《Cells & Development》：Single-cell and spatial transcriptomic technologies in cardiovascular development: Implications for congenital heart disease and regenerative medicine
编辑推荐：
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单细胞和空间转录组技术揭示了早期心脏谱系的分化轨迹和调控机制。
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单细胞和空间转录组技术揭示了早期心脏谱系的分化轨迹和调控机制。
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异常细胞命运和通信重组在先天性心脏病（CHD）中的核心驱动作用。
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跨物种比较和单细胞分辨率下的干细胞模型用于心脏再生研究。
引言
胚胎心脏的发育是发育生物学中最复杂的组装过程之一；它贯穿整个胎儿发育期，并持续到出生后的成熟（Harvey, 2002）。来自不同胚胎起源的异质性前体细胞经历命运决定、迁移、分化和形态发生，最终形成一个具有四个腔室、完整瓣膜和独立传导系统的跳动器官（Brade et al., 2013）。这一发育过程受到高度复杂的时空转录网络和信号级联的调控；任何微小的偏差都可能导致心脏结构异常。因此，阐明心脏发育机制对于理解CHD的分子和细胞病理基础至关重要（Bruneau, 2008）。此外，成年哺乳动物的心肌细胞（CMs）在出生后迅速退出细胞周期并失去内源性修复能力，而胚胎期观察到的活跃增殖程序为心脏再生提供了自然的发育蓝图（Porrello and Olson, 2014; Hashimoto et al., 2018）。因此，系统研究心脏发育的机制可以揭示CHD的发病机制，并推动心脏再生医学的发展。
然而，完全破译这一复杂的发育程序仍然受到多个瓶颈的制约。首先，心脏的结构和发育非常复杂：心脏是在一个高度动态的时空框架内，由多种胚胎谱系协调作用共同构建的（Asp et al., 2019），其腔室特化、传导系统形成和瓣膜发育都伴随着短暂、连续和微妙的细胞命运决策和过渡变化（Asp et al., 2019）。其次，心脏内的细胞间相互作用非常复杂，心肌细胞的增殖、分化和成熟严重依赖于由内皮细胞、成纤维细胞（FBs）、心外膜细胞和驻留免疫细胞组成的微环境（Skelly et al., 2018; Karbassi et al., 2020）。此外，传统的批量分析方法存在“组织平均”偏差，难以捕捉到罕见的前体细胞、短暂的过渡状态和亚群特异性信号（Paik et al., 2020）。再加上早期人类胚胎组织的获取有限以及模式生物与人类之间的固有发育差异，这些限制共同阻碍了高分辨率心脏发育全景图的构建及其潜在机制的阐明（Meilhac and Buckingham, 2018）。
单细胞和空间转录组技术的迅速发展为缓解上述限制提供了革命性的方法。在单细胞分辨率下，单细胞转录组分析可以根据单个细胞的分子特征推断潜在的发育或分化轨迹，并描述心脏前体细胞（CPCs）与不同心脏细胞群体之间的转录谱和状态转换关系（de Soysa et al., 2019）。它还允许对发育过程中的细胞类型动态和表型异质性进行敏感分析（Cui et al., 2019a, Cui et al., 2019b），有助于识别以前未被描述的具有过渡分子特征的罕见细胞群体和细胞状态。至关重要的是，单细胞分辨率下的分子分析显著推进了我们对腔室发育的理解，阐明了包括心房、心室、流出道（OFT）和瓣膜在内的不同解剖腔室在特定时空坐标下的特异性转录程序和发育分支（Cui et al., 2019a, Cui et al., 2019b; de Soysa et al., 2019）。此外，配体-受体表达分析与计算算法相结合可用于预测心肌细胞、内皮细胞和基质细胞之间的潜在信号相互作用，从而提出微环境中的细胞间通信模式（Asp et al., 2019）。这些研究重新塑造了我们对心脏发育机制的理解，扩展了先前的知识。它不仅系统性地重构了心脏形态发生的分子理论框架，还为在单细胞水平上分析CHD的病理起源和识别心脏再生的潜在靶点开辟了全新视角（Li et al., 2026a）。
几篇有影响力的综述总结了单细胞和空间转录组技术在心血管生物学中的应用，但它们大多集中在心血管发育过程和CHD的潜在机制上（Paik et al., 2020; Harper et al., 2026; Li et al., 2026a）。系统整合心脏发育、CHD和心脏再生的综述相对较少（MacGrogan et al., 2018; Liu et al., 2025b）。此外，这些综述主要集中在Notch通路，并且很少包含单细胞或空间转录组研究。鉴于近年来单细胞和空间转录组数据集的指数级积累，亟需及时进行综合性的综述。本文以单细胞组学和空间转录组（ST）的证据为中心，整合了来自单细胞技术（包括单细胞RNA测序（scRNA-seq）/单核RNA测序（snRNA-seq）、单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq）/单核转座酶可及染色质测序（snATAC-seq）以及ST的研究进展，以阐明心脏发育过程中的转录调控、表观遗传机制和动态微环境，并进一步探讨这些发育机制对理解CHD发病机制和人类诱导多能干细胞（hiPSC）源性心肌细胞成熟停滞的影响，从而构建了一个连接“发育—疾病—再生”的时空框架。在描述心脏发育的组织方法时，与以往主要按时间顺序进行的综述不同，本文以心脏壁的三个部分（心肌、心内膜和心外膜）为主线，按照起源、迁移、分化、跨部分通信的逻辑，系统地回顾了每个部分及其相关细胞谱系协同构建心脏结构的动态过程。这一框架既符合心脏的解剖划分，也符合ST的研究特点，有助于将细胞类型、关键标记、信号相互作用和局部微环境置于特定的空间背景下，从而进一步理解CHD的发病机制以及心脏再生受限的潜在原因。
章节片段
单细胞和空间转录组技术
高分辨率组学分析包括基于悬浮液的单细胞技术和空间分辨转录组学（Hwang et al., 2018）。前者主要依赖于单模方法，测量单一分子层，尤其是单细胞RNA测序（scRNA-seq）、单核RNA测序（snRNA-seq）、单细胞转座酶可及染色质测序（scATAC-seq）等。
单细胞分辨率下的心血管发育洞察
心脏是哺乳动物胚胎发育过程中最早形成的功能性器官（Buckingham et al., 2005）。作为泵，它将营养物质和代谢废物输送到全身，对于维持正常的生理稳态和功能至关重要。心脏发育是一个高度动态、相互连接的过程。它不是通过单一谱系的顺序分化来完成的，而是涉及持续的招募、分化和相互作用。
CHD的单细胞分辨率洞察
CHD指的是出生时就存在的心脏和/或大血管的结构异常（Wilsdon and Loughna, 2024）。它是世界上最常见且通常最严重的出生缺陷，影响约1%的活产婴儿，仍然是出生缺陷导致死亡的主要原因（van der Linde et al., 2011）。CHD包括广泛的心脏畸形，从孤立的异常（例如心房或心室间隔缺损（VSDs）到其他复杂畸形。
单细胞分辨率下的心脏再生发育洞察
长期以来，人们认为成熟的心肌细胞是终末分化的细胞，缺乏重新增殖的能力（Bergmann et al., 2009; Mohamed et al., 2018）。然而，最近的研究表明，产后心肌细胞在应激条件下可以以极低的速率增殖并经历生理更新（See et al., 2017; Wang et al., 2020），这挑战了成熟心脏完全不可再生的传统观点。
结论与展望
单细胞和空间转录组技术从根本上重塑了我们对心血管发育的理解。利用单细胞转录组学、染色质可及性分析和ST，研究人员能够在单细胞水平上绘制人类心脏发育的动态图谱，系统分析来自心肌、心内膜和心外膜部分的细胞的分化轨迹和区域特化，以及神经嵴来源的细胞。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
Meiqi Xu|Xiaoyan Li|Dongjing Zhou|Xiaying Deng|Xinyu Tang|Linying Zhao|Siying Wu|Tao Gong|Xiaoning Li|Rui Guo|Yuyao Wang
