Nature | 人类心脏的单细胞图谱及空间细胞谱系的作用关系解析

Nature | 人类心脏的单细胞图谱及空间细胞谱系的作用关系解析

心脏是人体最重要的器官之一，其正常发育对于维持生命至关重要。近日，美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队在Nature杂志上发表了一篇重要研究，他们通过对发育中的人类心脏进行单细胞和空间转录组分析，揭示了心脏发育过程中的细胞谱系和空间组织关系，为理解心脏发育和相关疾病提供了新的视角。

2024年03月13日，美国加州大学圣地亚哥分校Neil C. Chi与Quan Zhu团队在Nature合作发文Spatially organized cellular communities form the developing human heart，对发育中的人类心脏进行了单细胞和空间转录组分析，揭示了广泛参与心脏发育和形态发生的一系列心血管细胞谱系，识别了空间相邻细胞群之间的相互作用，为心脏疾病的研究与修复提供了新的见解。

人类心脏单细胞图谱及空间谱系互作

为了研究不同的心血管细胞类型如何协调形成人类心脏功能，研究人员对怀孕后9周和16周的人类心脏进行了scRNA-seq，初步确定了构成发育中人类心脏的特定细胞谱系。因为这些发育中的心脏大大小于成年人的心脏，每个收集的心脏被切割成完整的心腔和室间隔 (IVS)，以增加识别更多细胞类型。从这些心脏样本中共收集了142946个细胞，分为5种不同的细胞特征：心肌细胞、间质细胞、内皮细胞、血细胞以及神经细胞，并确定了12个主要细胞类别（图1a）。鉴定的细胞谱系表现出细胞异质性，且与其解剖位置和发育阶段相对应。鉴定了人类心脏的众多常见和罕见细胞类型，提供了发育心脏的全面细胞图谱。

根据先前报道的细胞谱系基因（238个靶基因）和 scRNA-seq 鉴定的差异或特异性基因，研究人员针对这些基因设计MERFISH探针，对12-13孕周的人类心脏进行检测（图1b-c）。空间图谱发现心肌细胞在心脏中表现出明显的区域和结构分布，这些心肌细胞填充了心脏隔室区和非隔室区的不同解剖结构域（图1d）。心室心肌细胞 (vCMs) 表现出更多的细胞复杂性，并细分为特异性占据左心室 (LV) 和右心室 (RV)，且在心室外层和内层内占据更明显的解剖子域。不同的PDGFRA + TCF21 + 成纤维细胞分别特异性填充心房 (aFibro) 或心室 (vFibro)。不同的LEPR + 心内膜细胞特异性排列在心房 (aEndocardial)、心室 (vEndocardial) 或心脏瓣膜的管腔表面。血管相关细胞，包括CLDN5 + LYVE1–血管内皮细胞 (BECs)、MYH11 + 血管平滑肌细胞 (VSMCs) 和KCNJ8 + 周细胞，分布在整个心室中；但心房内分布较少，表明心房血管化可能较少，这可能是由于其心肌壁较薄。CLDN5 + LYVE1 + PROX1 + 淋巴管内皮细胞 (LEC)，MOXD1 + MMP11 + 心外膜来源的祖细胞 (EPDCs) 和ITLN1 + 心外膜细胞定位于心脏表面，EPDCs富集在 AVC 区域内（图1d）。发现了非心肌细胞之间的共定位；并与不同心脏区域内相应的心肌细胞共定位。表明它们可能组装成细胞群落，这些细胞群落不仅影响了特殊的细胞功能化，还形成了对调节整体心脏功能至关重要的解剖结构。

图1.人类心脏细胞图谱揭示了心脏发育过程中的多种细胞群

人类心脏的细胞群组成

为了解特定的心血管细胞如何组装成细胞邻域，形成有组织的多细胞心脏功能至关重要的谱系结构，该研究确定了心脏空间位置上的共分离细胞群区域（细胞群落，CCs; 图2a-b）。鉴定了大约25万个细胞区，并根据细胞组成将其分为13个不同的CCs（图2c）。每个 CC 由不同的组合和特定细胞的数量组成，并表现出广泛的细胞复杂性和纯度；如一些 CC 只包含一个或两个细胞群，另一些则包含十个以上的细胞群（图2d）。

5个CC 位于心室，2个位于心房，其中2个心房 CC 对应左右心房，由各自的左右aCM、aFibro、aEndocardial、心外膜细胞和神经元细胞组成（图2d-f）。相比之下，心室腔被分为5个CC，与左右心室壁各层相关；左心室和右心室外层 CC 由广泛的细胞组成，富集了以下细胞类型：vCM、vFibro细胞、vascular cells和proliferating vCMs。除了心腔内的7个 CC 外，发现了6个非心腔CC，这些群落与心脏的非隔室心脏区域相对应，包括心脏的流入道 (IFT) 和流出道 (OFT) 以及 AV 区域（图2d-f）。此外，在心脏瓣膜中发现了2个CC，包括瓣膜CC，延伸到 AV 和 OFT 瓣膜的内皮细胞和间质细胞，以及二尖瓣区域内更特异的肌瓣叶CC，富集了vCM-LV-AV，可能反映了左心室内细胞的早期特化（图2d-f）。这些心脏 CC 不仅表现出细胞和细胞复杂性的不同组合，这可能导致 CC 和心脏结构之间的功能差异；而且表现出不同的心脏细胞经常富集在特定 CC 中，从而支持心脏细胞可能根据其环境和在每个群落或心脏结构中的作用进行细胞特化的观点。

图2.不同的心脏细胞群在空间上形成CCs，形成特殊的心脏结构

心肌细胞亚群在心室组织中的层状分布

发育中的心室腔可能表现出更明显的心肌细胞和组织的复杂化，为了探索其复杂性，研究人员将鉴定到的心室细胞进行空间映射，发现了额外的心肌细胞和成纤维细胞群，其中8个 vCM细胞群被再分为13个 vCM 亚群（图3a-b）。根据腔室壁深度，许多 vCM 在心室壁呈层状分布，在左心室中观察到的 vCM 和层数多于右心室，这一结果支持了左心室比右心室发育更早的发现（图3b-c）。

图3. 心室壁含有特殊的心肌细胞，且在空间组织上表现出复杂的层状分布

心室中不同细胞群之间的相互作用分析

为了解人心室如何形成和组织对其发育和功能至关重要的心肌层，研究人员重点研究了在心室发现的不同9个CCs（图4a-b）。这些心室 CC 在空间上跨心室壁分层，类似于 vCM 的层状结构，LV特异性 CC 表现出细胞复杂性增加。此外，LV中间区域表现出复杂的交互式多细胞事件，可能用以调节其心室壁的动态发育和重构（图4a-b）。为了了解这些心室心肌细胞如何协同作用，使用CCI进行细胞互作分析，其中intermediate-LV CC表现出最大数量的细胞互作关系，而inner-LV CC表现出最小数量（图4d-e）。此外，发现广泛的心室心肌细胞向不同的 vCM 发出信号，其中成纤维细胞与 vCM 的相互作用最强且数量最多；与这些发现一致的是，主要通过生长和EMT相关通路进行细胞间的信号传导，表明成纤维细胞可能在 LV 细胞壁的发育中发挥关键作用。鉴于PLXN–SEMA信号在调节细胞迁移中的作用，研究人员观察到这些细胞在空间上跨 LV 壁以互补但重叠的梯度排列（图4g-h）。

图4.多细胞相互作用介导心室壁内特定 CC 的组织化

PLXN–SEMA介导心室的组织化

为探索PLXN–SEMA信号通路是否参与心室壁内vCM的组织化，研究人员创建了一个体外人类诱导多能干细胞分化的心肌细胞组成的多层心室壁模型，用于研究SEMA3C、SEMA3D、SEMA6A 和 SEMA6B 如何影响intermediate-LV CC的组织化。利用单层心脏分化系统，培养了hPSC 心肌细胞，这些细胞主要是早期发育的IRX4 + vCM（图5a-c）。为了研究intermediate-LV CC来源的SEMA3C、SEMA3D、SEMA6A和 SEMA6B 如何影响PLXNA2 + PLXNA4 + trabecular-like hPSC-vCMs的空间分布，在tier 1和tier 2中加入这些 SEMA 配体，发现SEMA3C能够指导心室壁细胞形成精细的分层（图5b,d）。此外，通过Tcf21-CreERT2小鼠模型删除Sema3c的表达会导致发育中的小鼠心室壁变薄，心室壁复杂性降低，证实了SEMA3C在心室壁压缩过程中的关键作用（图5e-f）。

图5. PLXN–SEMA信号介导trabecular vCMs的迁移

总结

这项研究利用单细胞和空间转录组构建了发育中的人类心脏细胞图谱，揭示了广泛参与心脏发育和形态发生的一系列心血管细胞谱系。通过 CCI 算法识别了在空间相邻细胞群之间的相互作用，发现了在心室壁特定层内相互作用细胞群发挥信号转导的PLXN–SEMA通路，尤其是SEMA3C能够指导心室壁细胞形成精细的分层。该项研究可能被用于理解先天性和成人结构性心脏病的病理机制，且为心脏疾病的研究与修复提供了新的见解。

参考文献
Farah EN, Hu RK, Kern C, Zhang Q, Lu TY, Ma Q, Tran S, Zhang B, Carlin D, Monell A, Blair AP, Wang Z, Eschbach J, Li B, Destici E, Ren B, Evans SM, Chen S, Zhu Q, Chi NC. Spatially organized cellular communities form the developing human heart. Nature. 2024 Mar;627(8005):854-864. doi: 10.1038/s41586-024-07171-z. PMID: 38480880