心臟病是全球主要的死亡原因(1)，心臟病發作后的慢性心力衰竭通常是由瘢痕組織形成引起的，而目前在這種疾病的治療上仍然存在缺口，反映了我們對心臟如何愈合的過程缺乏了解。

幸運的是，心血管研究近來受益于單細胞技術，這些技術使得新想法和新發現不斷涌現。為了突出深入了解心臟病、疾病進展以及潛在新療法的重要性，我們在這篇文章中重點介紹了一篇在單細胞水平上挖掘心臟病發作背后機制的論文。這篇論文結合單細胞基因表達、染色質可及性圖譜和空間轉錄組學來描繪康復心臟的圖譜，展示了整合多種10x Genomics分析后的發現力量。

心臟病發作后的心臟重塑是一個涉及到多個移動元件的過程，主要包括免疫細胞追蹤到損傷部位、肌成纖維細胞的激活，以及瘢痕組織和新血管的形成(2)。

Christoph Kuppe博士是2019年Visium空間基因表達科學挑戰賽的首位獲勝者，目前在德國亞琛工業大學組建了自己的實驗室。他一直對心臟組織損傷后如何自我修復的研究很感興趣，于是整合了多組學分析來建立心肌梗死（MI）后心臟恢復的單細胞空間圖譜。

研究人員采用Chromium單細胞基因表達、Chromium單細胞ATAC（染色質轉座酶可接近性分析）和Visium空間基因表達分析，在空間背景下表征了各個階段MI患者與健康對照相比的細胞狀態(3)。這篇論文作為一個基礎性的參考資源，為進一步深入研究心臟損傷、修復和纖維化打下了基礎。

#01: 構建一張多組學空間圖譜

正常的細胞功能不僅取決于單個細胞的活動；它們如何與周圍的細胞互動也很重要。因此，盡管單細胞技術可以表征細胞異質性，但了解疾病狀態下的空間背景對于鑒定與疾病進展相關的通路至關重要，這些通路有望成為治療靶點。

在這項工作中，Kuppe博士的團隊在心臟病發作后的不同時間點，從23名急性心肌梗死患者及對照身上共采集了31個心臟樣本，包括壞死區（缺血區和邊緣區）和未受影響的左心室心肌（遠端區）。他們還采集了心肌梗死晚期的人類心臟樣本（纖維化區），這些樣本顯示了缺血性心臟病。對于每個心臟樣本，他們開展了Visium空間基因表達分析、單細胞核RNA測序（snRNA-seq）和單細胞核ATAC測序（snATAC-seq）。

在整合數據后，他們發現了10種主要的心臟細胞類型（包括心肌細胞、成纖維細胞、淋巴細胞和循環細胞等），并鑒定出心肌細胞、內皮細胞、髓系細胞和成纖維細胞的不同狀態，這些狀態與心肌梗死后的心臟病進展有關。

在綜合空間轉錄組和snATAC-seq數據后，他們深入研究了信號通路和轉錄因子結合活性，這些提供了更深層次的生物學信息。利用空間轉錄組學數據，他們根據細胞類型的組成鑒定出九個細胞類型聚類，或生態位（niches），包括肌源性、炎癥性和纖維化細胞類型生態位。空間數據還幫助他們發現心肌細胞功能的異質性。例如，他們觀察到纖維化中的關鍵通路有著共同定位，包括成纖維細胞中的TGFβ和NFκB，以及免疫細胞中的JAK–STAT和NFκB。

通過在心臟病發作后的不同時間點采樣，以及從梗死部位周圍的不同組織采樣，Kuppe博士及其團隊能夠構建出一張全面的圖譜，反映出不同時間、組織類型和個體患者之間的細胞類型差異。

#02: 心肌細胞狀態是疾病特異的

在整合心肌細胞的snRNA-seq和snATAC-seq數據后，他們發現心室心肌細胞有五種細胞狀態（vCM1-5）。利用差異基因表達分析，他們發現ANKRD1在vCM2和vCM3中都有上調，而NPPB在vCM3細胞中上調，并表現出染色質可及性增加。他們的結果表明，這些心肌細胞狀態可以被描述為“急性心肌梗死期內的不同細胞應激狀態”（如vCM1為“非應激”，vCM2為“預應激”，而vCM3為“應激”）。

#03: 心肌細胞狀態是可變的

配對的snRNA-seq和snATAC-seq數據也幫助他們鑒定出主要的轉錄因子。例如，鹽皮質激素受體（NR3C2）是心力衰竭的共同靶點，也是vCM1狀態的主要調控因子。由于NR3C2表達下降與嚴重心力衰竭和心臟纖維化的發展有關(4)，因此靶向這個基因及其下游靶點可能具有治療意義。他們還發現，應激的心肌細胞vCM3定位在不同細胞類型的鄰近區域，其中充滿了平滑肌細胞、成纖維細胞、脂肪細胞和髓系細胞的混合物，也許反映了心臟細胞與免疫細胞相互作用的重要性。

#04: 描繪未來：改進心臟疾病的療法

通過采用多組學方法，這項工作根據細胞相對于其他細胞類型的位置，帶我們了解了細胞狀態在心肌梗死進展和心臟重塑中如何變化。它還揭示了基因調控如何影響不同組織區域和疾病階段的細胞狀態。Kuppe博士的單細胞和空間圖譜為該領域的研究提供了參考，可作為起點來開展其他更先進的心臟病機制和療法研究。

參考文獻：

1. Wong ND. Epidemiological studies of CHD and the evolution of preventive cardiology. Nat Rev Cardiol 11: 276–89 (2014).

2. Prabhu SD & Frangogiannis NG. The biological basis for cardiac repair after myocardial infarction. Circ Res 119: 91–112 (2016).

3. Kuppe C, et al. Spatial multi-omic map of human myocardial infarction. Nature 608: 766–777 (2022).

4. Beggah AT, et al. Reversible cardiac fibrosis and heart failure induced by conditional expression of an antisense mRNA of the mineralocorticoid receptor in cardiomyocytes. Proc Natl Acad Sci USA 99: 7160–7165 (2002).