文献解读 | 《Nature Biotechnology》科学家成功培育出自组织的心外膜模型，为心脏疾病研究提供新工具

心外膜是脊椎动物心脏的间皮包膜，是胚胎发育过程中多个心脏细胞谱系的来源，并提供对心肌生长和修复至关重要的信号。慕尼黑工业大学的Tatjana Dorn & Alessandra Moretti教授团队通过人多能干细胞衍生的细胞构建了“心外膜模型”，的自组织体，这一模型可以模拟人类心脏发育、疾病和再生的过程，为心脏疾病研究提供了全新的工具。成果以“Epicardioid single-cell genomics uncovers principles of human epicardium biology in heart development and disease”为题于2023年4月3日发表于《Nature Biotechnology》（IF：46.9）。

图1：hPSCs衍生的心形epicardioids，显示自组织的心室心肌和心外膜

Epicardioids（心包细胞体）源自第一心脏场（FHF）和近心心脏场（JCF）的前体细胞。动物模型已经表明，心包是由起源于前心包的细胞形成的，前心包是位于发育中心脏的静脉极的一种短暂结构。然而，前心包前体的起源仍然不清楚，尤其是在人类方面。最近的小鼠研究已经确定了心肌和心包的一个共同前体细胞池的存在，暗示两者之间存在发育关系。这些研究还揭示了JCF细胞表达Mab21l2和Hand1的存在，这些细胞能够分化为心包细胞和心肌细胞（CMs）。

图2：Epicardioids 显示心肌的形态、分子和功能模式

 为了了解心包细胞体中的发育过程，研究人员在分化的不同时间点进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和染色质可及性分析（使用scATAC-seq）。通过整合这些数据，他们确定了代表不同发育阶段的24个细胞簇，包括心肌、心包、内皮和内胚层细胞系。在心肌发育过程中，他们观察到心脏中胚层的早期诱导，随后出现表达FHF前体细胞标记物的细胞。

有趣的是，表达前二级心脏场（SHF）前体细胞标记物的细胞，它们贡献右心室和流出道，几乎不存在。第7天开始检测到分化的心室CMs，并且心包细胞在第10天出现，与JCF的转录特征非常相似。这些细胞之前由可能的“前-JCF”前体细胞表达心血管前体标记物ISL1。研究人员发现，ISL1在心包间皮层中仍然高度表达，但在第15天心包细胞中很少见。

图3：epicardioids揭示了调节人心肌和心外膜发育的细胞串扰 

为了确认心包细胞体中不同前体细胞群的命运潜力，研究人员生成了一个报告基因系列，并进行了系谱追踪实验。他们发现JCF前体细胞，通过MAB21L2表达标记，具有分化为心肌细胞和心包细胞的双重潜力，与小鼠观察到的情况相符。然而，JCF簇显示出多样性，一些细胞有很高分化为心肌细胞的概率，其他细胞似乎对心肌和心包细胞两者都有双分化潜力，与每个命运相关的基因调控网络也已经确定。

图4：epicardioids由FHF和JCF祖细胞的早期分离形成

随后，研究人员探索了人类心包细胞的命运潜力，他们从hiPSCs生成了心包细胞体，并使用了一个报告系统来标记间皮心包细胞。他们发现这些细胞可以分化为平滑肌细胞（SMCs）、成纤维细胞和心肌细胞，证实了它们的多系分化潜力。在第15天对心包细胞体系列的亚分群分析显示，间皮细胞和正在经历上皮-间充质转化（EMT）的EPDCs显示出三系分化潜力。然而，在不同的亚分群中，EPDCs表现出不同程度的对壁和心肌分化的承诺。染色质可及性模式表明，在EMT期间和之后，EPDCs的基因活性高度可塑，表明命运规格是随时间动态变化的。

图5：谱系追踪和多组学分析

 最后，研究人员证明了心包细胞体可以模拟左心室肥厚（LVH）和纤维化，这是心血管疾病的两个关键方面。使用内皮素-1（ET1）处理1个月大的心包细胞体，诱导了心肌肥厚标记物的剂量依赖性上调，以及心肌细胞尺寸的增加，反映了受应激诱导的表型。重要的是，伴随的胶原基因（COL1A2、COL3A1、FN1和POSTN）的上调暗示了纤维化反应的发生，这得到了亚心包空间中大量胶原基质的沉积以及α-平滑肌肌动蛋白阳性（α-SMA）肌成纤维细胞的出现的证实。ET1处理的心包细胞体切片的钙成像还显示了心肌层面的心肌功能障碍，包括频繁的心律失常事件和钙瞬态幅度下降，这是心力衰竭的两个已知特征。

图6：模拟应激诱导和先天性心室肥大以及纤维化

总而言之，作者基于多组学方法以及钙离子成像等方式对模型进行了表征。结果显示，这种心外膜体模型具有广泛的应用潜力，可以用于研究心脏发展、疾病机制以及测试心脏治疗策略的有效性。这一突破性研究为心脏医学领域带来了全新的研究工具，有望为心脏病患者带来更多的治疗选择和希望。

文献索引：Meier AB, Zawada D, De Angelis MT, Martens LD, Santamaria G, Zengerle S, Nowak-Imialek M, Kornherr J, Zhang F, Tian Q, Wolf CM, Kupatt C, Sahara M, Lipp P, Theis FJ, Gagneur J, Goedel A, Laugwitz KL, Dorn T, Moretti A. Epicardioid single-cell genomics uncovers principles of human epicardium biology in heart development and disease. Nat Biotechnol. 2023 Apr 3. doi: 10.1038/s41587-023-01718-7. Epub ahead of print. PMID: 37012447.