前言

心脏作为“机体发动机”对维持人类生命活动至关重要，多种心血管疾病引起的心功能失常严重威胁人类健康，例如心肌梗死、心肌炎症等，已成为人类死亡的重要原因。一直以来，大家普遍认为心肌是不可再生的，至少在成年的哺乳动物中，心肌再生能力极差。2017年，Nature上发表的一篇论文还专门探讨了心肌细胞不易再生的原因，基本上，目前治疗心脏疾病的大多数药物或治疗手段都是围绕“如何降低剩余心肌损伤或凋亡”而开发的，也就是玩存量。既往大家的目光更多地放在了心肌细胞本身上，对于心肌细胞在疾病下的外环境关注度是近些年才逐渐起来的。心肌损伤后的炎细胞，尤其是巨噬细胞的作用不断刷新大家认知。

 

心脏驻留型巨噬细胞是心脏的重要组成部分，在心脏稳态维持和损伤再生中发挥着重要调控作用，例如调控胚胎期心脏冠状动脉血管和淋巴管新生，维持心脏传导系统正常功能，参与心脏损伤后的修复等。因此，阐明心脏巨噬细胞与心肌细胞增殖之间的关系对于心脏发育及临床心脏损伤修复提供重要研究基础。

 

2022年8月27日，江苏大学苏兆亮教授团队于Acta Pharmaceutica Sinica B( IF 14.903 ) 上在线发表了心脏巨噬细胞调控心肌细胞增殖机制的新研究成果。作者利用家小鼠作为实验动物，研究胚胎18天（E18D）、出生后7天（P7D）、出生后4周（P4W）、出生后8周（P8W）、出生后1年（P1Y）小鼠的心脏单细胞图谱，这将有助于解析心脏巨噬细胞调控心肌细胞的机制和临床心脏损伤修复。

 

 

基本信息

期刊：Acta Pharmaceutica Sinica

影响因子：14.903

发表年月：2022年8月

材料：Wide-type BALB/c mice 小鼠心脏组织，胚胎18天（E18D）、出生后7天（P7D）、出生后4周（P4W）、出生后8周（P8W）、出生后1年（P1Y）

方法：10x Genomics高通量单细胞转录组测序

 

研究背景

胚胎和新生儿来源的心脏驻留巨噬细胞（CRM）通过Jagged-1-Notch1轴促进心肌细胞增殖。出生后，微环境变化导致CRM的转换或更新，导致其增殖潜力的丧失。

 

 

1、非心肌细胞的表型和分布的动态变化

由于非心肌细胞，即基质细胞在生理和病理条件下，都对心脏起着不可或缺的作用，因此作者分析了个体发育过程中心脏基质细胞的动态变化。作者利用scRNA-seq检测不同年龄小鼠的非心肌细胞，共获得44604个基质细胞。为了深入了解整个心脏的基质细胞组成，作者通过无偏聚类将所有细胞分成19个主要簇，根据它们的基因表达谱，鉴定出以下的细胞类型：成纤维细胞、T细胞、髓系细胞、B细胞、粒细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、心肌细胞、肥大细胞、心外膜细胞。个体发育伴随着体细胞形状、结构和功能的变化。正如预期的那样，基质细胞在不同点显示出细胞簇的动态变化，它们在成年小鼠中的分布几乎相同（P4W、P8W、P1Y）。然而，胚胎和新生小鼠的这些成分与成年小鼠的完全不同。

 

 

2、CRM存在4种不同亚型

高度异质的CRMs群体在维持心脏内环境稳定、去除衰老或死亡细胞以及调节心脏发育方面发挥重要作用。CRM的这些功能与心脏发育的特定表型和阶段密切相关。为了揭示心脏发育过程中CRM的进化和表型特性，首先根据常见的细胞表面标记，鉴定出四种巨噬细胞，分别为：CX3CR1+CCR2-Ly6C-MHCⅡ-（MP1），CX3CR1 lowCCR2lowLy6C-MHCⅡ-（MP2），CX3CR1-CCR2+Ly6C+MHCII-（MP3）和CX3CR1+CCR2-Ly6C-MHCⅡ+（MP4）。在E18D和P7D，MP1是优势亚群。然而，它们在出生后第7天突然减少。相反，MP4细胞在P4W出现（可能在出生后7天出现），并持续到整个成年期。

 

 

3、来源于胚胎和新生小鼠的MP1亚群通过Jagged-1-Notch1轴直接促进心肌细胞增殖

为了进一步分析四种巨噬细胞的功能，作者对四种巨噬细胞进行GO富集分析，结果表明，MP1亚群功能主要与发育、再生功能有关，包括有丝分裂、细胞分化、血管生成等。相反，MP4亚群主要参与炎症途径（T细胞活化、抗原加工和呈递等）， 并且参与增殖途径的负向调节。免疫荧光染色表明：来自胚胎和新生小鼠的CRM在促进心肌细胞增殖方面比来自成年小鼠的细胞具有更显着的作用。

 

 

接下来，作者利用CellphoneDB对生物学相关的配体-受体相互作用对进行分析，结果表明Jagged-1 Notch轴在细胞通讯中发挥潜在作用。RT-qPCR进一步显示Notch1主要在新生小鼠心脏中表达。此外，流式细胞术还表明，胚胎和新生小鼠CRM中Jagged-1表达高于成年小鼠。

 

 

4、MP1簇具有不同的衍生物和多种功能群体

接下来，为了阐明MP1的特征。作者通过拟时分析，模拟CRM子集在心脏发育过程中的轨迹变化。作者发现胚胎和新生儿来源的CRM（MP1）含有多种不同表达模式的亚群，例如MP1-I中上调的基因显着富集与ECM相关的生物学行为。而MP1-III和MP1-IV表现出与免疫应答相关的改变。这些数据表明MP1簇具有不同的功能和衍生（来自卵黄囊，胎肝和骨髓）。而在成年小鼠中，CRM的功能则很单一。此外作者还发现，在个体发育过程中，MP1可以转化为MP4，这一过程由细胞氧化还原状态的变化触发。

 

 

研究结论

心脏驻留巨噬细胞（CRM）在体内平衡，心脏功能和重塑中起重要作用。虽然CRM在新生小鼠的心脏再生中起关键作用，但它们的作用尚未完全阐明。因此，这项研究旨在探讨CRM在心脏个体发育过程中的动态变化，分析CRM在促进心脏再生中的表型和功能特性。在小鼠心脏个体发育过程中，次存在4个CRM亚群：CX3CR1+CCR2-Ly6C-MHCⅡ-（MP1），CX3CR1 lowCCR2lowLy6C-MHCⅡ-（MP2），CX3CR1-CCR2+Ly6C+MHCII-（MP3）和CX3CR1+CCR2-Ly6C-MHCⅡ+（MP4）。

 

MP1簇具有不同的衍生物（卵黄囊，胎肝和骨髓）和多种功能群体。胚胎和新生儿来源的MP1通过Jagged-1-Notch1轴直接促进心肌细胞增殖，并显着改善了心肌梗塞后的心脏损伤；MP2/3亚群可以在整个成年期存活；MP4是成年小鼠心脏中的主要群体，能够导致炎症。在个体发育过程中，MP1可以转化为MP4，这一过程由细胞氧化还原状态的变化触发。这些发现描绘了CRM在生理条件下的进化动力学，并发现胚胎和新生儿衍生的CRM调节心肌细胞增殖的直接证据，这项研究结果也揭示了损伤后的心脏修复。

欧易生物提供了该项目的单细胞转录组测序实验和分析工作，并特别致谢了欧易生物巴永兵在分析中提供的帮助。

原文链接：DOI: 10.1016/j.apsb.2022.08.016

 

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