编译：杨峰，编辑：夏甘草、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
心肌肥厚有时会作为对压力超负荷、容积超负荷或梗死后重塑引起的左心室（LV）壁应力增加的代偿反应出现。然而，在长期的疾病应激诱导的心肌肥大之后，心力衰竭（HF）常伴有左心室肥厚、扩张和心肌纤维化。从代偿性肥大到HF的过程涉及多种细胞类型之间的复杂相互作用，包括通过多种信号途径发挥作用的心肌细胞和非心肌细胞。然而HF的多因素性质增加了单纯机械研究设计和解释的难度，但它也为治疗干预提供了多个靶点。因此，只有通过全面的、细胞类型特异性的驱动衰竭心脏中致病性左心室重塑进展的遗传和分子机制评估，才能在分子水平上全面了解HF的发生发展。
原名：Single-Cell Transcriptomics New Insights in Heart Research
译名：单细胞转录组--心脏研究领域的新发现
期刊：Circulation
IF：23.054
发表时间：2020年5月
通讯作者：Zhang Jianyi
作者单位：美国阿拉巴马大学伯明翰分校 工程学院 医学院 生物医学工程系
单细胞RNA测序（scRNA-seq）是一种相对较新的、快速发展的技术，它能全面描述单个细胞的基因表达和相互关系。本期《Circulation》期刊刊登了Ren等人的一篇研究，作者在研究中使用了scRNA-seq来监测心脏细胞从代偿性肥大向HF发展过程中的转录组学景观。通过横向主动脉收缩诱导小鼠肥大，并在随后的时间点早期（0-2周）、中期（2-5周）和晚期（5-11周）采集病理性肥大的样品；然后，通过Langendorff灌注分离心肌细胞和非心肌细胞，并进行了scRNA-seq分析，以探讨每种细胞类型的基因表达动态及其对疾病进展的相应贡献。使用iCell8平台，与其他平台（如10×基因组铬系统）不同，它是通过机器人技术和预制纳米孔进行的，能够将分类偏差降到最低，与心肌细胞和其他大的细胞相容，但效率稍低（且更昂贵）。然而，测序的细胞数量（约11000个）接近其他研究报告的最大值（20000-30000个），并确保即使是极少的细胞类型也能被检测到。因此，这项研究提供了一个了解病理性肥大过程中单个心肌细胞转录活性如何改变的框架，以及一个临床相关的scRNA-seq数据库，这可以用来产生和测试新的假设和潜在的临床干预措施，以有效治疗HF患者。
Fig：在心脏研究领域应用的单细胞/细胞核RNA测序技术的研究概要
解析单个细胞型亚群
scRNA-seq技术将心脏分离成单个细胞，从而提供了一种可用于放大和顺序重建细胞连接和通训路径的工具。Wang等人以前曾使用scRNA-seq技术比较了正常人心脏和终末期心衰患者的基因表达，但他们关注的是心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞之间的相互作用。因此，他们的最新研究是首次大规模评估成年小鼠心脏代偿性肥大和随后发展为代偿失调和HF期间的序列数据。计算分析的发展促进了数据的解释分析，使作者能够描述心脏肥大发展过程中发生的关键事件和阶段；在多个时间点进行scRNA序列分析（而不是传统的批量测序分析），作者能够研究随着左心室功能不全的进展，每种细胞类型的异质性是如何变化的。他们的研究结果表明心肌细胞和成纤维细胞之间的相互作用在压力超负荷的初期下降，随后活化的巨噬细胞通过促进炎症和心脏功能不全而在中期成为主要的细胞成分。严重的左心室功能不全的晚期特征是成纤维细胞和内皮细胞中的分子上调，从而导致纤维化重塑和炎症。高分辨率的scRNA-seq技术还可以导致发现罕见的细胞类群，这些细胞类群可能与目前对特定细胞类型的定义不完全匹配。例如，scRNA-seq技术的研究越来越多地报道了在一小部分心肌细胞中非特异性标记物的表达，Ren等人确定了表达成纤维细胞或内皮细胞标志物的心肌细胞的类群。此外，由于Ren等人所评估的心肌细胞总数比之前的许多研究都要多，因此非特异性标记的数量也更大，也许更可靠，尽管它们仍然很罕见。也可以通过免疫染色、流式细胞术和谱系追踪来评估非抗原标记物的表达，这些通常是为了确认分离细胞的纯度，但对非典型标志物表达相关的功能性后果的研究很少。这些发现还表明，细胞类型不能仅仅通过一个（甚至几个）标记物的表达来确定，因此，用于遗传谱系追踪的标记分子必须谨慎选择。
时间上的影响
在患者中，从肥大到心衰的过程可能会持续数年，因此，治疗必须适应疾病病理生理学的变化。因此，通过定义基因表达、细胞群（和亚群）的活性和数量的阶段性变化，这项研究的结果可以为潜在治疗策略的时机提供指导。研究人员发现了一个主要的巨噬细胞激活事件发生在小鼠心肌肥大的中间阶段，并证实正常、肥厚和HF的人心脏样本的基因表达模式与在小鼠模型中观察到的一致。然而，人体组织中的分析是通过大量的RNA测序技术进行的，因此结果不能归因于单个细胞类型。因此，巨噬细胞亚群的类似改变是否也发生在肥厚和HF的人心脏中尚待证实。作者通过研究证实了巨噬细胞活化过程在肥厚性心脏功能不全中的关键作用，使用抗炎药TD139和arglabin处理，发现对小鼠左室射血分数和缩短分数的影响在中期得到显著改善，而在早期则无明显改善。在中期用dapagliflozin治疗后也观察到类似的改善，这与dapagliflozin的研究一致，它能够显著降低HF患者心衰恶化或死于心血管疾病的风险。Dapagliflozin可以抑制SGLT2（钠葡萄糖转运蛋白2），并被认为可以用于治疗2型糖尿病，但不管是否有糖尿病，它对心血管的益处在患者身上都被观察到。总之，这些观察结果表明，dapagliflozin不仅可以控制血糖，而且还可以作为巨噬细胞开关的抑制剂。
单细胞转录组测序的局限性
从scRNA-seq技术分析中发现的结果的解释分析需要考虑细胞类型选择的偏差，这些偏差可能来自于用于样品制备的技术，例如酶消化，或与所选的scRNA-seq技术平台相关的可能存在的细胞大小的限制。另一项新兴技术，单核RNA-seq测序技术，它可以最大限度地减少这些偏差，但忽略了细胞质中的转录信息，这对于研究某些细胞类型或过程，如细胞分裂，可能是至关重要的。还必须对每个物种的多个个体进行测序，以生成用于数据挖掘应用的综合数据库。随着通过scRNA-seq技术（和其他现代测序技术）生成的数据库在规模和复杂程度上的不断增长，必须开发出更具成本效益、效率更高、更稳健的计算方法，以便于分析解释这些结果。从个体变异的角度来看，为了更好地进行数据挖掘，还需要整合来自不同研究对象的scRNA-seq测序数据。此外，虽然通过计算分析scRNA-seq测序数据所提供的见解可能是新颖和深刻的，并且可以通过其他单细胞组学研究（例如表观基因组学、蛋白质组学和代谢组学）获得额外的信息，但是需要使用更传统的实验技术来严格验证这些结果，需要有更好的方法将scRNA-seq测序分析的结果纳入到基础生物学和临床研究当中。尽管scRNA-seq技术是一种在发育和疾病进展过程中重建细胞轨迹的有效方法，但它并不能保留单个细胞的空间信息。因此，观察到的细胞群体的异质性和动态可能部分归因于解剖位置，而不是仅仅归因于疾病病理，仍不清楚。最近的一项研究通过整合scRNA-seq技术、空间转录组学和原位靶向测序技术评估了心脏不同区域的细胞类型特异性基因表达。这一新兴技术的新组合使作者能够在怀孕后的3个不同时间点获得人类胚胎心脏基因表达的三维图谱。scRNA-seq技术使研究人员能够获得丰富的基因表达数据集，Ren等人的研究利用这一技术全面评估了心脏从代偿性肥大到严重左心室功能障碍过程中心肌细胞和非心肌细胞的转录组。他们的研究结果也证实了巨噬细胞亚型激活在肥厚和功能失调的心脏中先前未被认识的作用，并阐明了当在多个时间点进行scRNA-seq测序分析以研究左心室功能不全过程中基因表达的动态时，可以获得的独特见解。随着单细胞测序技术扩展到包括其他类型的omic数据，并与保留数据时空特征的方法相结合，那么人类对心血管生物学和疾病的理解将继续变得更加完整、精细和广泛。
更多推荐
1 高分综述 | Trends in Biotechnology: 单细胞分辨率下利用空间转录组揭示器官分子结构（国人佳作）
