科学家们绘制了健康人类心脏的详细细胞和分子图谱，以了解心脏这一重要器官是如何运作的，并阐明心血管疾病的病因。
这项研究发表在9月24日的《自然》杂志上，由哈佛医学院、附属于哈佛大学的布里格姆妇女医院、维康桑格研究所、德国的马克斯德尔布鲁克分子医学中心、伦敦帝国理工学院和他们的全球合作者领导。
该团队分析了近50万个单个细胞，建立了迄今为止最广泛的人类心脏细胞图谱。该图谱显示了细胞的巨大多样性，揭示了心肌细胞的类型，心脏保护免疫细胞和复杂的血管网络。它还预测了细胞如何沟通以保持心脏工作。
这项研究是“人类细胞图谱”计划的一部分，该计划旨在绘制人体的每一种细胞类型。关于心脏的分子和细胞的新知识有望使人们更好地理解心脏病，并指导高度个体化治疗的发展。
研究人员说，这项工作也为未来基于再生医学的治疗奠定了基础。
人的一生中，心脏平均要向身体发出20多亿次维持生命的跳动。在此过程中，它帮助将氧气和营养物质输送到细胞、组织和器官，并使二氧化碳和废物的清除成为可能。每天，人们的心脏跳动约10万次，并以一种单向的方式流经四个不同的腔室，心率随着休息、锻炼和压力而变化。每一次心跳都需要在心脏不同部位的不同细胞之间精确复杂而完美的同步。当这种复杂的协调能力出现问题时，它可能导致心血管疾病，这是全世界死亡的主要原因，每年造成约1790万人死亡。
详细了解健康心脏细胞内的分子过程对于理解心脏病是如何出错至关重要。这些知识可以为各种心血管疾病提供更精确、更好的治疗策略。
数百万人正在接受心血管疾病的治疗。理解健康的心脏将帮助我们理解细胞和细胞之间的相互作用状态,可以终生功能和如何将这些不同的疾病,”研究文章的第二作者克里斯汀·塞德曼说,医学教授在哈佛医学院Blavatnik学院和布里格姆和妇女心血管遗传学家。
塞德曼说:“最终，这些基本的见解可能会提出具体的目标，从而导致未来的个体化治疗，创造出针对心脏病的个体化药物，并提高每个患者的治疗效果。”
这就是研究人员在新研究中着手做的事情。
研究小组研究了来自心脏六个不同区域的近50万个单个细胞和细胞核，这些细胞和细胞核来自14名心脏健康但不适合移植的器官捐赠者。
通过结合单细胞分析、机器学习和成像技术，研究小组可以准确地看到每个细胞中哪些基因被打开或关闭。
研究人员发现心脏不同区域的细胞有很大的不同。他们还观察到，心脏的每个区域都有特定的细胞亚群——这一发现指向了不同的发育起源，并表明这些细胞对治疗的反应不同。
“这个项目标志着对单细胞如何构建心脏的新理解的开始，许多单细胞有不同的细胞状态，”该研究的共同第一作者Daniel Reichart说，他是哈佛医学院的遗传学研究员。“有了对心脏各区域差异的了解，我们就可以开始考虑年龄、运动和疾病的影响，帮助推动心脏病学领域向精准医疗时代迈进。”
“这是第一次有人以这种规模研究人类心脏的单细胞，这只有通过大规模的单细胞测序才有可能，”诺伯特·哈伯纳(Norbert Hubner)说，他是该研究的共同资深作者，也是马克斯·德尔布鲁克分子医学中心(Max Delbruck Center for Molecular Medicine)教授。“这项研究显示了单细胞基因组学和国际合作的力量，”他补充说。“对心脏细胞及其基因活动的全面了解是了解心脏如何运作，并开始阐明心脏如何应对压力和疾病的基本必要。”
作为这项研究的一部分，研究人员还对穿过心脏的血管进行了前所未有的细致观察。该图集展示了这些静脉和动脉中的细胞是如何适应不同的压力和位置的，以及这将如何帮助研究人员了解在冠心病期间血管中出了什么问题。
“我们在国际上的努力通过阐明心脏细胞的细胞和分子细节，为科学界提供了一套无价的信息，这些细胞共同工作，将血液泵入全身，”伦敦帝国学院的共同资深作者Michela Noseda说。她说:“我们绘制了可能被SARS-CoV-2感染的心肌细胞，发现小血管中的特殊细胞也是病毒的目标。”“我们的数据集是理解心脏病微妙之处的信息宝库。”
研究人员还把重点放在理解心脏修复上，观察健康心脏中的免疫细胞是如何与其他细胞相互作用和沟通的，以及它们与骨骼肌有何不同。
进一步的研究将包括研究心脏细胞是否可以被诱导自我修复。
“这项伟大的合作是全球人类细胞图谱计划的一部分，该计划旨在创建人体的‘谷歌图谱’，”韦康桑格研究所(Wellcome Sanger Institute)的萨拉•泰奇曼(Sarah Teichmann)表示。她是这项研究的共同资深作者，也是人类细胞图谱组织委员会的联合主席。
她说:“心脏细胞图谱对全世界的研究人员公开开放，这是一个极好的资源，它将导致对心脏健康和疾病的新认识，新的治疗方法，甚至有可能找到再生受损心脏组织的方法。”
这项研究是由英国心脏基金会支持,欧洲研究委员会、德国联邦教育和研究德国中心的皮毛Herz-Kreislaufforschung汽车集团,Leducq基金会,德国研究基金会,中国奖学金,亚历山大•冯•洪堡基金会EMBO,加拿大卫生研究院的研究中,加拿大心脏与中风基金会,艾伯塔创新,陈扎克伯格倡议,威康桑格研究所威康,美国国立卫生研究院和霍华德·休斯医学研究所。
乔纳森·塞德曼(Jonathan Seidman)是HMS布拉瓦尼克研究所(Blavatnik Institute at HMS)的亨丽埃塔·b·弗雷德里克·h·布格尔基金会(Henrietta B. and Frederick H. Bugher Foundation)遗传学教授，也是联合高级作者。莫妮卡Litviňukova和卡洛斯Talavera-Lopez桑格研究所和Henrike Maatz马克斯·德尔布吕克中心与大卫Reichart co-first作者。
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