不同人群冠脉中血管生理相关细胞分型的单细胞转录图谱
文章信息
文章题目:Single-Cell Transcriptomic Atlas of Different Human Cardiac Arteries Identifies Cell Types Associated With Vascular Physiology 期刊:Arterioscler Thromb Vasc Biol 日期:2021-2-25 DOI:https://doi.org/10.1161/ATVBAHA.120.315373
摘要:
背景:动脉细胞异质性在小鼠及非人类灵长动物身上已有验证,但人类未知
研究:从3例心脏移植患者中取正常血管(3条主动脉、2条肺动脉、9条冠状动脉)做单细胞测序分析细胞异质性。聚类结果显示有25簇细胞群统计为10类,其中血管平滑肌细胞最多。对比不同动脉细胞组成,发现了一些血管特异性平滑肌细胞及成纤维细胞亚群。正常情况下血管平滑肌及成纤维细胞之间交流密切。动脉粥样硬化相关基因在内皮细胞和巨噬细胞中富集、内皮细胞与免疫细胞间的联系在动脉粥样硬化中增强。ICAM1/VCAM1和ITGB2之间相互作用可能是动脉粥样硬化的重要机制。
结论:绘制了人正常冠脉细胞图谱并鉴定了不同冠脉血管里的细胞成分,可以为识别血管疾病相关细胞群提供依据并为疾病诊治提供参考。
引言
- 不同动脉类型其细胞组成成分不尽相同,目前仍缺乏心脏动脉细胞群的全面信息。
- 已有研究表明冠脉粥样硬化与平滑肌细胞、免疫细胞密切相关,各个细胞之间相互联系,这种联系可能为疾病研究提供新思路。
- 此研究用单细胞测序技术探究了人类心脏动脉(AO、PA、CA)的细胞构成,挖掘了转录谱及生物标志物,可为动脉生理学及病理生理学提供支持。
方法
- 标本来源:样本收集于3例心衰末期心脏移植患者,取其主动脉、肺主动脉、右冠、左前降支、左回旋支正常血管。
- 免疫荧光、动脉细胞原代提取、流式荧光筛选、单细胞测序、降维聚类、细胞亚群分析、功能分析、转录因子活性分析、细胞轨迹周期分析、动脉粥样硬化相关基因分析、细胞通讯分析等。
结果
人类正常心脏动脉图谱
3个患者的3种动脉中,无监督聚类得到10种细胞类型:血管平滑肌细胞、成纤维细胞、单核巨噬细胞、T细胞、内皮细胞、NK细胞、肥大细胞、肌成纤维细胞、少突细胞、B细胞。不同细胞的特定标记基因均有表达。细胞数量多少依次是VSMC、FB、Mφ、T细胞、EC、NK细胞等。myoFB细胞在冠脉中独有,其他的细胞在不同动脉中表达相似。
- B. 心脏动脉的十种细胞类型
- CD. 每种细胞类型的经典标记基因表达
- E. 每种细胞类型细胞数
- F. 不同动脉中各细胞种类的组成比
不同心脏动脉亚群
VSMC细胞群最多,有四种亚型,VSMC1在CA中占优势,VSMC3在AOs和PAs中占优势。VSMC2主要富集在肌肉收缩等、VSMC3参与细胞运动负调控、VSMC4与增殖迁移相关。根据通路富集结果,将VSMC1注释为ca特异性合成VSMC, VSMC3注释为AO和pa特异性合成VSMC。VSMC4考虑参与了血管病变。
- A. VSMC细胞最多,有4种亚型
- B. 各种动脉中VSMC占比
- C. 四种亚型中标记基因表达
- D. 四个亚型GO富集结果
- E. 免疫荧光显示VSMC3细胞具有大血管特异性
- F. 不同亚群四种功能富集得分
- G. 四种亚群轨迹分析相互作用
- H. 调控VSMC4细胞增殖的转录因子的表达情况
- I. 免疫荧光显示VSMC4与动脉粥样硬化相关
动脉特异性成纤维细胞有不同的转录谱及功能
- A. 成纤维细胞是第二大群细胞,有4个亚群;
- B. 各个亚群在不同动脉中的占比,展示出各动脉特异性FB;
- C. 根据各组细胞特异性基因表达情况发现FB1与炎症相关、FB3注释为myoFB、FB4是间质FB;
- D. 寻找亚群间差异基因并在免疫荧光中验证,但特异性一般;
- G. 对各群细胞功能预测,进一步确定FB在转录表达及功能上有差异;
- H. 在FB四组中又发现高表达的转录因子。
内皮细胞亚群具有炎症结构功能
EC是第五大群细胞,有4个亚群。
EC1主要高表达炎性基因、EC2调控细胞生长和心血管发育、EC4高表达淋巴标志物,进一步论证了血管内皮是动脉张力的调节剂和免疫系统的接口。
由于内皮细胞是血管的屏障,ECs通过主要组织相容性复合体II类与外来抗原相互作用,因此富集了MHC评分。EC1得分最高,EC2对内皮细胞发育的最高平均富集评分与GO结果一致,与其他血管内皮细胞相比,淋巴细胞内皮细胞表达了几种独特的转录因子。SMAD1、NR2F1、PPARG在淋巴上皮细胞中的表达水平和调控活性较高
巨噬细胞在心脏动脉中同时发挥炎性和非炎性作用
巨噬细胞是第三大群细胞有4个亚群,三种动脉里分布均匀。
M1标志物(TNF、IL1B、CCL3、CXCL8)主要在Mφ1和Mφ2中表达,但M2标志物(IL10、MRC1、FCER2、CCL22)在所有亚群中均不表达,可见正常情况下抗炎M2巨噬细胞在心脏动脉中缺乏表达。
但是GO分析可见,虽然Mφ2不高表达M2标记,却看你在炎症中发挥类似作用,如调节白细胞活化、白细胞黏附、细胞因子分泌等。
周期分析显示Mφ1-3均已停止分裂,但Mφ4正在分裂当中。
转录因子显示NFKB1和STAT4在Mφ1和Mφ2中高表达,进一步确定了Mφ1和Mφ2的促炎作用。TFBP1也进一步说明Mφ4在进行细胞分裂。
CD8、CD4、NK细胞是心脏血管里常驻细胞
T细胞和NK细胞分别是第四第六大群,各有4组和2组。
CD8 T细胞在非病变心脏动脉中主要发挥细胞毒作用,而不是促进炎症。非病变的心脏动脉含有少量或不含原始T细胞、调节性T细胞和活化T细胞。非病变心脏动脉中的CD4和CD8 T细胞均以TRM细胞为主。一小部分CD56 NK细胞和一小部分CD16+ NK细胞也存在于心脏动脉中。
动脉粥样硬化可能使正常心脏动脉细胞间通讯中断
使用CClnx构建构建细胞群之间潜在受体配体网络关系图,随后用标记基因细化,找到联系密切的六个群体(VSMC, FB, Mφ, EC, T, NK)。这些细胞间的通讯有助于维持心脏动脉的正常结构和功能。
此外鉴定了正常动脉里所有细胞亚群动脉粥样硬化相关基因的表达,也有很多特异性发现。
综上推断心脏动脉细胞间通讯的中断可能是动脉粥样硬化发病的原因之一。
结论
- 本研究创建了人类正常心脏动脉的细胞图谱,描述了各动脉细胞群的特征,包括特异性基因及功能,并确定了不同心脏动脉的细胞组成。
- 随后文章确定了与动脉粥样硬化相关的可能细胞群,通过重要配体-受体对的细胞间通信,进一步探索了细胞群之间联系与动脉粥样硬化相关的可能性,并于之前研究相吻合。
- 该细胞图谱可作为研究血管疾病相关细胞群的参考,有助于研究血管疾病的新治疗策略。
优缺点
优点
- 文章首创性的做了人心脏动脉单细胞图谱,并做了全面细致的分析,为日后心脏动脉血管疾病提供了坚实基础。
- 通过scRNA-seq对数据中加入空间信息,提高了对组织结构及细胞原位的理解。
缺点
- 本研究为描述性研究,缺乏实验验证;
- 应进一步实验研究不同细胞群的功能表型;
- 样本量过少,考虑有个体差异性和偶然性;
- 测序样本来源于心衰患者正常血管,而非正常人的正常动脉,可能有混杂因素。
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