《Nature》：有空间组织的细胞群落形成人类心脏

美国加州大学圣地亚哥分校的Neil C. Chi团队在Nature（IF：50.5）发表了一篇题为“Spatially organized cellular communities form the developing human heart”的研究。本文利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）和高度多路复用误差鲁棒的荧光原位杂交（MERFISH）技术，构建了人类心脏发育过程中细胞类型的时空图谱，揭示了心脏细胞如何通过细胞间相互作用和分化形成复杂的结构，结合生物3D打印技术，为理解心脏结构和功能以及治疗心脏疾病提供了新的见解。

利用scRNA-seq分析了9-16周龄人胚胎心脏，识别了12种主要的细胞类型，并进一步将其细分为39个亚群。

这些细胞类型包括心肌细胞、间充质细胞、内皮细胞、血细胞和神经元等，并具有明显的细胞异质性，与它们的解剖位置和发育阶段相关。

左图：实验示意图。右图，scRNA-seq 通过对约 143,000 个细胞进行均匀流形逼近和投影（UMAP），识别出多种不同的心脏细胞，这些细胞构成了发育中的人类心脏

利用MERFISH技术对12-13周龄人胚胎心脏进行成像，空间分辨率为单细胞水平，并使用238个细胞亚群特异性基因进行细胞标记。

MERFISH分析揭示了心脏细胞在心脏不同区域的分布，并与scRNA-seq结果一致。

b.示意图显示了如何利用 MERFISH 在空间上识别 238 个心脏细胞特异基因。c、约 25 万个经 MERFISH 鉴定的心脏细胞被 UMAP 聚类为特定细胞群，并在 d 中用相应颜色标出

MERFISH分析进一步确定了心肌细胞在心脏不同区域的分布，包括心房肌细胞和心室肌细胞，并发现了多种新的心肌细胞亚群，例如流入道/起搏器细胞和房室通道/节细胞。

心室肌细胞根据它们在心室壁中的位置和功能被进一步细分为多个亚群，例如心室外层肌细胞、心室内层肌细胞和希-浦肯野细胞。

MERFISH分析还揭示了非心肌细胞在心脏不同区域的分布，包括成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、间充质细胞和神经元等。

这些细胞通常与相应的心肌细胞亚群共定位，并可能形成细胞社区，以影响其特定的细胞功能化和形成对整体心脏功能至关重要的解剖结构。

标记基因分析确定了每个独特的 MERFISH 细胞

MERFISH 细胞可重复映射到发育中心脏的不同空间区域

经鉴定的 MERFISH 心脏细胞映射到人类心脏的不同区域和解剖结构

通过分析细胞周围的细胞组成，识别了13个不同的细胞社区，这些社区与心脏的特定结构相关，例如心房、心室、瓣膜和传导系统等。

这些细胞社区具有不同的细胞组成和细胞复杂性，这可能导致它们的功能差异。

13 p.c.w.（受孕后周）心脏上的 CC 空间图显示了它们与不同的心脏解剖结构的对应关系

a，平均剪影得分图显示，细胞群落的最佳统计数量为 13 个。b，约 25 万个细胞区被 UMAP 归类为特定的细胞群落，并按群落着色。c，这些细胞群落在 13 p.c.w.（受孕后周）心脏三个不同切面上的空间映射图显示，细胞群落与特定解剖心脏结构相对应，具有可重复性。

热图显示了每个定义的 CC 中已识别的 MERFISH 细胞的组成情况

对每个区域内独特细胞群数量的分析揭示了每个 CC 和心脏区域的细胞复杂性，如定量显示（e，小提琴图）和空间显示（f，空间复杂性图）

MERFISH分析揭示了心室壁中存在多种心肌细胞亚群，这些亚群根据它们在心室壁中的深度分布而分层排列。

心肌细胞亚群的基因表达谱与它们在心室壁中的位置相关，这表明心肌细胞在心室壁中的分布是动态变化的。

在 13 个 p.c.w. 心室中对识别出的心室细胞进行空间测绘

c，显示了 b 中 MERFISH 空间图所勾勒区域左心室壁特定心室细胞的空间分布。d，显示了 b 中成像区域心室壁细胞的深度分布，即从心外膜/心室外表面测量的距离。

心肌相关细胞的MERFISH 细胞图谱

对 15 个小鼠脑室的 MERFISH 成像揭示了混合型 vCM 亚群如何在发育过程中发生动态变化

通过细胞间相互作用分析，发现心室细胞之间存在多种信号通路，这些信号通路协调了心室壁的形态发生。

PLXN-SEMA信号通路在心室壁形态发生中起着关键作用，它们可以介导心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞之间的复杂多细胞相互作用。

和弦图显示了内侧-左心室、中间-左心室和外侧-左心室 CC 中特定心室细胞接收的细胞-细胞信号相互作用的强度。节点的大小代表一个不同心室细胞的细胞数，边缘的宽度代表特定心室细胞对之间的相互作用强度。

点阵图显示内侧-左叶、中间-左叶和外侧-左叶 CC 层中特定 vCM 接收到的相互作用。点按信号强度以及配体和同源受体的表达情况着色。

b、点阵图显示内侧-左叶/中间-左叶和中间-左叶/外侧-左叶 CC 层中特定 vCM 接收到的共享交互。c、点阵图显示并比较内侧-左叶、中间-左叶和外侧-左叶 CC 层中特定 vCM 接收到的特定交互。

模型显示了不同的室管膜、成纤维细胞和内皮细胞之间的 PLXN-SEMA 相互作用如何协调室管膜在心室壁内的组织。

利用体外3D生物打印技术构建了人胚胎干细胞心肌细胞（hPSC-vCM）多层心室壁模型，研究了SEMA3C等信号分子如何影响心室肌细胞的迁移。

结果表明，SEMA3C可以吸引PLXNA2+PLXNA4+心肌细胞向心室的中层和外层迁移，而SEMA6A和SEMA6B可以防止这些细胞迁移。

如图所示，NLS-mKATE2+ 非小梁和 GFP+ 小梁样 hPSC-vCMs 被生物打印成模拟心室壁的多层构建体。

GFP+ 小梁样 hPSC-vCMs 迁移到中间室样层（Int.-LV），该层含有与 SEMA3C 混合的 NLS-mKATE2+ 非小梁样 hPSC-vCMs，但与 SEMA3D、SEMA6A 或 SEMA6B 混合时则没有。白色箭头指向迁移到中间室样层的 GFP+小梁样 hPSC-vCM。

不同中间 LV CC 样层条件下 GFP+ 小梁样 hPSC-vCM 迁移测量结果。SEMA3C+SEMA3C 和无 SEMA+SEMA3C 条件下分别有 N = 6 和 N = 5 个独立实验。所有其他条件下，N = 3 个独立实验。误差条为 s.e.m。

E17.5野生型（WT）和Tcf21-creERT2;Sema3cfl/fl基因敲除（KO）小鼠胚胎心脏的代表性切片显示，从E10.5开始在Tcf21+细胞中缺失Sema3c会导致心室壁不充盈表型。

图表显示了 WT 和条件性删除 Sema3c KO 小鼠心脏中紧密心肌和小梁心肌的厚度。N = 每种情况 3 只小鼠。误差带为 s.e.m。

Tcf21-creERT2;Sema3cfl/fl基因敲除小鼠表现出心肌肥厚和相对较薄的致密心肌。

文献原文：10.1038/s41586-024-07171-z

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07171-z

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