心血管疾病是全球主要的死亡原因。深入了解疾病機制和治療策略，就需要對健康心臟有分子水平的更深入了解，而了解心臟細胞的全部組成及其基因表達譜是這項工作的第一步。近日，Nature雜志在線發表了題為“Cells of the adult human heart”的研究論文，該研究使用大規模單細胞和核轉錄組的最新技術分析，描述了成人心臟六個解剖區域的特征。該研究結果強調了心肌細胞、周細胞和成纖維細胞的細胞異質性，揭示了具有不同發育起源和特性的獨特心房和心室亞群。該研究定義了心血管系統的復雜性及其沿動靜脈軸的變化。在免疫區中，該研究鑒別出具有炎性和保護性轉錄特征的心臟駐留巨噬細胞。此外，細胞-細胞相互作用的推論強調了心房和心室之間不同于骨骼肌的巨噬細胞-成纖維細胞-心肌細胞網絡。該研究中的人類心臟細胞圖譜提高了我們對人類心臟的了解，并為今后的研究提供了健康對照。
圖1. 心臟的腔室結構及電傳導系統示意圖
研究背景
心臟是一個復雜的器官，由四個形態和功能各不相同的腔室組成（圖1）。來自低壓右心房（RA）和右心室（RV）的脫氧血液被推進肺部。含氧血液進入左心房（LA）和左心室（LV），被全身壓力推動流過全身。腔室由房間隔和室間隔分開，單向流動由房室瓣和心室動脈瓣形成。內在的電生理系統將電脈沖從竇房結迅速傳播到房室結，并沿著希氏束傳播到收縮起始的心尖。心臟解剖和功能復雜性需要對異質性細胞群進行精細的協調，以便每個腔室都可在不同的壓力、張力和生物物理刺激下持續收縮和松弛。
圖2. 成人心臟細胞組成的研究思路
研究方法與結果
如圖2所示，研究人員首先從捐獻的14個成人心臟中分離出位于六個不同區域（左/右室游離壁、左/右心房、左室心尖、室間隔）的單個細胞、細胞核和CD45+細胞，其中男女各7人。然后利用單細胞分析、成像技術等多種技術，描繪了11種主要心臟細胞類型的特征，并發現心臟不同區域的細胞存在較大差異，且每個區域都有特定的細胞亞群。
圖3. 心肌細胞的異質性組成
研究結果顯示，心肌細胞存在很高的異質性（圖3）。在心肌細胞中共鑒定出五個不同的細胞亞群，其中vCM1占左心室的63.9%，但在右心室僅占心肌細胞的36.7％；而與左心室（9.1%）相比，vCM2在右心室（39.9%）中更多。且這五個亞群的基因表達也各不相同，心房和心室心肌細胞之間的基因表達差異指向不同的發育起源。
圖4. 血管細胞、間質細胞和間皮細胞的異質性組成
此外，研究人員還發現了17種具有不同解剖學和動靜脈特性的內皮細胞、平滑肌細胞、周細胞和間皮細胞亞群（圖4）。細胞-細胞相互作用分析推測出內皮細胞可與血管壁不同區段的細胞間存在關聯。總之，單細胞轉錄組測序（scRNA-Seq）、單核轉錄組測序（snRNA-Seq）和多重單分子熒光原位雜交（smFISH）能夠通過闡明心肌細胞在其微環境中的協調信號傳導來鑒定解剖特性、分子特征、細胞間網絡和空間關系。
總結
該研究展示了六個不同心臟區域的綜合性轉錄組數據，提供了迄今為止最大的健康對照框架。采用snRNA-Seq來確保大型心肌細胞（長/寬：~100/25μm）的高通量捕獲，采用scRNA-Seq來上采樣和富集內皮細胞群和免疫細胞群。通過多重smFISH成像來描述所選細胞群的空間分布和細胞-細胞共定位。通過將心臟細胞轉錄組及核轉錄組與骨骼肌和腎臟的轉錄組進行比較，突出了心臟特異性細胞特征。該研究定義了成年健康心臟的細胞和分子特征，使其能夠實現應對不同生理和病理條件而作出反應的功能可塑性。
關于心臟病及相關檢測的更多介紹，詳見：
參考文獻：Monika Litviňuková, Carlos Talavera-López, etal. Cells of the adult human heart. Nature, 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2797-4（論文鏈接）
