心脏重构中的疾病相关髓系细胞状态：计算生物学赋能的心脏炎症研究新纪元及GARP表达髓系（GEM）细胞的作用

《The Journal of Physiological Sciences》：Disease-associated myeloid states in cardiac remodeling: A new era of cardiac inflammation research enabled by computational biology

•髓系细胞（myeloid cells），包括巨噬细胞（macrophages）和中性粒细胞（neutrophils），在心脏重构（cardiac remodeling）中具有多样且依赖于背景的作用。
•单细胞转录组学（single-cell transcriptomics）和计算方法（computational approaches）的近期进展已揭示心脏髓系细胞异质性（cardiac myeloid cell heterogeneity）。
•GARP表达髓系（GARP-expressing myeloid, GEM）细胞是一种新鉴定的疾病相关髓系状态（disease-associated myeloid state），可调控心脏重构（cardiac remodeling）。

心脏重构（cardiac remodeling）是多种心血管疾病进展为心力衰竭的中心过程，其特征包括心肌细胞功能障碍、纤维化、血管改变和慢性炎症。传统研究多聚焦心肌细胞，但病心是复杂多细胞环境，免疫细胞尤其是髓系细胞（myeloid cells，包括单核/巨噬细胞和中性粒细胞）调控组织稳态和病理重构。髓系细胞参与炎症信号、细胞外基质重构、血管生成和组织修复，并通过多种细胞间信号影响心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞和淋巴细胞。近期单细胞转录组学（single-cell transcriptomics）、空间转录组学（spatial transcriptomics）等高维分析揭示心脏髓系细胞显著异质性，并鉴定出心肌梗死、压力过载、代谢紊乱和心力衰竭中出现的疾病相关状态。问题在于，广泛抑制炎症临床获益有限，功能重要髓系群尚未完全表征；需要理解这些状态如何产生并影响邻近细胞。因此，研究人员总结疾病相关髓系状态在心脏重构中的出现、功能多样性和病理贡献，讨论其与周围细胞互作，并强调GARP（glycoprotein A repetitions predominant; LRRC32）表达髓系（GARP-expressing myeloid, GEM）细胞作为新疾病相关髓系状态。结论：心脏重构是多细胞协调互作的涌现特性，而非单细胞功能障碍；定义髓系状态生成和功能可为下一代治疗策略提供基础。

主要关键技术方法：单细胞RNA测序聚焦病理重构期心脏髓系细胞；公共单细胞数据集整合与拟时序分析（pseudotime analysis）；髓系特异性GARP缺陷小鼠；配体-受体相互作用分析；空间转录组分析。人类样本队列来源包括公共人类转录组数据集、人类梗死心肌空间转录组数据及急性肾损伤患者单细胞RNA-seq数据。忽略试剂、培养和质粒构建步骤。

研究结果：

1. 从细胞身份到疾病相关髓系状态：心脏重构视角的演变。单细胞和空间分辨技术显示心肌内广泛细胞异质性，同一谱系细胞因激活状态、解剖位置和疾病背景参与不同信号程序；计算方法整合配体-受体互作与基因表达和空间信息，预测信号方向性和细胞特异性。结论：心脏重构由多细胞信号网络驱动，髓系细胞因异质性、可塑性和动态互作成为理想研究对象。

2. 从髓系细胞身份到心脏重构中的疾病相关髓系状态。中性粒细胞最早被招募，释放炎症细胞因子、趋化因子、ROS（reactive oxygen species）和MMPs（matrix metalloproteinases）清除坏死碎片；过度激活通过ROS和NETs（neutrophil extracellular traps）加重损伤，并促进成纤维活化和ECM沉积。巨噬细胞传统分M1/M2，但Runx2阳性巨噬同时具M1/M2标志，提示M1/M2框架不足。单细胞RNA测序和空间转录组揭示多个转录不同的疾病相关状态。结论：需超越传统身份分类。

3. 疾病相关巨噬细胞状态及其在心脏重构中的功能作用。谱系追踪、命运图谱和单细胞转录组识别resident、monocyte-derived及疾病相关巨噬状态。生理下TIMD4⁺LYVE1⁺MHC-II^lowCCR2^-巨噬自我更新；心肌梗死后resident巨噬耗竭，白喉毒素受体介导清除加重不良重构，提示心脏保护。IGF-1（insulin-like growth factor 1）表达巨噬状态在血管紧张素II高血压应激激活，TRPV4（transient receptor potential vanilloid 4）感知机械应力，上调CCR2^-巨噬IGF-1，促进适应性心肌生长。CCR2⁺单核来源巨噬介导炎症、ECM周转和白细胞招募；抑制招募减少炎症、增强血管生成。Amrute et al.发现CCR2⁺单核/巨噬来源IL-1β驱动FAP（fibroblast activation protein）/POSTN（periostin）成纤维细胞活化，促纤维化；另一多组学研究显示IL-1β-producing Cx3cr1⁺巨噬调控成纤维活化，染色质重塑参与。Spp1⁺单核/巨噬和Trem2^high巨噬在损伤中期占主导，Cx3cr1^high resident-like巨噬后期恢复稳态。TREM2（Triggering Receptor Expressed on Myeloid Cells 2）缺失加重心功能障碍，过表达改善；TREM2⁺巨噬来源衣康酸抑制心肌凋亡、促纤维增殖；可溶性TREM2心脏保护。SPP1（secreted phosphoprotein 1）参与巨噬-成纤维通讯和ECM重构，血小板来源CXCL4为上游调节；SPP1常与TREM2共表达，称SAMs（scar-associated macrophages）或LAMs（lipid-associated macrophages）。IFN（interferon）响应巨噬表达Isg15、Ifit、Irf7，I型IFN信号在心肌损伤后出现，通路激活与不良重构相关，但靶细胞不明。结论：巨噬状态功能背景依赖。

4. 疾病相关中性粒细胞状态及其功能作用。传统认为中性粒均一短寿；单细胞转录组发现炎症、IFN响应和修复基因签名状态。ISG表达中性粒在梗死心脏出现，IFN信号调节存活和ROS，作用未明。Vafadarnejad and colleagues通过单细胞转录组分析发现Siglec-F^high中性粒在心肌梗死后期出现，具高吞噬和ROS能力；局部组织获得，TGF-β和GM-CSF（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor）可诱导。牙周炎加重心梗后重构通过TNF-α介导成纤维活化胶原；肺损伤中M-CSF（macrophage colony-stimulating factor）介导单核向巨噬分化及上皮修复；肾脏中促纤维化；GPR43表达嗜酸性粒细胞抑制其积累。结论：中性粒经历动态状态转变，功能受邻近细胞背景影响。

5. GARP表达髓系（GEM）细胞：发现、生物学功能及转化相关性。研究人员通过单细胞RNA测序聚焦心脏髓系，鉴定GARP高表达GEM，公共数据集验证。GEM在心肌梗死亚急性期出现，转录组独特，表达成纤维相关Col1a1、S100a4（FSP1）、Pdgfra，仍处CD11b⁺髓系，类似纤维细胞。GARP是细胞表面停靠受体，结合latent TGF-β并促激活；Tregs、活化B细胞、血小板、内皮和肿瘤表达；全身GARP缺陷小鼠因腭裂出生后死亡。髓系特异性GARP缺陷不影响发育和基础心功能，但减轻心梗后重构、减少纤维化、改善功能、提高生存。机制：GARP缺陷不改变GEM转录身份，减少中性粒积聚；GEM激活心肌细胞TGF-β/Smad，诱导CXCL1，招募中性粒；不直接通过TGF-β配体-受体招募中性粒；与单核/巨噬互作无大变化；GEM通过TGF-β依赖直接促心肌凋亡，凋亡主要限于心肌细胞。人类梗死心肌空间转录组显示LRRC32（GARP）和ITGAM（CD11b）共表达区域；急性肾损伤患者单细胞RNA-seq有GARP表达髓系，与小鼠心脏GEM共享特征。结论：GEM是保守损伤相关髓系状态。

讨论/未来展望：单细胞和空间转录组揭示多种疾病相关髓系状态，但多髓系群如何在整合多细胞网络中协同尚不清楚；scRNA测序不能直接确定真实互作，许多通讯仍由转录数据推断。空间转录组、多重成像、PIC（photo-isolation chemistry）空间转录组、单细胞和空间蛋白组学整合可定义疾病相关细胞状态空间组织和分子互作；可及计算框架和分析流程对推广至关重要。GEM示例说明专门髓系状态通过独特互作调控重构，但其起源、GARP诱导、latent TGF-β激活和下游信号未明；跨器官保守性需比较。治疗上应选择性调节致病状态和细胞互作网络，而非广泛抑制炎症。研究结论翻译：总之，近期进展已确立心脏重构是协调性多细胞相互作用的一种涌现特性，而非单个细胞类型功能障碍的结果。明确疾病相关髓系状态如何在多细胞组织环境中产生并发挥功能，将为下一代治疗策略的开发提供基础。