《Nature》重磅研究！60万个细胞核揭开心肌病之谜

发布时间：2025-06-06

心脏的一次有力跳动，背后都是成千上万的细胞共同协作：有的负责收缩、有的维持结构、有的调节信号。当细胞的节奏被打乱，心脏疾病就可能悄然发生。扩张型心肌病（DCM）和肥厚型心肌病（HCM）是最常见的两种心肌病，很多患者最终会发展为心力衰竭，甚至需要心脏移植。为揭示其发病机制，《Nature》上发表的一项研究，突破性利用单核RNA测序技术（snRNA-seq），对42例人类左心室样本中近60万个细胞核进行精准测序，绘制出了一张细致的“心脏细胞地图”。这张地图不仅揭示了DCM与HCM在终末期的共性和差异，还发现了一类在部分患者中异常富集的“激活型纤维细胞”，可能与心脏纤维化密切相关。

心肌细胞减少，成纤维细胞增多

研究通过对单核RNA测序数据进行聚类分组和可视化分析，将心脏细胞归为21大类。健康心脏中，心肌细胞约占60%；在DCM患者中下降至约40%，在HCM患者中下降至约50%，同期两组患者均出现成纤维细胞、血管平滑肌细胞及免疫细胞显著增多，其中DCM组免疫细胞的增幅更为明显。

图/研究者将60万个细胞核划分为21种心脏细胞类型

图/堆叠条形图显示样本细胞类型组成；1c显示，DCM患者心肌细胞比例显著下降，而纤维细胞和免疫细胞增多。

首次鉴定“激活型心脏纤维细胞”

特别引人注意的是，一种此前未被重视的“激活型心脏纤维细胞”在部分患者中大量出现，其标志基因包括POSTN、THBS4、COL1A2等。例如在DCM患者P1304，其比例可达15%–20%，而在健康供体中低于0.1%。外部验证队列显示，83% HCM患者检出此群，且丰度显著高于对照（11%）。提示该细胞群可能反映心脏纤维化的一种关键病理状态或亚型。

图/各疾病状态下活化成纤维细胞数量（按供体着色）

此外，研究还发现，在HCM样本中淋巴管内皮细胞数量显著升高（P=3.2×10⁻⁴），这提示肥厚型心肌病可能伴随着特定的免疫或淋巴管反应。这些细胞在部分患者样本中呈稳健增多，提示其在疾病进程中的潜在作用需要进一步探索。

图/UMAP图显示POSTN、COL1A1等标志基因在激活型成纤维细胞中的表达分布

CRISPR功能筛选揭示潜在靶基因

为了进一步确认这些细胞是否确实参与了纤维化，研究团队在原代人类心脏纤维细胞中针对27个候选基因，进行了CRISPR‑Cas9敲除并模拟TGFβ1诱导下的肌成纤维细胞（myofibroblast）转化过程。

结果发现，其中多数基因敲除后能显著抑制纤维细胞向肌成纤维细胞的转化，其中PRELP，COL22A1、AEBP1和JAZF1等基因敲除后表现出较强抑制效应，其中PRELP抑制率最高，可达75%以上。

图/PRELP和JAZF1的敲除显著抑制了肌成纤维细胞转化，验证了其功能重要性

心肌病的殊途同归

尽管DCM和HCM病因迥异，一个是心腔扩大，一个是心肌变厚，但在终末期心力衰竭阶段，两者在纤维细胞中的基因表达模式却高度重叠：研究数据显示，在纤维细胞中，DCM与正常组相比有1,243个差异基因，HCM则有1,087个；而DCM和HCM之间，仅发现42个差异基因（FDR<0.01）。这说明，尽管早期表现不同，但到了终末期，两种疾病可能会走上一条相似的分子通路，最终导致心功能衰竭。

图/图2b显示，DCM和HCM在终末期仅有少量差异基因，提示分子层面的趋同

不过，这种“转录趋同”现象仅限于研究所涉及的终末期心肌病样本（大多LVEF<20%），是否适用于早期患者仍需进一步研究。

研究亮点与临床前景

为了验证这些新发现是否与临床表现相关，研究者将激活型纤维细胞的比例与射血分数、心室尺寸等常见临床指标进行比对，结果未发现显著相关性（所有P值>0.13）。这可能说明，这类细胞代表了一种独立于传统指标的病理亚型。

不过研究团队也指出，由于样本数量有限（n=13–21），统计效能尚有不足，仍需在更大规模、多时间点的队列中进一步验证。

方法与局限

为了确保数据可信，研究团队在设计与分析上做了诸多控制：

1.样本质量控制：所有样本均通过核膜完整性检测，确保所用为真正的细胞核；

2.双联体排除：排除了双联体细胞（doublets），设定评分阈值为>0.3；

3.细胞比例分析：采用贝叶斯统计模型scCODA评估各细胞群体比例变化；

4.差异基因筛选：采用limma-voom方法，纳入了年龄、性别等协变量；

5.通路富集分析：基于GSEA算法，设定FDR<0.05的严格阈值。

图/质量控制

值得注意的是，该研究主要来源于欧洲裔终末期移植患者的冷冻组织，结果是否适用于不同人群或疾病早期阶段仍需验证。

这项研究不仅让我们看清了心肌病背后的细胞变化，也为未来的治疗与诊断开辟了新方向。激活型纤维细胞中的COL22A1、PRELP等基因，有望成为新的药物干预靶点；而这些细胞的分子特征，可能用于心肌病的早期分型和个体化治疗。

在这张不断拓展的心脏地图上，每一种细胞类型都可能是解锁疾病密码的一块关键拼图。

参考文献：

Chaffin, M., Papangeli, I., Simonson, B. et al. Single-nucleus profiling of human dilated and hypertrophic cardiomyopathy. Nature 608, 174–180 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04817-8

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