综述：绘制心脏图谱：空间转录组学在心脏生物学中的进展

本综述系统探讨了空间转录组学（ST）技术在心脏研究中的革命性进展。文章详细介绍了测序基（sequencing-based）和成像基（imaging-based）两大类技术（如Visium、MERFISH、Tomo-seq等）的原理、优劣及计算分析方法，并重点阐述了其在心脏发育（如先天性心脏病CHD）、成人心脏疾病（如心肌梗死MI、心力衰竭HF）及心脏再生研究中的突破性应用。通过整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、表观遗传等多组学数据，空间转录组学揭示了心脏细胞异质性、空间群落互作及关键信号通路（如NRG1-ERBB、TGF-β），为心血管生物学和疗法提供了前所未有的见解。

　　

空间转录组学技术整合高通量基因表达分析与位置信息

空间转录组学技术能够绘制基因表达在组织空间背景中的分布，为了解细胞功能、组织结构和疾病机制提供见解。这些方法将基因表达分析（如scRNA-seq和snRNA-seq）与位置信息相结合。测序基技术（如ST/Visium、Slide-seq、DBiT-seq）使用空间条形码探针或捕获珠来捕获RNA，并通过下一代测序进行分析；而成像基技术（如seqFISH、MERFISH、FISSH）则直接对组织中的RNA分子进行成像和识别。杂交方法如ExSeq结合了成像和测序元素。每种技术在分辨率、通量和应用上各有优劣，选择需根据具体科学问题而定。

空间计算流程概述

空间转录组学数据的计算流程涉及多个关键步骤，从原始数据处理到生成可解释的基因表达空间图谱。这些步骤大致可分为数据预处理、质量控制、数据整合与空间映射以及下游分析。测序基实验从收集带有空间条形码的原始测序数据开始，经过解复用、转录本比对等步骤；成像基实验则涉及多轮杂交图像的配准、RNA点检测、解码和质量控制。两者最终汇于生成基因表达矩阵，进而进行质控、降维、聚类、与scRNA-seq数据整合、细胞类型解卷积及空间可变基因、差异表达、细胞群落、细胞互作（CCI）和基因调控网络（GRN）分析。高级可视化工具（如Spateo、Giotto）支持复杂交互式可视化及3D组织重建。

发育心脏的空间结构

心脏发育是一个高度协调的过程，由多种细胞类型在精确的时空相互作用下驱动。空间转录组学极大地增强了我们对心脏器官发生中细胞和分子机制的理解。在模式生物中，对斑马鱼胚胎的Tomo-seq研究构建了3D空间转录组图谱，揭示了Wnt信号在心脏起搏细胞中的作用。对鸡胚的研究结合ST和scRNA-seq，描绘了心外膜细胞分化状态。对左心室致密化不全（LVNC）小鼠模型的研究发现Prdm16与Hand1、Tbx5相互作用以调控左心室身份。在人类研究中，结合ST、scRNA-seq和MERFISH等技术，对胚胎心脏进行测绘，发现了新的心肌细胞（CM）亚群（如MYOZ2⁺ CM）、心脏神经嵴细胞（CNCC）和许旺祖细胞的时空特异性，并揭示了心室壁中复杂的层状结构和细胞群落，以及新的信号互作（如PLXN-SEMA）。

利用空间转录组学研究正常、病变或再生成人心脏中的细胞身份和群落

心脏衰竭源于心脏功能失调，心脏细胞类型组织成特定结构对其功能至关重要。空间转录组学显著增进了我们对心脏维持和疾病背后细胞和分子机制的理解。

健康成人心脏的多模态分析

通过整合snRNA-seq、scRNA-seq、多组学（multiome）和ST，研究测绘了人类成人心脏中的细胞类型、状态和群落/生态位。对窦房结（SAN）、房室结（AVN）等八个解剖区域的细胞进行了表征，揭示了SAN核心包含起搏细胞、活化纤维细胞和神经胶质细胞，并鉴定了免疫-心外膜细胞群落和应激-心室心肌细胞群落。还开发了drug2cell等生物信息学流程来研究非心脏疗法的影响。

利用多模态单细胞技术识别创伤反应心脏中的心肌细胞状态

对心肌梗死（MI）后患者的ST、snRNA-seq和snATAC-seq多组学研究，识别了三种心肌细胞状态：vCM1（非应激）、vCM2（预应激）和vCM3（应激），以及三种主要细胞群落：肌生成富集、纤维化富集和缺血富集群落。小鼠LAD结扎模型研究确认了边界区（BZ）的两种 distinct CM状态（BZ1和BZ2），并发现机械损伤也能诱导这些状态。在保留射血分数的心衰（HFpEF）中，观察到胎儿基因（如NKX2-5、GATA4）重新表达。致心律失常性心肌病（ACM）研究发现了与纤维脂肪替代和线粒体应激相关的特定转录因子（如ZBTB11、EPAS1）的表达。

空间转录组学帮助识别损伤后心脏中的免疫和纤维细胞群落及细胞间互作

研究揭示了损伤后心脏中成纤维细胞和免疫细胞的异质性和群落变化。小鼠post-MI心脏中鉴定出6种成纤维细胞状态，并发现Adamts12促进而Htra3抑制心脏纤维化。HFpEF小鼠模型中，发现间质性和血管周围纤维化由不同CF亚群贡献。空间转录组学还揭示了免疫细胞与成纤维细胞（如CCR2⁺巨噬细胞与FAP⁺成纤维细胞通过IL-1β信号互作）以及免疫细胞与心肌细胞之间的互作。在MI后心脏的边界区，心肌细胞核膜破裂通过cGAS-STING-IRF3通路启动I型干扰素反应，形成干扰素诱导细胞（IFNIC）群落，影响修复并增加心脏破裂风险。病毒性心肌炎研究显示内皮细胞、成纤维细胞和间皮细胞招募细胞毒性T细胞和巨噬细胞驱动炎症。

空间转录组学揭示再生或损伤后重塑心脏的异同

在再生斑马鱼心脏中，空间转录组学识别了损伤区、边界区和未损伤区，以及边界区内进一步的亚分区（纤维化/血管生成区和心肌细胞生长区）。BMP信号在整个边界区活跃，促进CM去分化和细胞周期重新进入。近期高分辨率时空图谱揭示了边界区CM状态的多样性（激活、去分化、增殖、再分化），并发现tpm4a在再生中的关键作用。在再生新生小鼠心脏中，研究发现了心脏成纤维细胞从增殖性向分泌性表型的转变，以及边界区CM表达胎儿基因和Sprr1a。YAP驱动的成年心脏更新研究揭示了一种由特定CM（aCM2）、C3⁺ CF和C3ar1⁺ MP组成的促更新心肌生态位。

未来展望

空间转录组学的未来在于技术进步：向高分辨率3D和4D（时空）发展，以捕捉整个器官的结构和动态过程；多模态整合（如与蛋白质组、表观基因组空间分析结合），以全面了解分子调控；追求亚细胞分辨率以研究RNA的亚定位；以及人工智能（AI）在转录本分配、细胞分割和多模态数据整合中的进一步应用。这些发展将推动对心脏等复杂组织在发育、稳态、疾病和再生中的细胞和分子机制的更深入理解，为生物学和医学研究开辟新途径。