调控骨髓造血干细胞活性：心肌梗死后极具潜力的治疗新策略

《Nature Cell Biology》：Modulation of bone marrow haematopoietic stem cell activity as a therapeutic strategy after myocardial infarction: a preclinical study

心肌梗死（MI）严重威胁全球健康，骨髓造血干细胞（HSCs）在 MI 后的应急造血作用不明。研究人员开展了 MI 对 HSCs 影响及干预策略的研究。结果发现 MI 致 HSCs 转录和功能改变，4 - 氧代视黄酸（4-oxo-RA）可改善心脏功能。该研究为 MI 治疗提供新思路。

　　心肌梗死（Myocardial infarction，MI），这一全球性的重大健康难题，时刻威胁着人们的生命健康。当心肌梗死发生时，心脏就像一座遭遇暴风雨袭击的城市，原本有序的 “运作系统” 陷入混乱。在这场危机中，身体启动了一系列复杂的修复机制，其中应急造血（Emergency haematopoiesis，EH）发挥着关键作用。然而，就像任何事物都有两面性一样，过度的应急造血会带来负面影响，它会加剧心脏的瘢痕形成，阻碍心脏功能的恢复，甚至导致心力衰竭。

在人体的造血系统中，骨髓造血干细胞（Haematopoietic stem cells，HSCs）处于核心地位，它们就像一群拥有神奇 “变身” 能力的 “种子细胞”，具有自我更新和分化为各种血细胞的独特能力。但长期以来，HSCs 在心肌梗死后应急造血过程中的具体作用，始终像一团迷雾，困扰着科研人员。而且，目前针对心肌梗死后全身炎症的治疗手段，效果并不理想，这也促使科研人员迫切需要寻找新的治疗策略。

为了揭开这些谜团，来自多个研究机构的科研人员，包括 Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics 等，携手开展了一项深入研究。他们通过一系列严谨的实验，发现心肌梗死会导致人类骨髓造血干细胞出现有害的转录和功能变化。并且，研究还表明，HSCs 会在心肌梗死后分化为促炎性髓系细胞，这些细胞会浸润到心脏组织中，进一步加重心脏的炎症反应。不过，令人振奋的是，研究人员找到了一种潜在的治疗方法，即利用维生素 A 的代谢产物 4 - 氧代视黄酸（4-oxo-retinoic acid，4-oxo-RA）来调节应急造血的根源，迫使 HSCs 进入静止状态。这一干预措施能够有效抑制过度的应急造血，最终改善心肌梗死后的长期心脏功能。该研究成果发表在《Nature Cell Biology》上，为心肌梗死的治疗开辟了新的方向。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），通过对人体和小鼠的相关细胞进行测序，分析细胞的基因表达谱，从而深入了解心肌梗死后 HSCs 及相关细胞的变化；二是谱系追踪实验，利用特定的小鼠模型，如 Fgd5^CrefRT2小鼠模型，追踪 HSCs 及其后代细胞的命运，明确 HSCs 在心肌梗死后免疫细胞产生中的作用；三是构建多种小鼠模型，包括心肌梗死模型、基因敲除模型等，模拟不同的生理和病理状态，为研究提供了重要的实验基础 。

下面来看具体的研究结果：

• MI 导致人类 HSCs 持续激活和功能受损：研究人员从 150 多名心脏手术患者中收集了胸骨骨髓活检样本，经过严格筛选，最终确定了 49 例样本用于研究。通过单细胞 RNA 测序分析发现，心肌梗死后，HSCs 的相对数量显著减少，而多能祖细胞（MPPs）和多淋巴系启动祖细胞（MLPs）的数量增加。基因集富集分析显示，HSCs 中与干性相关的基因特征下调，而与细胞周期激活相关的基因上调。体外集落形成单位（CFU）实验和体内移植实验也证实，心肌梗死后 HSCs 的自我更新能力受损。此外，对骨髓单核细胞的分析表明，MI 会导致 HSPCs 水平的炎症启动，并伴有下游单核细胞后代的慢性改变。
• HSCs 促进心脏炎症性髓系细胞浸润：研究人员利用 Fgd5^CrefRT2小鼠模型进行谱系追踪实验。结果发现，心肌梗死后，骨髓中 dTomato 标记的 MPPs 和髓系祖细胞（MyPs）比例显著增加，心脏中 dTomato 阳性的白细胞，尤其是髓系细胞，如中性粒细胞、巨噬细胞和炎症单核细胞的数量也明显增多。这表明骨髓 HSCs 在心肌梗死后会被激活，产生并促使髓系细胞浸润到心脏组织中。进一步的单细胞 RNA 测序分析显示，HSC 来源的髓系细胞在心肌梗死后会上调炎症和心脏浸润相关基因，主要为炎症单核细胞和中性粒细胞，这些细胞对心肌炎症的发生发展起到了重要作用。
• 维生素 A 代谢产物对 MI-HSCs 的调节作用：通过基因本体（GO）术语分析，研究人员发现人类 MI-HSCs 中视黄酸（RA）/ 维生素 A 受体结合和激素相关术语显著下调。体外实验表明，RA 代谢产物全反式视黄酸（at-RA）和 4-oxo-RA 能够上调与 HSC 特征相关的转录特征，增强体外自我更新能力，并减少 HSCs 的细胞分裂比例。体内实验发现，at-RA 虽然能有效对抗 MI 后 HSCs 的功能下降，但会在心脏髓系细胞中诱导促炎表型，限制心肌重塑的改善。而 4-oxo-RA 由于其对 Rarβ 的高结合特异性，能够选择性地作用于骨髓中的 HSCs，避免了 at-RA 的不良心脏效应。
• 4-oxo-RA 保护 MI 后 HSC 功能：4-oxo-RA 能够通过与 Rarβ 结合，促进 HSC 静止。体内实验显示，4-oxo-RA 处理后，MI 小鼠的 HSC 激活得到缓解，HSCs 向髓系细胞的分化减少，循环中 dTomato 阳性髓系细胞的释放也显著降低。同时，4-oxo-RA 还能维持 HSCs 的自我更新能力，在体外 CFU 实验和体内 HSC 移植实验中均得到验证。此外，对脾脏 HSPCs 的分析表明，4-oxo-RA 能够抑制 MI 后脾脏中 HSCs 的激活。
• 4-oxo-RA 维持 MI 后长期心脏功能：利用 Fgd5^CrefRT2模型进行 HSC 谱系追踪发现，4-oxo-RA 处理可减少心肌中 dTomato 髓系细胞的比例，降低 HSCs 对 MI 诱导的中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞浸润心肌的贡献。单细胞 RNA 测序分析显示，4-oxo-RA 处理后，心脏 dTomato 阳性髓系细胞中炎症相关的 GO 术语下调，修复性巨噬细胞相对富集。同时，4-oxo-RA 处理还能减少梗死组织中炎症细胞因子的表达，降低胶原蛋白沉积，改善心脏功能。在慢性期，接受 4-oxo-RA 治疗的小鼠左心室射血分数和每搏输出量显著保留，心脏功能得到明显改善，生存率也略有提高。
• Rarβ 对 4-oxo-RA 有益作用不可或缺：研究人员通过对 Rarβ 基因敲除（KO）小鼠的研究发现，在缺乏 Rarβ 的情况下，4-oxo-RA 无法维持 HSC 功能，也不能减轻骨髓和心肌中的下游髓系反应，最终无法保护心肌梗死后慢性期的心脏功能。将 Rarβ-KO 骨髓细胞移植到野生型受体小鼠中，4-oxo-RA 同样无法改善心脏功能。这表明 4-oxo-RA 通过 Rarβ 在骨髓水平介导其对 HSC 保护和心脏重塑的有益作用。
• RA 代谢产物恢复 MI 受损的人类 HSPC 功能：研究人员从 MI 患者中分离出人类 HSPCs，用 RA 代谢产物 4-oxo-RA 和 at-RA 进行处理。结果显示，两种代谢产物都能显著富集与人类静止 HSCs 相关的基因特征，抑制 HSPC 增殖，维持体外自我更新能力。此外，4-oxo-RA 能够有效对抗 MI 后人类 HSC 功能的损伤，避免 at-RA 对人类单核细胞的炎症作用。

综合上述研究，该研究首次明确了心肌梗死后人类骨髓造血干细胞的变化及其在炎症性髓系细胞浸润中的作用，并证实了 4-oxo-RA 通过调节 HSC 活性，能够有效改善心肌梗死后的心脏功能。这一发现为心肌梗死的治疗提供了全新的理论依据和潜在的治疗靶点，有望为临床治疗带来新的突破，改善心肌梗死患者的预后。同时，研究也强调了在治疗心肌梗死时，精准调节 HSC 活性的重要性，为后续进一步探索心血管疾病的治疗策略提供了重要的参考。