让单细胞和空间图谱告诉我们：心脏如何愈合

心脏病是全球主要的死亡原因(1)，心脏病发作后的慢性心力衰竭通常是由瘢痕组织形成引起的，而目前在这种疾病的治疗上仍然存在缺口，反映了我们对心脏如何愈合的过程缺乏了解。

幸运的是，心血管研究近来受益于单细胞技术，这些技术使得新想法和新发现不断涌现。为了突出深入了解心脏病、疾病进展以及潜在新疗法的重要性，我们在这篇文章中重点介绍了一篇在单细胞水平上挖掘心脏病发作背后机制的论文。这篇论文结合单细胞基因表达、染色质可及性图谱和空间转录组学来描绘康复心脏的图谱，展示了整合多种10x Genomics分析后的发现力量。

心脏病发作后的心脏重塑是一个涉及到多个移动元件的过程，主要包括免疫细胞追踪到损伤部位、肌成纤维细胞的激活，以及瘢痕组织和新血管的形成(2)。

Christoph Kuppe博士是2019年Visium空间基因表达科学挑战赛的首位获胜者，目前在德国亚琛工业大学组建了自己的实验室。他一直对心脏组织损伤后如何自我修复的研究很感兴趣，于是整合了多组学分析来建立心肌梗死（MI）后心脏恢复的单细胞空间图谱。

研究人员采用Chromium单细胞基因表达、Chromium单细胞ATAC（染色质转座酶可接近性分析）和Visium空间基因表达分析，在空间背景下表征了各个阶段MI患者与健康对照相比的细胞状态(3)。这篇论文作为一个基础性的参考资源，为进一步深入研究心脏损伤、修复和纤维化打下了基础。

#01: 构建一张多组学空间图谱

正常的细胞功能不仅取决于单个细胞的活动；它们如何与周围的细胞互动也很重要。因此，尽管单细胞技术可以表征细胞异质性，但了解疾病状态下的空间背景对于鉴定与疾病进展相关的通路至关重要，这些通路有望成为治疗靶点。

在这项工作中，Kuppe博士的团队在心脏病发作后的不同时间点，从23名急性心肌梗死患者及对照身上共采集了31个心脏样本，包括坏死区（缺血区和边缘区）和未受影响的左心室心肌（远端区）。他们还采集了心肌梗死晚期的人类心脏样本（纤维化区），这些样本显示了缺血性心脏病。对于每个心脏样本，他们开展了Visium空间基因表达分析、单细胞核RNA测序（snRNA-seq）和单细胞核ATAC测序（snATAC-seq）。

在整合数据后，他们发现了10种主要的心脏细胞类型（包括心肌细胞、成纤维细胞、淋巴细胞和循环细胞等），并鉴定出心肌细胞、内皮细胞、髓系细胞和成纤维细胞的不同状态，这些状态与心肌梗死后的心脏病进展有关。

在综合空间转录组和snATAC-seq数据后，他们深入研究了信号通路和转录因子结合活性，这些提供了更深层次的生物学信息。利用空间转录组学数据，他们根据细胞类型的组成鉴定出九个细胞类型聚类，或生态位（niches），包括肌源性、炎症性和纤维化细胞类型生态位。空间数据还帮助他们发现心肌细胞功能的异质性。例如，他们观察到纤维化中的关键通路有着共同定位，包括成纤维细胞中的TGFβ和NFκB，以及免疫细胞中的JAK–STAT和NFκB。

通过在心脏病发作后的不同时间点采样，以及从梗死部位周围的不同组织采样，Kuppe博士及其团队能够构建出一张全面的图谱，反映出不同时间、组织类型和个体患者之间的细胞类型差异。

#02: 心肌细胞状态是疾病特异的

在整合心肌细胞的snRNA-seq和snATAC-seq数据后，他们发现心室心肌细胞有五种细胞状态（vCM1-5）。利用差异基因表达分析，他们发现ANKRD1在vCM2和vCM3中都有上调，而NPPB在vCM3细胞中上调，并表现出染色质可及性增加。他们的结果表明，这些心肌细胞状态可以被描述为“急性心肌梗死期内的不同细胞应激状态”（如vCM1为“非应激”，vCM2为“预应激”，而vCM3为“应激”）。

#03: 心肌细胞状态是可变的

配对的snRNA-seq和snATAC-seq数据也帮助他们鉴定出主要的转录因子。例如，盐皮质激素受体（NR3C2）是心力衰竭的共同靶点，也是vCM1状态的主要调控因子。由于NR3C2表达下降与严重心力衰竭和心脏纤维化的发展有关(4)，因此靶向这个基因及其下游靶点可能具有治疗意义。他们还发现，应激的心肌细胞vCM3定位在不同细胞类型的邻近区域，其中充满了平滑肌细胞、成纤维细胞、脂肪细胞和髓系细胞的混合物，也许反映了心脏细胞与免疫细胞相互作用的重要性。

#04: 描绘未来：改进心脏疾病的疗法

通过采用多组学方法，这项工作根据细胞相对于其他细胞类型的位置，带我们了解了细胞状态在心肌梗死进展和心脏重塑中如何变化。它还揭示了基因调控如何影响不同组织区域和疾病阶段的细胞状态。Kuppe博士的单细胞和空间图谱为该领域的研究提供了参考，可作为起点来开展其他更先进的心脏病机制和疗法研究。

参考文献：

1. Wong ND. Epidemiological studies of CHD and the evolution of preventive cardiology. Nat Rev Cardiol 11: 276–89 (2014).

2. Prabhu SD & Frangogiannis NG. The biological basis for cardiac repair after myocardial infarction. Circ Res 119: 91–112 (2016).

3. Kuppe C, et al. Spatial multi-omic map of human myocardial infarction. Nature 608: 766–777 (2022).

4. Beggah AT, et al. Reversible cardiac fibrosis and heart failure induced by conditional expression of an antisense mRNA of the mineralocorticoid receptor in cardiomyocytes. Proc Natl Acad Sci USA 99: 7160–7165 (2002).