心力衰竭转录组多细胞协调图谱：揭示心脏重塑的保守机制

《Nature Communications》：A cross-study transcriptional patient map of heart failure defines conserved multicellular coordination in cardiac remodeling

本研究通过整合25项转录组学研究（1524例样本），构建了心力衰竭的多细胞协调图谱，揭示了成纤维细胞在心脏重塑中的核心调控作用。研究人员利用多细胞因子分析鉴定了保守的纤维化、炎症和代谢程序，发现多细胞协调独立于组织成分变化，为理解心力衰竭病理机制提供了新视角。该研究为心脏疾病的多细胞研究建立了公共参考框架。

　　

心脏作为人体最重要的器官之一，其功能异常导致的心力衰竭（HF）是全球范围内致死率最高的疾病之一。尽管近年来单细胞转录组学技术的发展为理解心脏细胞组成和功能提供了新视角，但由于各研究采用的细胞分类标准不一、样本量有限，导致对心力衰竭过程中多细胞协调机制的认识仍然零散且不一致。更关键的是，传统研究方法难以区分基因表达变化究竟源于细胞比例改变还是真正的分子调控事件，这严重阻碍了针对心力衰竭的有效治疗策略开发。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，Jan D. Lanzer等研究人员整合了25项转录组学研究（包括4项单核转录组和21项批量转录组），涵盖了1524例样本，构建了迄今为止最全面的心力衰竭多细胞转录组参考图谱。通过创新的多细胞因子分析（MFA）方法，研究团队成功识别了保守的多细胞程序（MCPs），揭示了心脏重塑过程中跨细胞类型的协同调控网络。

研究采用的核心技术方法包括：整合分析25项心力衰竭转录组学研究（1524例样本）构建多细胞参考图谱；应用多细胞因子分析（MFA）鉴定保守的多细胞程序；通过配体-受体相互作用分析和NicheNet算法推断细胞间通讯网络；使用线性混合模型评估基因表达调控模式；利用CIBERSORT进行批量转录组数据的细胞组成反卷积分析；对24.2万个成纤维细胞进行单细胞整合以鉴定细胞状态。

研究结果

心力衰竭研究的分子一致性

通过比较不同研究的转录组数据，研究人员发现尽管各研究间差异表达基因重叠有限，但基因表达变化的方向性高度一致。跨研究分类器能够准确区分心力衰竭与正常心脏样本（平均AUROC=0.89），表明存在保守的转录反应。单核转录组数据的多细胞程序分析进一步证实了这种一致性，MCPs能够有效区分疾病状态（平均AUROC=0.98）。

心力衰竭的多细胞患者图谱

整合分析揭示了10个多细胞程序，其中MCP1和MCP2是区分心力衰竭与正常心脏的主要程序。MCP1与肥厚和纤维化通路相关，而MCP2主要涉及炎症反应。重要的是，这些多细胞程序的激活与组织细胞组成变化无关，表明它们代表了独立于细胞比例变化的真正分子协调事件。

多细胞协调网络与细胞间通讯

MCP1分析显示，在心力衰竭过程中，成纤维细胞对其他细胞类型（特别是心肌细胞）的预测重要性显著增加。配体-受体相互作用分析发现，成纤维细胞与心肌细胞之间的通讯在心力衰竭中尤为突出，涉及ECM成分（如COL1A1、COL3A1）以及BMP4和NRG1等信号分子。实验验证证实这些配体可调节心肌细胞应激相关基因表达。

成纤维细胞的功能分工

研究人员整合了242,045个成纤维细胞，鉴定了6个保守的细胞状态。研究发现，心力衰竭不仅导致特定成纤维细胞状态的比例变化（如Fib1和Fib4增加），更引起跨状态的广泛分子重编程。基因表达模式分析揭示了"专家型"、"通用型"和"获得性通用型"三种调控模式，其中获得性通用型基因（如POSTN、THBS4）在心力衰竭过程中在所有成纤维细胞状态中均上调，代表了优先激活的程序。

多细胞程序在批量转录组中的保守性

MCP1特征在批量转录组数据中同样能够有效区分心力衰竭样本（中位AUROC=0.84）。进一步分析表明，批量转录组中观察到的基因表达变化主要源于分子调控（56%），而非细胞组成变化（5%），强调了多细胞协调在心力衰竭中的核心作用。

独立数据重解读

将独立数据集投射到多细胞患者图谱上，研究人员发现胎儿心脏与心力衰竭样本在MCP1上具有相似性，表明心力衰竭涉及胎儿程序的重新激活。左心室辅助装置（LVAD）植入后恢复的患者显示MCP1活性逆转，表明该程序可反映临床改善情况。

研究结论与意义

这项研究通过大规模整合多组学数据，构建了心力衰竭的多细胞转录组参考图谱，揭示了心脏重塑过程中保守的多细胞协调机制。研究发现，成纤维细胞在协调多细胞反应中发挥核心作用，其激活表现为广泛的表型转换而非仅限于特定亚型的出现。重要的是，多细胞程序的激活独立于组织细胞组成，表明心力衰竭涉及更深层次的分子重编程。

该研究的创新之处在于将研究视角从传统的细胞分类转向组织水平的系统协调，提出了"获得性通用型"基因程序的新概念，解释了成纤维细胞在疾病状态下的功能可塑性。建立的多细胞患者图谱不仅为理解心力衰竭机制提供了新框架，还可作为参考工具用于临床样本的分子分型和治疗反应预测。

研究人员开发的公开平台ReHeaT（https://saezlab.shinyapps.io/reheat2/）使这一资源可供科学界广泛使用，有望推动心脏疾病研究从单细胞分析向多细胞系统理解的范式转变，为开发针对多细胞协调网络的新型治疗策略奠定基础。这项工作强调了跨研究整合和多尺度数据分析在理解复杂疾病机制中的价值，为其他器官的病理研究提供了可借鉴的方法学框架。