心脏的功能在很大程度上依赖于其形态，心脏结构的破坏可导致先天性心脏病（最常见的出生缺陷）和成人结构性心脏病，如肥厚性心肌病和瓣膜病。然而，心脏中不同的细胞类型如何在空间上协调排列，从而形成对心脏功能至关重要的复杂形态结构仍不清楚。

近期，美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队及合作者在Nature发表了题为“Spatially organized cellular communities form the developing human heart”的文章。研究团队将单细胞RNA测序技术与高分辨率多重误差鲁棒荧光原位杂交（MERFISH）技术相结合，绘制了发育中人类心脏的高分辨率空间单细胞图谱，解析了发育中人类心脏的细胞类型。研究发现，许多心脏细胞类型能进一步指定为特定群落的亚群，其中心室心肌细胞亚群在整个心室壁上表现出极度复杂的层次结构，并与其他细胞亚群一起形成了几个细胞群落。研究进一步揭示了在心室壁形态发生过程中对心脏细胞亚群空间组织起协调作用的多细胞信号通路。

文章发表在Nature

01 发育中的人类心脏细胞谱和空间映射

研究人员在受孕后9周至16周的人类心脏上进行了scRNA-seq检测和分析（图1a），初步鉴定了构成发育中的人类心脏细胞谱系。scRNA-seq分析了142,946个单细胞，显示了以下五个不同的细胞区室：心肌细胞、间充质细胞、内皮细胞、血液和神经元（图1a）。基于图谱的聚类和基因标记物分析确定了细胞区室中的12个主要细胞群落，对这些细胞的进一步聚类确定了75个亚群。这些细胞谱系表现出细胞异质性，常与其解剖位置（心房和心室心肌细胞、成纤维细胞和心内膜细胞）和发育阶段相对应。

图1. 分子和空间人类心脏细胞图谱揭示了心脏发育过程中各种各样的细胞群。

接下来，研究人员利用MERFISH成像来分析scRNA-seq识别的心血管细胞在心室壁发生动态重塑（特别是心肌壁压缩）发育时期的空间组织。在scRNA-seq聚类分析中应用NS-Forest2分类器后，确定了238个细胞亚群特异性基因。使用为这些基因设计的MERFISH编码探针，研究团队对人类心脏切片进行了MERFISH研究，捕获了主要的心脏结构（图1b-d）。研究获得了1.082亿个转录本。MERFISH平均在每个细胞中检测到来自85个基因的365个转录本，而使用相同的靶基因列表，scRNA-seq仅在每个细胞中发现来自51个基因的208个转录本，这一结果突出了MERFISH的高RNA捕获效率。

对于心脏基因标记分析揭示的27个不同MERFISH细胞群，其中某些类别细胞和scRNA-seq发现的细胞类别之间存在差异，这可能是由于两种方法之间的细胞捕获或转录检测之间的差异。不过，scRNA-seq和MERFISH数据集的整合揭示了数据集之间相关细胞的强烈对应性，有助于对MERFISH检测基因之外的其他基因进行插补和空间映射（图1e–g）。

02 细胞群落形成心脏结构

心脏区域由在空间上分离的细胞群落组成，根据这些细胞区的细胞组成，研究团队鉴定出13个不同的细胞群落分组，大约25万个细胞区（图2a、b）。这些检测到的细胞群落被映射到发育中的心脏，以高单细胞粒度对应并定义了心脏的特定结构，包括已知和不太了解的心脏结构（图2b、c）。每个细胞群落由不同组合和数量的特定细胞组成，并显示出广泛的细胞复杂性和纯度。例如，有的细胞群落仅包含一个或两个细胞群，有的细胞群落包含十多个细胞群（图2d–f）。以上分析以高细胞分辨率揭示了不同的心脏细胞如何组装成细胞群落并形成心脏结构。

图2. 不同的心脏细胞群在空间上组织成细胞群落并形成专门的心脏结构。

03 心室的复杂层次结构

细胞群落分析显示，发育中的心室区室显示出高度的细胞复杂性，特别是在心室壁的边界区域。左心室壁的心室心肌细胞（vCM）显示出比右心室更高的细胞复杂性，分子连接性分析显示，这些vCM表现出高度相连的基因表达网络，在空间上连续的vCM之间存在最强的连接（图3f）。vCM的空间基因表达沿着心室壁深度逐渐变化（图3c、d、g）。拟时序分析显示vCM的顺序与其沿心室壁的位置相关，并且单个vCM沿拟时序和心室壁深度轴形成连续的聚集体（图3h）。

图3. 心室壁包含不同的特殊心脏细胞，在空间上组织成极度复杂的层次结构。

定义空间相邻心室的细胞群落是识别心室内潜在细胞相互作用的基础。研究还发现，即左心室（特别是其中间区域）可能表现出复杂相互作用的多细胞事件，这些事件调节了其心室壁的动态发育和重塑。

图4. 多细胞相互作用指导心室壁内特定细胞群落的组织。

此外，研究人员通过细胞-细胞相互作用算法识别了不同的细胞信号配体-受体对。这些配体-受体对在空间相邻的细胞群体之间表达并介导它们的相互作用。

总的来说，该研究绘制了一个高分辨率的心脏空间单细胞图谱，描述了不同细胞类型之间的相互作用，这些细胞类型经过特化组织成对维持心脏功能至关重要的心脏结构。这些发现为结构性心脏疾病和用于人类心脏修复的复杂多细胞组织工程提供了新见解。

研究团队表示：“我们的高分辨率心脏空间单细胞图谱中的信息和见解可能在未来用于了解先天性心脏病和成人结构性心脏病的病理机制，并开发生物相关的工程心脏类器官和组织，以及用作药物筛选和心脏再生治疗的平台。”

论文原文：

Farah, E.N., Hu, R.K., Kern, C. et al. Spatially organized cellular communities form the developing human heart. Nature 627, 854–864 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07171-z