《自然》子刊重磅：HeartMap單核轉(zhuǎn)錄組圖譜發(fā)布，解碼240萬(wàn)心臟細(xì)胞的疾病信號(hào)

盡管現(xiàn)代醫(yī)學(xué)在治療心臟病方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但心臟作為一個(gè)極其復(fù)雜的器官，其內(nèi)部細(xì)胞層面的運(yùn)作機(jī)制依然充滿了未解之謎。為了真正理解心血管疾病的復(fù)雜性，科學(xué)家們必須深入到細(xì)胞的微觀世界，去解剖心臟的細(xì)胞景觀。

近期，發(fā)表在《NatureCardiovascularResearch》（自然-心血管研究）上的一項(xiàng)突破性研究，為我們提供了一張前所未有的心臟導(dǎo)航圖。由Broad研究所和麻省總醫(yī)院等機(jī)構(gòu)的研究人員共同開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)名為“HeartMap”的綜合細(xì)胞圖譜，首次將人類成年心臟的單核RNA測(cè)序數(shù)據(jù)提升到了數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的宏大規(guī)模。這項(xiàng)研究不僅為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了寶貴的開(kāi)源工具，更為未來(lái)心血管疾病的靶向治療和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)鋪平了道路。

研究速覽·AI生圖

以前所未有的規(guī)模繪制心臟版圖

隨著單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq）和單核RNA測(cè)序（snRNA-seq）技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)家們現(xiàn)在能夠以前所未有的分辨率，對(duì)人類器官在各種疾病狀態(tài)下的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行深度分析。這些圖譜使研究人員能夠大規(guī)模地探究細(xì)胞群，從而識(shí)別出與疾病相關(guān)的基因、細(xì)胞間的相互作用，以及用于疾病檢測(cè)的生物標(biāo)志物。

然而，單一的研究往往存在局限性。不同的測(cè)序方案、數(shù)據(jù)預(yù)處理流程以及分析方法，常常會(huì)引入被稱為“批次效應(yīng)”的技術(shù)噪音，這在很大程度上掩蓋了真實(shí)的生物學(xué)信號(hào)。為了克服這一難題，HeartMap項(xiàng)目整合了來(lái)自9項(xiàng)獨(dú)立研究（包含8項(xiàng)已發(fā)表研究和1項(xiàng)未發(fā)表研究）的數(shù)據(jù)。

HeartMap的規(guī)模令人驚嘆：它涵蓋了超過(guò)240萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核，樣本來(lái)自209位個(gè)體，覆蓋了心臟的8個(gè)不同解剖區(qū)域，并囊括了7種疾病和健康狀態(tài)。這些疾病狀態(tài)包括擴(kuò)張型心肌?。―CM）、肥厚型心肌?。℉CM）、缺血性心肌?。↖CM）、致心律失常性右室心肌?。ˋRVC）、急性心肌梗死（AMI）、冠狀動(dòng)脈疾病合并心力衰竭（CAD-HF），以及非衰竭的健康對(duì)照組。

HeartMap組成示意圖，直觀呈現(xiàn)了這248萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核在14種主要細(xì)胞類型中的分布情況。

算法破局：消除數(shù)據(jù)整合中的“噪音”

構(gòu)建如此龐大的圖譜，最大的挑戰(zhàn)在于如何消除不同實(shí)驗(yàn)室和不同測(cè)序批次帶來(lái)的技術(shù)差異。研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)堆砌在一起，而是對(duì)包括Harmony、Scanorama、scVI和scANVI在內(nèi)的多種先進(jìn)的批次校正方法進(jìn)行了嚴(yán)格的對(duì)比和評(píng)估。

經(jīng)過(guò)單細(xì)胞整合基準(zhǔn)測(cè)試（scIB）的全面評(píng)估，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，scANVI在保留真實(shí)生物學(xué)信號(hào)的同時(shí)，表現(xiàn)出了最佳的批次校正效果。通過(guò)重新處理原始數(shù)據(jù)并應(yīng)用scANVI，HeartMap成功地將不同個(gè)體的細(xì)胞混合在一起，揭示了真正由疾病驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)錄組變化，而非技術(shù)誤差。

使用scANVI對(duì)HeartMap圖譜進(jìn)行批次校正的效果對(duì)比。a-c展示了未進(jìn)行批次校正時(shí)的UMAP投影（分別按個(gè)體、細(xì)胞類型和研究來(lái)源著色），呈現(xiàn)出明顯的批次聚集現(xiàn)象；d-f展示了使用scANVI校正后的UMAP投影，細(xì)胞類型得到了完美的融合與解析，消除了研究來(lái)源帶來(lái)的技術(shù)偏差 。

疾病重塑了心臟的細(xì)胞生態(tài)

通過(guò)對(duì)這240多萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核進(jìn)行精細(xì)聚類，HeartMap成功識(shí)別出了52個(gè)亞群，它們代表了人類心臟組織中14種常見(jiàn)和罕見(jiàn)的細(xì)胞類型。其中，數(shù)量最龐大的細(xì)胞群包括：

• 心室心肌細(xì)胞（VentricularCM）：約72.5萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核，分為13個(gè)亞群。

• 成纖維細(xì)胞（Fibroblast）：約59萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核，細(xì)分為29個(gè)亞群。

• 內(nèi)皮細(xì)胞（Endothelium）：約32.9萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核，分為5個(gè)亞群。

• 周細(xì)胞（Pericyte）與巨噬細(xì)胞（Macrophage）：分別包含約27.8萬(wàn)和21.5萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核。

研究揭示了疾病狀態(tài)下心臟細(xì)胞組成的顯著改變。例如，數(shù)據(jù)清晰地顯示，與健康的對(duì)照組心臟相比，在擴(kuò)張型心肌?。―CM）、肥厚型心肌?。℉CM）等慢性疾病狀態(tài)下，心肌細(xì)胞的比例出現(xiàn)了顯著的下降。此外，在心室心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等常見(jiàn)細(xì)胞類型中，研究人員發(fā)現(xiàn)了數(shù)量最多的差異表達(dá)基因，這表明這些細(xì)胞在心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中扮演著核心的“響應(yīng)者”角色。

不同疾病狀態(tài)下的細(xì)胞類型構(gòu)成。箱線圖展示了所有心室樣本中各類細(xì)胞比例的分布情況。圖中不同顏色代表不同的疾病狀態(tài)（如DCM、HCM、對(duì)照組等），清晰地顯示了在患病和慢性心衰狀態(tài)下心肌細(xì)胞比例的顯著下降 。

聚焦擴(kuò)張型心肌?。―CM）：尋找跨研究的共同基因特征

跨多項(xiàng)研究比較疾病相關(guān)基因，能夠有效過(guò)濾掉單一研究中的背景噪音，從而鎖定最核心的疾病驅(qū)動(dòng)基因。在HeartMap中，研究人員特意挑選了包含DCM晚期患者和健康對(duì)照組的三項(xiàng)獨(dú)立研究（Chaffin等、Reichart等和Koenig等）進(jìn)行了深度對(duì)比分析。

結(jié)果令人振奮：在心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和心內(nèi)膜細(xì)胞中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一組在三項(xiàng)獨(dú)立研究中均表現(xiàn)出強(qiáng)烈上調(diào)或下調(diào)的標(biāo)志性基因。

• 心室心肌細(xì)胞中的致病信號(hào)：多個(gè)基因在DCM中一致上調(diào)，例如與張力減退和運(yùn)動(dòng)障礙綜合征相關(guān)的UNC80基因，以及編碼補(bǔ)體5主要受體的CSAR1基因，后者被認(rèn)為通過(guò)引發(fā)炎癥參與了DCM的進(jìn)展。此外，作為心力衰竭經(jīng)典生物標(biāo)志物的NPPA和NPPB也呈現(xiàn)出高度上調(diào)。

• 抗纖維化防線的崩潰：BMP7基因在三項(xiàng)研究的DCM樣本中均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的下調(diào)。既往研究表明，BMP7的激活可以抑制心臟纖維化，它的缺失可能加速了心臟結(jié)構(gòu)的惡化。

• 成纖維細(xì)胞與周細(xì)胞的改變：在這些細(xì)胞中，ADAMTS4等基因的表達(dá)受到顯著抑制。阻斷該基因通常能減少轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGFβ的釋放，從而防止心臟纖維化，這一發(fā)現(xiàn)為理解心臟的微環(huán)境重塑提供了新線索。

DCM與健康對(duì)照組在多項(xiàng)研究中差異表達(dá)基因的重疊情況。韋恩圖展示了在Chaffin、Reichart和Koenig三項(xiàng)研究中，針對(duì)心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等不同細(xì)胞類型，具有強(qiáng)烈差異表達(dá)（|log FC| > 1.5）基因的交集。交集部分代表了極其可靠的DCM疾病相關(guān)基因 。

最大的突破：發(fā)現(xiàn)引發(fā)心衰的“活躍”成纖維細(xì)胞群

HeartMap最引人注目的發(fā)現(xiàn)之一，在于對(duì)成纖維細(xì)胞（Fibroblast）的深度解析。成纖維細(xì)胞是心臟中的“建筑工人”，負(fù)責(zé)維護(hù)心臟的結(jié)構(gòu)框架；但在疾病狀態(tài)下，它們可能發(fā)生異變，導(dǎo)致有害的組織疤痕化/纖維化。

研究團(tuán)隊(duì)將包含近59萬(wàn)個(gè)細(xì)胞核的成纖維細(xì)胞群細(xì)分為了29個(gè)亞群。其中，亞群3、7和24引起了科學(xué)家們的高度關(guān)注，因?yàn)樗鼈兏弑磉_(dá)POSTN和FAP等經(jīng)典基因，被明確定義為“激活狀態(tài)的成纖維細(xì)胞”。進(jìn)一步的分析揭示了兩個(gè)截然不同且高度特異的活躍細(xì)胞群：

1. 1.

   富含COL22A1的成纖維細(xì)胞（亞群3）：這一細(xì)胞群在擴(kuò)張型心肌病（DCM）患者中顯著增多。其上調(diào)基因富集于骨骼系統(tǒng)發(fā)育、膠原原纖維組織等通路。

2. 2.

   富含TNC的成纖維細(xì)胞（亞群7）：這一細(xì)胞群則更多地與血管發(fā)育、血管形態(tài)發(fā)生以及傷口愈合反應(yīng)相關(guān)。此前的研究曾指出，TNC基因與心肌梗死后不良的心臟重塑密切相關(guān)。

為了證實(shí)這些計(jì)算預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)不僅停留在數(shù)據(jù)層面，還通過(guò)RNAscope原位雜交技術(shù)，在真實(shí)的缺血性心肌?。↖CM）等實(shí)體組織樣本中驗(yàn)證了這兩種不同成纖維細(xì)胞群體的真實(shí)存在。

明確這些特定的成纖維細(xì)胞亞群，代表著心血管疾病治療向前邁出了關(guān)鍵一步。如果我們能夠精確定位并干預(yù)這些導(dǎo)致有害疤痕形成的特定細(xì)胞群，就有望從根本上逆轉(zhuǎn)或延緩心力衰竭的進(jìn)程。

基于亞群聚類和組成分析的成纖維細(xì)胞研究，a圖展示了59萬(wàn)余個(gè)成纖維細(xì)胞核的UMAP聚類（共29個(gè)亞群）；b和c圖展示了富含COL22A1的亞群（cluster3）和富含TNC的亞群（cluster7）的特異性基因表達(dá)譜；e圖則提供了這兩種激活的成纖維細(xì)胞群在人類心臟組織切片中的RNAscope原位雜交驗(yàn)證圖像。

結(jié)語(yǔ)

“HeartMap”作為迄今為止用于研究人類成人心臟病的最大單核轉(zhuǎn)錄組圖譜，標(biāo)志著心血管科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)極高分辨率的新紀(jì)元。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)重處理和多圖譜整合，它為全球科學(xué)家提供了一個(gè)統(tǒng)一、規(guī)范的研究基準(zhǔn)。

這不僅僅是一組龐大的數(shù)據(jù)，它更像是一本詳盡的心臟“細(xì)胞百科全書(shū)”。從揭示不同疾病間的轉(zhuǎn)錄特征差異，到精準(zhǔn)定位導(dǎo)致心臟纖維化的特定“搗亂分子”（如高表達(dá)COL22A1或TNC的成纖維細(xì)胞群），HeartMap正在幫助醫(yī)學(xué)界撥開(kāi)重重迷霧。隨著這一開(kāi)源圖譜被更多研究者使用，基于單細(xì)胞級(jí)別的生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)和下一代靶向治療藥物的研發(fā)，將迎來(lái)一片前所未有的廣闊天地。

參考文獻(xiàn)

Datar Y, Chaffin M, Simonson B, et al. An integrated cell atlas of 2.4 million cardiac cells across 209 individuals in health and disease[J]. Nature Cardiovascular Research, 2026: 1-14.