Life Med | 王常勇/周瑾/那潔繪制人多譜系心臟類器官單細(xì)胞圖譜

菌心說 2022-06-15 發(fā)布于北京

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類器官是一類能在體外培養(yǎng)、模擬真實器官結(jié)構(gòu)和生理功能的新型研究模型。近年來，科學(xué)家成功構(gòu)建了腦、心、肝、腎、肺、胃、腸道、胰腺、視網(wǎng)膜等類器官模型，并在發(fā)育機(jī)理和疾病研究等方面取得了新的突破。以往研究顯示，人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的心肌、血管內(nèi)皮、平滑肌細(xì)胞結(jié)合組織工程支架形成的“心臟補丁”使心肌更加成熟，且移植入豬的心肌梗死模型后，顯著促進(jìn)了心臟修復(fù)(Ye et al., 2014)。但人們對不同類型細(xì)胞在形成類器官過程中如何相互作用，它們的狀態(tài)和命運變化所知甚少，限制了心臟類器官在再生醫(yī)學(xué)和藥物研發(fā)中的應(yīng)用。

2022年6月，軍事醫(yī)學(xué)研究院王常勇課題組與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院那潔課題組合作在Life Medicine雜志在線發(fā)表了題為Single-cell atlas of multilineage cardiac organoid derived from human induced pluripotent stem cells的研究論文，從單細(xì)胞水平揭示了多譜系細(xì)胞形成心臟類器官過程中的細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變及潛在的基因調(diào)控機(jī)制。研究人員發(fā)現(xiàn)2D條件下人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）分化的心肌細(xì)胞（Cardiomyocytes, CM）與內(nèi)皮細(xì)胞（Endothelial Cells, EC）以及平滑肌細(xì)胞（Smooth Muscle Cells, SMC）在3D細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）豐富的微環(huán)境中形成迷你心臟類器官（Mini-Cardiac Organoid, MCO），其中的細(xì)胞狀態(tài)和組成會發(fā)生較大轉(zhuǎn)變：心肌細(xì)胞進(jìn)一步成熟，大量的未成熟的SMC轉(zhuǎn)化形成高表達(dá)DLK1的成纖維細(xì)胞，賦予MCO特有的微環(huán)境，富集免疫調(diào)節(jié)信號，有利于對梗死心臟的修復(fù)。

研究人員從單細(xì)胞水平比較了單層分化的2D-CM、僅由CM構(gòu)成的MCO-CM和由CM、EC、SMC構(gòu)成的MCO-Mix。2D條件下hiPSCs分化的CM處于不成熟狀態(tài)。而在富含ECM的3D微環(huán)境中培養(yǎng)的MCO-CM上調(diào)了心肌成熟、ATP能量代謝和肌肉收縮相關(guān)的基因，下調(diào)了心肌前體細(xì)胞的特征基因，說明3D微環(huán)境能大大促進(jìn)心肌成熟。體內(nèi)的心臟組織由多種細(xì)胞類型構(gòu)成，研究人員進(jìn)一步將hiPSCs分化的EC、SMC與CM混合構(gòu)建出MCO_Mix。有意思的是，2周之后的MCO_Mix重置了初始細(xì)胞類型和比例，除成熟心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞外，出現(xiàn)了大量的DLK1⁺成纖維細(xì)胞。擬時序分析發(fā)現(xiàn)初始的非心肌細(xì)胞經(jīng)過MCO_Mix構(gòu)建后朝著成纖維細(xì)胞方向轉(zhuǎn)變。

MCO_CM心肌細(xì)胞表達(dá)cTNT

迷你心臟類器官搏動的鈣信號

心臟成纖維細(xì)胞對心臟的結(jié)構(gòu)和功能有重要的調(diào)節(jié)作用。同樣，成纖維細(xì)胞對MCO的性質(zhì)也產(chǎn)生重要影響。研究人員通過配體-受體配對分析發(fā)現(xiàn)，MCO_Mix中DLK1-NOTCH信號通路基因表達(dá)急劇上調(diào)。為探究DLK1對MCO的作用機(jī)制，作者用可溶性DLK1（sDLK1）處理CM，轉(zhuǎn)錄組研究展示富集的KEGG通路包括細(xì)胞因子-受體相互作用，Toll樣受體，RIG-I樣受體，PPAR等信號通路以及補體和凝血級聯(lián)，表明MCO_Mix中免疫調(diào)節(jié)潛能被激活。富集的GO與炎癥反應(yīng)調(diào)節(jié)，細(xì)胞外結(jié)構(gòu)組織和損傷反應(yīng)調(diào)節(jié)有關(guān)。

作者將這些MCO移植到心肌梗死（MI）大鼠心臟后，可以有效逆轉(zhuǎn)病理重塑和改善心臟功能。MCO_CM移植組在梗死區(qū)顯示出更高的人類心肌存活率，這可能是由于MCO_CM中心肌細(xì)胞比例較高所致。MCO_Mix組在改善心臟收縮功能和減少疤痕面積方面更具優(yōu)勢，這可能得益于DLK1⁺成纖維細(xì)胞抑制病理性纖維化和對炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而提升了梗死區(qū)細(xì)胞存活和心臟功能恢復(fù)。

總之，這項研究從單細(xì)胞水平詳盡地解析了心臟類器官的演變過程，揭示了細(xì)胞命運和狀態(tài)變化的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)多種類型細(xì)胞混合互作后能產(chǎn)生新的細(xì)胞類型--DLK1⁺成纖維細(xì)胞，具備潛在的免疫調(diào)控和組織修復(fù)功能。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步優(yōu)化hiPSC衍生的心臟類器官構(gòu)建和心臟修復(fù)提供了新的線索。

軍事醫(yī)學(xué)研究院王常勇研究員和周瑾研究員為該論文共同通訊作者，軍事醫(yī)學(xué)研究院出站博士后張鳳枝和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院在讀博士生邱輝為本文共同第一作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院那潔副教授對本研究中干細(xì)胞體外誘導(dǎo)分化及單細(xì)胞數(shù)據(jù)分析提供了重要指導(dǎo)和鼎力支持。軍事醫(yī)學(xué)院研究院董曉惠，北京協(xié)和醫(yī)院張曉燕博士，軍事醫(yī)學(xué)研究院王春蘭，解放軍總醫(yī)院（301醫(yī)院）轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心李鑫，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院在讀博士生張興武對本研究做出了重要貢獻(xiàn)。

本研究得到國家干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究重點專項，國家自然科學(xué)基金委項目和清華大學(xué)春風(fēng)基金的支持。

參考文獻(xiàn)：

Ye, L., Chang, Y.H., Xiong, Q., Zhang, P., Zhang, L., Somasundaram, P., Lepley, M., Swingen, C., Su, L., Wendel, J.S., et al. (2014). Cardiac repair in a porcine model of acute myocardial infarction with human induced pluripotent stem cell-derived cardiovascular cells. Cell Stem Cell 15, 750–761.

第一作者簡介

張鳳枝

清華大學(xué)第一附屬醫(yī)院

張鳳枝博士于2007年在內(nèi)蒙古大學(xué)獲得生物學(xué)學(xué)士學(xué)位，2010年在北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院獲得醫(yī)學(xué)碩士學(xué)位，2017年在清華大學(xué)獲得生物學(xué)博士學(xué)位；2017年至2021年在軍事醫(yī)學(xué)研究院進(jìn)行博士后研究；2021年任職于清華大學(xué)第一附屬醫(yī)院，致力于干細(xì)胞在心血管疾病中的應(yīng)用研究及臨床轉(zhuǎn)化。

邱輝

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院