单细胞测序技术在心脏疾病研究中的应用
前言
单细胞技术近年在医学及生物学领域如火如荼地发展 ，关于单细胞测序技术在心脏疾病研究中的应用，相关报道也颇多。目前，随着国民生活压力的增加，不健康生活方式的日益突出，心脏疾病对国民身体健康的影响也越来越大。美国心脏协会的数据显示，心脏病已成为全球死亡的主要原因。心脏发育过程中细胞类型的异质性使得使用传统的发育生物学技术研究心脏病变得困难。单细胞RNA测序（scRNA-seq）的出现使心脏研究人员有机会以前所未有的细胞分辨率解析心脏生物学，揭示了心脏系统的细胞异质性、发育轨迹、细胞间通讯，从而为研究心脏疾病做出了重大贡献。近期也有很多文章，报道有关单细胞测序技术在心脏疾病中的应用。
文献1
A transcriptional switch governs fibroblast activation in heart disease
本篇文章揭示了BET抑制剂是成纤维细胞激活的可逆转录开关，并揭示了以前未描述的DNA元素，其可及性与心脏功能动态相关。作者将MEOX1确定为与心功能障碍相关的成纤维细胞激活的中枢调节剂，并证明其在激活人肺，肝和肾成纤维细胞后上调。组织成纤维细胞中MEOX1的BET依赖性调节的可塑性和特异性为治疗纤维化疾病提供了以前未知的反式和顺式靶点。
文献2
Single-cell RNA sequencing of peripheral blood mononuclear cells from acute Kawasaki disease patients
川崎病（KD）是发达国家儿童获得性心脏病最常见的病因。本文使用单细胞RNA测序，分析了静脉注射免疫球蛋白治疗前后7名急性KD患者和3名年龄匹配的健康对照者的外周血单核细胞。在单核细胞中发现了差异表达最多的基因，在急性KD中，促炎症介质、免疫球蛋白受体高表达，MHC II类基因低表达。对另外16名KD患者的细胞进行的单细胞RNA测序和流式细胞术分析表明，尽管治疗后总B细胞的百分比显著降低，但B细胞中浆细胞的百分比显著增加。与健康对照组相比，急性KD患者的CD8 T细胞百分比降低。治疗后观察到B细胞受体和T细胞受体的寡克隆扩增。本文确定了每种细胞类型变化潜在的生物过程，先天性和适应性免疫反应的单细胞景观为KD的发病机制和治疗提供了见解。
文献3
A human cell atlas of the pressure-induced hypertrophic heart
本文通过使用大规模单核转录组学，揭示了人类心肌细胞对主动脉瓣狭窄引起的压力超负荷的转录反应，并描述了心肌细胞串扰的主要改变。肥大的心肌细胞减少了内皮细胞和成纤维细胞的输入。编码Eph受体酪氨酸激酶的基因，尤其是EPHB1，在肥大心脏的心肌细胞中显著下调。EFNB2在体外抑制心肌细胞肥大，同时在共同培养的心肌细胞中沉默其在内皮细胞诱导的肥大中的表达。本文肥大心脏人体细胞图谱强调了细胞间串扰在疾病发病机制中的重要性，并提供了宝贵的资源。
近期有一篇最新关于单细胞测序技术在心力衰竭研究中的应用，相关研究结果发表在22年3月16日Nature Cardiovascular Research期刊上，标题为“Single-cell transcriptomics reveals cell-type-specific diversification in human heart failure”。下面我们从研究背景、方法流程、研究结果以及研究结论与展望来讨论关于单细胞测序技术在心力衰竭研究中的应用。
研究背景
心力衰竭是全球发病率和死亡率的主要原因，给医疗系统带来了巨大的成本。尽管患者护理不断进步，但心力衰竭仍然普遍存在（终生风险为20-45%），约有50%的心衰患者在确诊后5年内死亡。单细胞转录组学彻底改变了我们对细胞组成和相关基因表达的理解，识别细胞特异性疾病相关计划可能为开发心力衰竭新方法提供必要的见解和机会。
方法流程
综合分析来自27名健康供体和18名扩张型心肌病（DCM）患者的snRNA-seq和scRNA-seq测序数据，包括220，752个细胞核和49，723个细胞。使用10X Genomics 5ʹ单细胞平台，对来自左心室（LV）尖端和前端的跨壁心肌样品进行snRNA-seq（n=38）或scRNA-seq（n=7）处理。
研究结果
1.snRNA-seq和scRNA-seq揭示了人类心脏的细胞景观
在snRNA-seq和scRNA-seq数据集中鉴定的细胞类型包括成纤维细胞，内皮细胞，巨噬细胞，周细胞，平滑肌细胞，T细胞和自然杀伤（NK）细胞，神经元/神经胶质细胞和B细胞。snRNA-seq可以获得更多的细胞类型，包括心肌细胞，脂肪细胞，心内膜细胞，淋巴细胞，心外膜细胞和肥大细胞。
2. 扩张型心肌病心肌细胞表型聚集
无监督聚类鉴定了七种具有不同基因表达特征的心肌细胞状态。健康供体的心肌细胞存在于以MYH6（Cm1），ACTA1（Cm2），MYL7（Cm3），ADGRL3（Cm4），GRIK2（Cm5），NPPA / NPPB（Cm6）和BMPR1B（Cm7）表达为标记的所有7个状态中。DCM样本聚类结果显示：更多显示为 Cm4，比较发现，Cm6显著增加，Cm1、Cm5显著减少。
拟时序分析发现，健康供体中Cm2和Cm3处于高度分化的细胞状态。相比之下，DCM显示Cm4和Cm6截然不同的高度分化的细胞状态。总的来说，这些结果表明，DCM中与疾病相关的心肌细胞表型趋同。
3. 单核细胞扩增和炎症性巨噬细胞多样化
作者共确定了两个巨噬细胞群体，表达组织驻留标志物的亚群Mac1以及表达趋化因子和细胞因子的子集Mac2。与对照组相比，DCM供体增殖巨噬细胞减少，单核细胞和树突状细胞扩增。DCM中组织驻留巨噬细胞特征的减少和炎症巨噬细胞特征的增加。
研究发现，在DCM中沿着巨噬细胞轨迹具有中间分化状态的细胞的积累。这些细胞属于中间单核细胞簇，是单核细胞衍生的。转录因子分析确定了炎症巨噬细胞状态，在各个状态中特异性富集途径包括参与炎症，干扰素和白细胞介素信号传导的途径。说明单核细胞来源的巨噬细胞与DCM炎症之间的联系。
4. 成纤维细胞在扩张型心肌病中的多样化
在供体对照组和DCM心脏中发现了大量的心脏成纤维细胞。数据分析揭示了多个不同的成纤维细胞群体。发现DCM中POSTN，MEOX1 / 2，TLL1，EDNRA和FRZB的上调。Meox1可调节压力后小鼠心脏中的成纤维细胞活化，改善小鼠的心肌纤维化。TLL1调节成熟的胶原蛋白形成，并与冠状动脉疾病有关。这些说明成纤维细胞的表型变化是心力衰竭的标志。
5. 内皮细胞在扩张型心肌病中表现出全局基因表达变化
心脏内的内皮细胞包括动脉、静脉、毛细血管、淋巴细胞和心内膜细胞。血管内皮细胞和心内膜细胞显示出不同的转录特征并分别聚集。从scRNA-seq数据中发现心内膜（Ecd1和Ecd2）或淋巴（Ec4）细胞很少。内皮细胞群的定量显示DCM中动脉内皮细胞（Ec3）的增加和心内膜细胞状态的转变。结果表明，内皮细胞表现出全局转录转移，而细胞复杂性没有变化。
研究结论与展望
结论与意义：对人类心力衰竭的细胞和转录组学景观进行了全面分析，确定了细胞类型特异性转录与疾病相关的细胞状态，并为研究人类心力衰竭提供了宝贵的资源。
展望：DCM的确切病因可能促进细胞多样性和转录状态的变化。本篇研究数据集仅包含转录组学信息，添加细胞表面蛋白表达和染色质可及性信息可能提供更高的分辨率。
总结
总之，这项研究代表了对健康和衰竭人类心脏的细胞和转录组学景观的大量分析。为心力衰竭期间心脏细胞群如何变化提供了有价值的见解，包括疾病特异性细胞状态的出现。这些数据提供了宝贵的资源，将为治疗开发和创新开辟新的研究领域和机会。
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