心臟是一對(duì)具有瓣膜的肌性泵聯(lián)合而成的器官，左心和右心又可單獨(dú)分為左心房和左心室，右心房和右心室。結(jié)構(gòu)上，這兩個(gè)泵的纖維肌性網(wǎng)和傳導(dǎo)組織相互交互在一起，但每個(gè)泵（左心和右心）在生理功能上是分開(kāi)的，形成了兩套不同途徑的雙循環(huán)。
心臟主要由心房、心室、冠狀動(dòng)脈、纖維環(huán)、心臟瓣膜等組成。心臟中除了心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞等主要細(xì)胞外，還有免疫細(xì)胞（Immune cells)及神經(jīng)元細(xì)胞(Neuron)等[1]。
如果把心臟比喻成房屋，房屋的基本結(jié)構(gòu)便是心房和心室，心臟瓣膜則是房屋的門(mén)戶，無(wú)法觀察的電傳導(dǎo)系統(tǒng)則是房屋的電路系統(tǒng)，任何部位出現(xiàn)問(wèn)題均可能引起心臟相關(guān)疾病，包括心肌病、心臟瓣膜病、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病和先天性心臟病等。
單細(xì)胞測(cè)序可以構(gòu)建心臟發(fā)育圖譜和細(xì)胞圖譜，探究心臟相關(guān)疾病細(xì)胞的異質(zhì)性和微環(huán)境，進(jìn)一步探索不同疾病的發(fā)病機(jī)制，為疾病的預(yù)防和治療提供新的思路。下面小編就帶大家一起看下單細(xì)胞測(cè)序在心肌病樣本中的應(yīng)用實(shí)例吧！
致病變異破壞心肌病中的細(xì)胞組成和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄
心力衰竭病癥是由一系列不同的心血管疾病匯集所形成的嚴(yán)重后果，其中擴(kuò)張型心肌疾病（Dilated cardiomyopathy，DCM）的特征是左室擴(kuò)張并伴有纖維化，而心律失常性心肌病（Arrhythmogenic cardiomyopathy，ACM）則是右心室擴(kuò)張伴隨脂肪變性，二者都會(huì)引起心室功能障礙。本文通過(guò)單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（snRNAseq）對(duì)來(lái)自18例健康人群和61例心力衰竭患者的心室組織進(jìn)行了研究，評(píng)估心肌疾病中心臟細(xì)胞類(lèi)型以及狀態(tài)的變化，確定了不同基因型中常見(jiàn)心力衰竭癥狀的分子反應(yīng)機(jī)制，為心力衰竭研究提供了候選治療靶點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)組來(lái)自于61例心肌病患者的左心室和右心室組織，并選取18例健康人的左心室和右心室組織作為對(duì)照組，取樣部位為心臟的左室游離壁，左室心尖，左室間隔以及右室游離壁組織。
主要研究結(jié)果
1.細(xì)胞類(lèi)型鑒定
聚類(lèi)鑒定出10種主要的細(xì)胞類(lèi)型：心室心肌細(xì)胞(CMs)、成纖維細(xì)胞(FBs)、脂肪細(xì)胞(ADs)、周皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞（壁細(xì)胞、MCs）、內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)、免疫細(xì)胞(髓系和淋巴細(xì)胞)、神經(jīng)元(NCs)和肥大細(xì)胞，進(jìn)一步可細(xì)分為71種不同的細(xì)胞轉(zhuǎn)錄狀態(tài)[2]。
2.與疾病相關(guān)的細(xì)胞類(lèi)型組成變化
分別對(duì)左心室、右心室的細(xì)胞類(lèi)群分析進(jìn)行分析；發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞并沒(méi)有在LVs和RVs的患病組中顯著增加推斷組織病理學(xué)所表現(xiàn)的纖維化并不是增殖產(chǎn)生的。
3.不同類(lèi)型細(xì)胞亞群細(xì)分
對(duì)心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、周皮細(xì)胞&平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、髓系細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、脂肪細(xì)胞分別進(jìn)行了亞分群，并對(duì)每一個(gè)亞分群的不同基因型間的細(xì)胞亞群狀態(tài)、不同基因型間的DEG進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
4.GWAS相關(guān)基因在心肌病中的差異表達(dá)分析
從之前研究鑒定的15個(gè)DCM位點(diǎn)中篩選了候選基因，并分析了其在不同細(xì)胞類(lèi)型和基因型的表達(dá)差異。
5.預(yù)測(cè)細(xì)胞間相互作用
對(duì)在所有心肌病基因型中檢測(cè)到的異常細(xì)胞間信號(hào)進(jìn)行匯總，探索在各基因型中特異性表達(dá)的信號(hào)通路，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞間相互作用的異質(zhì)性分析。
使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法graph attention network(GAT)，基于4種主要的左心室細(xì)胞(心肌細(xì)胞，成纖維細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞，髓系細(xì)胞)的多項(xiàng)轉(zhuǎn)錄表達(dá)模式，對(duì)待測(cè)數(shù)據(jù)的基因型進(jìn)行分類(lèi)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基因型如LMNA, TTN, RBM20, PKP2和PVneg。
結(jié) 論
從心力衰竭病人以及健康人體的心室和健康的心室分離出881,081個(gè)細(xì)胞核，并從中確定了10種主要的細(xì)胞類(lèi)型和71種不同的細(xì)胞轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。心力衰竭的心臟中纖維化是由于成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的改變導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)的重塑，提示心肌功能、代謝異常加劇。心力衰竭相關(guān)心肌組織的細(xì)胞類(lèi)型組成和轉(zhuǎn)錄圖譜因疾病組基因型的特異性而異，通過(guò)探索特定的致病變異驅(qū)動(dòng)心臟功能障礙為個(gè)性化治療心肌病和心力衰竭提供新視角。
【參考文獻(xiàn)】
1.Judy R. Sayers and Paul R. Riley. Heart regeneration: beyond new muscle and vessels. Cardiovasc Res. 2021 Feb 22;117(3):727-742
2. Reichart D, Lindberg EL, Maatz H, et al. Pathogenic variants damage cell composition and single cell transcription in cardiomyopathies. Science. 2022;377(6606):eabo1984.