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

2024年3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》杂志上发表了一篇重要研究论文，题为"Spatially organized cellular communities form the developing human heart"。该研究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，研究团队对怀孕后9周和16周的人类心脏进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。从这些心脏样本中共收集了142,946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。

研究团队设计了针对238个靶基因的MERFISH探针，对12-13孕周的人类心脏进行检测。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。心室心肌细胞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)。不同的PDGFRA + TCF21 + 成纤维细胞分别特异性填充心房或心室。血管相关细胞分布在整个心室中，但心房内分布较少。非心肌细胞之间存在共定位，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，影响特殊细胞功能化和整体心脏功能。

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

研究团队确定了心脏空间位置上的共分离细胞群区域（细胞群落，CCs）。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。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。5个CC 位于心室，2个位于心房，心室腔被分为5个CC，与左右心室壁各层相关。此外，在心脏瓣膜中发现了2个CC，包括瓣膜CC和二尖瓣区域内更特异的肌瓣叶CC。

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

研究团队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。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。

心室中不同细胞群之间的相互作用分析

研究团队重点研究了在心室发现的不同9个CCs。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。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。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。

PLXN-SEMA介导心室的组织化

研究团队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。研究发现SEMA3C能够指导心室壁细胞形成精细的分层。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。

总结

这项研究通过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