顾名夏团队揭示心内膜内皮细胞在左心室发育不良综合症中的全新作用

左心室发育不良综合症 (Hypoplastic Left Heart Syndrome, HLHS) 是一种以左侧心腔和主动脉发育不良为表征的一组复杂的先天性心脏病。因为左心室功能缺失可导致代偿性的右心心肌肥厚,肺动脉高压,最终导致心力衰竭而死亡。目前对于HLHS的主要干预手段为手术重构体循环心脏供血结构。若不及时在出生后数小时内进行有效的手术治疗,患者多于出生后48小时内死亡;而即便接受手术治疗的患者,也有接近半数无法存活而最终需要接受心脏移植。同时,HLHS还伴有严重的二尖瓣和主动脉瓣闭锁或者严重狭窄。目前对于HLHS的发病机理尚未明确,故而一直未能研究出更为有效的治疗手段。既往研究表明,HLHS发病与多基因突变和环境因素密切相关。根据血流动力学对于心脏的发育影响,HLHS的左心发育不良还被认为是由二尖瓣闭锁导致血液无法流入心腔,从而无法促进心肌发育、增殖、以及成熟。因此瓣膜结构和功能异常在HLHS的发病过程中也起到了至关重要的作用。
目前,关于HLHS大部分的基础研究工作仍集中在探讨HLHS心肌细胞的表型异常,例如增殖,收缩功能等等。然而,作为一组多心脏结构均受累的复杂先天性心脏病,单纯的心肌细胞功能异常并不足以充分的解释包括瓣膜在内的病理病变。
2020年8月17日,来自美国辛辛那提儿童医院的顾名夏研究组在Cell Stem Cell杂志上发表文章Intrinsic Endocardial Defects Contribute to Hypoplastic Left Heart Syndrome,利用来自于HLHS病人的诱导性多能性干细胞 (Inducible Pluripotent Stem Cells, iPSCs) 以及病人来源的心脏组织,并结合单细胞转录组测序技术 (Single-cell RNA-sequencing,  scRNA-seq)对于这一疾病的发病机制以及潜在治疗靶点进行了深入的研究。此工作由辛辛那提儿童医院的苗一非博士以及斯坦福大学的田垒博士作为共同第一作者完成。
首先,课题组利于scRNA-seq绘制了人类正常胎儿心脏的单细胞转录图谱,并利用磁珠筛选技术首次呈现了高分辨率的心脏内皮单细胞转录图谱。借鉴美国儿科心脏基因组研究组(Pediatric Cardiac Genomic Consortium, PCGC)对于HLHS的遗传学研究,课题组惊讶地发现大部分与HLHS相关的基因组全新变异 (de novo mutations)并不表达于被领域关注的心肌细胞,而是高表达于心内膜 (Endocardium) 和冠状动脉内皮细胞 (Coronary Endothelial Cells, CECs)中。在心脏发育过程中,心内膜内皮可以通过内皮-间充质细胞转化过程(Endothelial-Mesenchymal Transition, EndoMT)形成心脏瓣膜的结构,同时也可通过旁分泌的作用影响心肌细胞的正常发育。因此,心内膜内皮细胞可能为理解HLHS的发病机制提供全新的思路。
为研究心内膜内皮在HLHS病人中的功能,课题组将HLHS病人来源的iPSCs分化成为具有心内膜内皮和冠状动脉内皮的混合型内皮细胞 (iPSC-ECs) 并进一步进行单细胞测序。他们发现心内膜内皮相关基因在HLHS病人iPSC-ECs,纯化的iPSC来源心内膜内皮,以及病人心脏组织切片中都显著降低。并且,这些纯化的心内膜内皮显示出明显与瓣膜/心脏发育相关的功能缺失,例如EndoMT, NOTCH通路,细胞外基质生成,细胞粘附功能,以及血管新生。此外,他们还利于体外共培养技术证实了HLHS病人iPSC来源的心内膜内皮可抑制正常心机细胞的增殖以及收缩功能。
为进一步验证在体外iPSC-EC中的发现,课题组对于一例左心发育不良 (Underdevelopment Left Heart, ULV)的胎儿心脏进行了单细胞测序。通过与之前正常胎儿心脏以及iPSC-ECs的测序结果交叉分析,他们发现Fibronectin 1 (FN1) 在HLHS发病中起到至关重要的作用。FN1的基因和蛋白表达水平不仅在HLHS病人心内膜内皮显著降低,抑制其表达还可破坏正常人心内膜内皮和iPSC来源心肌细胞的功能。而外源性添加FN1则可明显改善HLHS病人iPSC来源心肌细胞功能的损伤。此外,PCGC结果提示ETS1基因突变与HLHS发病有直接联系。与FN1相似,课题组发现ETS1在HLHS病人心内膜内皮显著下降并通过表观遗传学机制调控心内膜内皮相关基因的启动子和增强子活性。与Georgia Institute of Technology的Shuyi Nie教授的合作进一步证实,在体非洲爪蟾心脏特异性敲除ETS1基因既可以抑制心内膜FN1的表达,心室腔容积也显著降低。
综上所述,课题组通过使用单细胞测序技术以及病人特异性iPSC以及心脏样本对于心内膜内皮在HLHS的发病过程中起到的重要作用进行了详细的阐述,同时发现了多个关键性治疗靶点。此外,课题组还将iPSC-EC以及人胎儿心脏细胞scRNA-seq数据上传到单细胞测序搜索平台以进行共享。
https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1021/single-cell-rna-seq-of-normal-human-fetal-heart ;
https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1020/single-cell-rna-seq-of-ipsc-derived-endocardium-endothelium-from-hypoplastic-left-heart-syndrome-patient
此外,该课题组目前有多个博士后以及科研助理职位空缺,欢迎有心血管和生物信息学分析背景的同学加入。实验室主要使用single cell RNA-seq, single cell ATAC-seq,Spatial Transcriptomics analysis,病人特异性iPSC,以及iPSC来源的类器官平台对于儿童先天性肺部疾病和心脏病进行系统研究。辛辛那提儿童医院为全美排名第三的儿童医院,重视有转化意义的基础科研,病人样本丰富,实验室经费充足,并可提供良好的科研训练环境。有兴趣者欢迎联系:[email protected] 或添加微信(注明目的):
原文链接:https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.07.015
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