心血管疾病是全球主要的死亡原因。深入了解疾病机制和治疗策略，就需要对健康心脏有分子水平的更深入了解，而了解心脏细胞的全部组成及其基因表达谱是这项工作的第一步。近日，Nature杂志在线发表了题为“Cellsoftheadulthumanheart”的研究论文，该研究使用大规模单细胞和核转录组的最新技术分析，描述了成人心脏六个解剖区域的特征。该研究结果强调了心肌细胞、周细胞和成纤维细胞的细胞异质性，揭示了具有不同发育起源和特性的独特心房和心室亚群。该研究定义了心血管系统的复杂性及其沿动静脉轴的变化。在免疫区中，该研究鉴别出具有炎性和保护性转录特征的心脏驻留巨噬细胞。此外，细胞-细胞相互作用的推论强调了心房和心室之间不同于骨骼肌的巨噬细胞-成纤维细胞-心肌细胞网络。该研究中的人类心脏细胞图谱提高了我们对人类心脏的了解，并为今后的研究提供了健康对照。
图1.心脏的腔室结构及电传导系统示意图
研究背景
心脏是一个复杂的器官，由四个形态和功能各不相同的腔室组成（图1）。来自低压右心房（RA）和右心室（RV）的脱氧血液被推进肺部。含氧血液进入左心房（LA）和左心室（LV），被全身压力推动流过全身。腔室由房间隔和室间隔分开，单向流动由房室瓣和心室动脉瓣形成。内在的电生理系统将电脉冲从窦房结迅速传播到房室结，并沿着希氏束传播到收缩起始的心尖。心脏解剖和功能复杂性需要对异质性细胞群进行精细的协调，以便每个腔室都可在不同的压力、张力和生物物理刺激下持续收缩和松弛。
图2.成人心脏细胞组成的研究思路
研究方法与结果
如图2所示，研究人员首先从捐献的14个成人心脏中分离出位于六个不同区域（左/右室游离壁、左/右心房、左室心尖、室间隔）的单个细胞、细胞核和CD45+细胞，其中男女各7人。然后利用单细胞分析、成像技术等多种技术，描绘了11种主要心脏细胞类型的特征，并发现心脏不同区域的细胞存在较大差异，且每个区域都有特定的细胞亚群。
图3.心肌细胞的异质性组成
研究结果显示，心肌细胞存在很高的异质性（图3）。在心肌细胞中共鉴定出五个不同的细胞亚群，其中vCM1占左心室的63.9%，但在右心室仅占心肌细胞的36.7％；而与左心室（9.1%）相比，vCM2在右心室（39.9%）中更多。且这五个亚群的基因表达也各不相同，心房和心室心肌细胞之间的基因表达差异指向不同的发育起源。
图4.血管细胞、间质细胞和间皮细胞的异质性组成
此外，研究人员还发现了17种具有不同解剖学和动静脉特性的内皮细胞、平滑肌细胞、周细胞和间皮细胞亚群（图4）。细胞-细胞相互作用分析推测出内皮细胞可与血管壁不同区段的细胞间存在关联。总之，单细胞转录组测序（scRNA-Seq）、单核转录组测序（snRNA-Seq）和多重单分子荧光原位杂交（smFISH）能够通过阐明心肌细胞在其微环境中的协调信号传导来鉴定解剖特性、分子特征、细胞间网络和空间关系。
总结
该研究展示了六个不同心脏区域的综合性转录组数据，提供了迄今为止最大的健康对照框架。采用snRNA-Seq来确保大型心肌细胞（长/宽：~/25μm）的高通量捕获，采用scRNA-Seq来上采样和富集内皮细胞群和免疫细胞群。通过多重smFISH成像来描述所选细胞群的空间分布和细胞-细胞共定位。通过将心脏细胞转录组及核转录组与骨骼肌和肾脏的转录组进行比较，突出了心脏特异性细胞特征。该研究定义了成年健康心脏的细胞和分子特征，使其能够实现应对不同生理和病理条件而作出反应的功能可塑性。
关于心脏病及相关检测的更多介绍，详见：
《欧洲心脏病学会最新发布：成人先天性心脏病遗传咨询和基因检测专家共识》
《最新AHA科学声明：遗传性心血管病的基因检测》
《JACC:一项基于人群的遗传性心脏病和心脏骤停复苏患者的注册研究》
参考文献：MonikaLitviňuková,CarlosTalavera-López,etal.Cellsoftheadulthumanheart.Nature,.