基于MMI LMD技术的空间蛋白组学研究揭秘COVID-19引起的心脏损伤机制

由严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV 2）感染驱动的炎症引起的直接心肌和血管损伤是与2019冠状病毒（COVID-19）相关的急性心脏损伤的主要原因。然而，关于心脏在炎症影响下的损伤特征仍然缺乏深入了解。为此，中国医学科学院北京协和医院研究团队通过病理学、MMI激光显微切割系统结合定量空间蛋白质组学策略，建立了COVID-19患者心脏中具有明显炎症细胞的心肌和微血管的区域分辨蛋白质组图。结果观察到在不同的心脏区域心肌和微血管的一系列分子功能障碍，并发现左心房的心肌和微血管对病毒感染和炎症风暴最为敏感，这些结果为改善与COVID-19相关的心血管疾病的临床治疗提供指导。相关研究“Spatial region-resolved proteome map reveals mechanism of COVID-19-associated heart injury”于2022年6月发表在Cell Report杂志上。

研究方法

通过MMI激光显微切割系统从17个COVID-19患者心脏和28个非COVID-19心脏（对照）样本中分别切割获取四个精准区域：左心房心肌(LA_MC)和微血管(LA_MV)、左心室心肌(LV_MC)和微血管(LV_MV)、右心房心肌(RA_MC)和微血管(RA_MV)、右心室心肌(RV_MC)和微血管(RV_MV)，进行定量空间蛋白组学研究。

基于解剖结构对人类心脏组织的四个区域（左心房（LA）、左心室（LV）、右心房（RA）和右心室（RV））进行样本采集、定量蛋白质组学和生物信息学分析的实验工作流程示意图。

研究结果

结果一、人类心脏的空间蛋白质组结构解析

在四个区域共鉴定到4143种蛋白质，与正常对照组相比，COVID-19样本的LA、LV、RA和RV区分别有228、 347、338和219种差异表达的蛋白。通过进一步分析不同区域的蛋白通路，发现COVID-19心脏的炎症反应被异常激活，这是心脏功能障碍的一个严重危险因素。

图1. 不同区域心脏组织中特异性蛋白质标志物的定量蛋白质组学分析

结果二、COVID-19心脏炎症性心肌和微血管的蛋白质组学特征

对COVID-19心脏炎症性心肌和微血管的定量蛋白质组学研究结果显示，在微血管和心肌中分别鉴定出2376种和2494种蛋白质，其中心肌不同区域高表达的蛋白质主要是肌肉或肌细胞的骨架和调节因子，微血管中主要是参与细胞外基质、肌动蛋白细胞骨架、基底膜和神经元投射的蛋白。并将对照组微血管和心肌不同区域的蛋白质按照蛋白丰度分为四部分，通过区域蛋白质组确定心肌和微血管的特定成分。

图2. 心肌和微血管中空间上不同蛋白质特征的定量蛋白质组学分析

结果三、COVID-19心脏炎症性心肌特征

在COVID-19患者的心肌四个区域中共鉴定出2457种蛋白质，其中1031种蛋白质在四个区域中的表达存在差异。新冠病毒感染后，心肌四个区域中大多数高表达的蛋白质均出现下调，表明新冠病毒感染严重损害了心肌不同区域的特定功能。进一步研究COVID-19患者心脏不同区域心肌损伤的分子特征发现，COVID-19组与对照组相比，上调的蛋白质主要参与炎症反应，尤其是在右心房心肌；与心脏其他区域相比，右心房中参与病毒过程相关的蛋白质数量上调最多，这可能是右心房心肌炎症反应的主要原因。另外，COVID-19患者心肌四个区域分子特征也有部分相同，表明新冠病毒感染引起的心肌损伤不仅具有区域特异性，还具有共性，通常会影响心脏的多个生物学过程和功能。

图3. 基于心脏空间蛋白质组谱的COVID-19患者心肌功能障碍

结果四、COVID-19心脏炎症性微血管的特征

在COVID-19心脏微血管四个区域中共鉴定到2342种蛋白质，其中745种存在差异，在四个微血管区域中，大多数特异性高表达的蛋白质在感染后表达水平下降，表明COVID-19心脏中的微血管功能出现障碍。进一步研究COVID-19患者心脏不同区域微血管损伤的分子特征也同样发现，新冠病毒引起的心血管损伤不仅具有区域特异性，还具有共性，破坏了心脏的多个生物过程和功能。

图4. 基于心脏空间蛋白质组谱的COVID-19患者微血管功能障碍

结果五、SARS-CoV-2蛋白对不同心脏区域微血管功能的影响

研究发现SARS-CoV-2可以感染微血管，为进一步探究SARS-CoV-2蛋白对微血管功能的影响，研究人员对病毒蛋白和微血管差异表达蛋白构建了综合互作网络，结果发现病毒蛋白几乎引起所有区域微血管功能的改变。尽管大多数这些蛋白在四个区域中均有发现，但它们的表达水平因与病毒蛋白的相互作用而有所不同。

图5. 揭示COVID-19患者微血管中蛋白失调的相互作用网络

MMI价值体现：

MMI激光显微切割系统在本研究中被用于精确分离受炎症细胞浸润的心脏组织，包括微血管和心肌；这项技术使研究人员能够从COVID-19心脏组织中提取特定区域的样本，从而识别出不同区域的蛋白质组分，为空间蛋白组的开展提供重要的技术支撑。

MMI具体切割方法流程如下：

德国Molecular Machine & Industries (MMI)是专门致力于将显微操作技术与高精度激光技术相结合应用于生命科学领域的一家专业公司，其标志性产品MMI CellCut激光显微切割系统和CellEctor单细胞分选系统成为目前世界上性能优异的样本处理系统。基因有限公司作为MMI产品中国区合作伙伴，可为感兴趣的客户提供专业的产品咨询、技术答疑及联系试用等。

关于基因

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参考文献：

Leng L, Ma J, Zhang PP, et al. Spatial region-resolved proteome map reveals mechanism of COVID-19-associated heart injury. Cell Rep. 2022 Jun 14;39(11):110955. doi: 10.1016/j.celrep.2022.110955. Epub 2022 May 27. PMID: 35679865; PMCID: PMC9135696.