中胚层的独立间皮祖细胞群，而非经典心区。研究揭示了心包祖细胞具有独特的迁移轨迹和Wnt/β-catenin信号依赖性，并发现小儿扩张型心肌病中Wnt拮抗剂SFRP1的表达会导致心包硬度增加，为理解心脏形态发生和疾病机制提供了新视角。

心脏是由多种细胞谱系组装而成的功能单元，其中心包作为间皮囊包绕心脏，支持心脏运动、维持稳态和免疫应答。然而，心包的发育起源一直未明。传统观点认为心包可能起源于心脏祖细胞或与多器官共享的间皮祖细胞池，但缺乏直接证据。随着对先天性心脏病和心脏再生研究的深入，理解心包的形成机制对于揭示心脏发育异常和开发再生策略具有重要意义。

近日发表在《Nature Communications》的一项研究，通过整合活体成像、单细胞转录组学、机器学习辅助细胞追踪和功能实验，首次系统阐明了心包作为独立间皮谱系的发育起源及其形成机制。

研究人员主要应用了以下关键技术：转基因斑马鱼报告系统（hand2:EGFP、myl7:DsRed等）、光片显微镜（SPIM）活体成像、10xGenomics单细胞RNA测序（scRNA-seq）、机器学习辅助细胞追踪（Imaris软件）、杂交链式反应（HCR）原位检测、原子力显微镜（AFM）力学测试以及大鼠模型体内干预实验。 neonatal大鼠样本来自Sprague Dawley品系。

心包作为独立结构在心脏形成过程中形成

研究团队通过hand2:EGFP转基因斑马鱼报告系统观察发现，心包祖细胞位于心脏区域外侧的连续间皮祖细胞带中，这些细胞表达hand2基因但不同于经典心区细胞。

心包祖细胞具有独特的迁移轨迹

通过光片显微镜活体成像和机器学习辅助细胞追踪，研究发现心包祖细胞从心区边缘迁移形成心包腔，其迁移距离、速度和分裂模式均与心脏祖细胞显著不同。

心包祖细胞在间皮谱系中呈现独特的转录特征

单细胞转录组分析揭示了心包祖细胞具有独特的基因表达特征，包括jam2b、sfrp5、tmem88b、nr2f1a、meis2b和twist1a等标志基因，这些特征在哺乳动物中保守并延续至出生后发育。

心包祖细胞遵循独特的分化轨迹

轨迹推断分析显示，心包祖细胞与心肌祖细胞在早期侧板中胚层（LPM）中共享起源，但随后分化为独立的间皮谱系，具有独特的转录动态。

心包形成独立于心脏管

基因扰动实验表明，mef2ca/b双敲降胚胎虽然不能形成心脏管，但心包祖细胞仍然存在并形成心包囊；sox32突变体出现心双畸形（cardia bifida）时，每个心脏仍被独立的心包包裹；而hand2突变体则同时缺失心肌细胞和心包细胞，表明hand2对间皮谱系的重要性。

Wnt/β-catenin信号在心包祖细胞中活跃

通过7xTCF:mCherry Wnt报告系统，研究发现Wnt/β-catenin信号在心包祖细胞中持续活跃，特别是在迁移前沿。转录组分析也显示Wnt信号相关基因在心包祖细胞中富集。

经典Wnt信号影响心包细胞密度

Wnt抑制剂IWR-1处理导致心包细胞密度降低、细胞变大，但不影响细胞增殖，表明Wnt信号通过调节组织扩展而非增殖来影响心包细胞组成。

SFRP1暴露改变新生大鼠心包硬度

在模拟小儿扩张型心肌病（DCM）的大鼠模型中，联合异丙肾上腺素（Iso）和sFRP1处理显著增加心包硬度（Young's modulus从52.03±13.65 kPa增至161.2±65.85 kPa），连接了病理性Wnt拮抗与心包力学特性改变。

本研究首次将心包形成整合为心脏形态发生中的一个独立过程，揭示了心包作为间皮谱系的独立起源和独特的发育轨迹。研究发现心包祖细胞虽然与心肌祖细胞共享侧板中胚层起源，但具有独特的转录特征、迁移行为和Wnt/β-catenin信号依赖性。这些发现不仅解决了长期关于心包发育起源的争议，还为理解心包在心脏疾病中的作用提供了新视角。

特别重要的是，研究连接了小儿扩张型心肌病（DCM）中Wnt拮抗剂SFRP1的病理性表达与心包硬度增加之间的关系，提出了心包力学特性改变可能参与疾病进程的新机制。这为DCM的治疗提供了潜在新靶点，并强调了在心脏疾病中考虑心包功能的重要性。

该研究通过多物种比较（斑马鱼、大鼠）和多种技术方法的整合，为心脏发育生物学提供了重要见解，并建立了研究器官相关间皮发育的新范式。未来研究可以进一步探索心包与其他器官间皮的发育关系，以及心包在心脏再生和疾病中的治疗潜力。