心臟病治療重大突破：研究發現修復受損心臟組織的新方法！

心臟病發作后扭轉疤痕組織，創造健康的心臟肌肉：這將是心臟病學和再生醫學領域的即將改變的游戲規則。在實驗室，科學家已經表明可以將成纖維細胞（瘢痕組織細胞）轉化為心肌細胞（心臟肌細胞），但是整理出這種情況的細節并不容易，并且在診所甚至使用這種方法其他基礎研究項目也被證明是難以捉摸的。

現在，在“自然”雜志上發表的一項新研究中，UNC 研究人員報告了一個突破。他們使用單細胞 RNA 測序技術結合數學建模和遺傳和化學方法來描述細胞命運從成纖維細胞轉化為心肌細胞期間發生的分步改變。由 UNC 醫學院病理學和實驗室醫學助理教授李倩博士領導的科學家不僅成功地重建了單細胞在這一過程中可以采用的途徑，而且還確定了從一種細胞類型轉變為另一種細胞的基因分子途徑和關鍵調控因子。

“我們以直接心臟重新編程為例，在本研究中，”本文的資深作者和 UNC 麥卡拉斯特心臟研究所的成員錢先生說，“但是我們在這里建立的管道和方法可以用于任何其他重編程過程和潛在的其他不同步和異質生物過程。”

當我們是嬰兒時，我們身體的胚胎干細胞逐漸變成各種高度專門化的細胞類型，如神經元，血細胞和心肌細胞。長期以來，科學家認為這些特定的細胞類型是終末的; 它們不能再次改變或被恢復到胚胎與最終分化階段之間的狀態。最近的發現顯示，有可能將終末分化的體細胞恢復到多能狀態 - 一種能夠自我產生并潛在地變成身體中任何種類的細胞的“主”細胞。科學家們也知道如何將一種分化的體細胞類型轉化為另一種，而不會通過多能階段或原始祖細胞階段進行迂回。這種發現轉移了細胞層級的范式，徹底改變了干細胞研究和再生醫學領域。然而，弄清楚如何研究這些過程的細節來將其用于臨床和基礎研究是困難的。

直接心臟重新編程是錢實驗室在過去幾年中率先開發并進行微調的心臟再生和疾病模型的有前景的方法，涉及將心肌非肌細胞直接轉化為與內源性 CM 相似的誘導心肌細胞（iCM）。像任何重新編程過程一樣，許多被重新編程的單元格并沒有同時進行。

錢說：“這是一個”異步“的過程。 “轉換發生在不同的時間間隔，所以在任何階段，細胞群體總是包含未轉化的，部分重編程的和完全重編程的細胞，因此細胞重編程是“異構的” ，這使得使用傳統方法難以研究。

本研究通過使用微流體單細胞 RNA 測序技術，解決了“異步”編程和異種細胞群體的兩個主要問題。他們分析了從成纖維細胞轉化為 iCM 的命運轉化過程中的全局轉錄組變化。

使用數學算法，他們確定了沿著重新編程管道的細胞分子不同的亞群。然后，他們基于模擬和實驗驗證重新構建了 iCM 形成路線。這些路線為他們提供了前所未有的高分辨率路線圖，以進一步研究細胞轉化的機制。

錢說：“我們發現有一些臨床上很重要，”例如，我們知道，心臟病發作后，受傷區周圍的心臟成纖維細胞立即被激活并變得高度增殖，但隨著時間的推移，這種增殖能力會下降成纖維細胞變化的細胞周期狀態優于心臟病發作及其后果的優勢肯定會擴大患者細胞重編程的應用，并優化結果。

如何將受損的心臟組織轉回健康的心臟肌肉：出現新的細節

錢先生補充道：“我們展示了細胞增殖與細胞重編程之間的路線，我們還顯示了實驗證據，改變起始成纖維細胞的細胞周期狀態會改變新的心肌細胞形成的結果。

她的研究小組發現，在編程過程中，成纖維細胞亞群的分子特征受到差異性的抑制，這表明細胞重編程的易感性有所不同。

有趣的是，這種易感性與心臟發育過程中心肌細胞分化的時機一致。似乎在心臟發育早期出現的中間人群中的特點對改變更具抵抗力。這表明最近的細胞表觀遺傳記憶可能更容易被擦除，因此具有這種表觀遺傳特征的成纖維細胞亞群更容易轉化為心肌細胞。

錢說：“操縱表觀遺傳記憶 - 不僅僅是改變其當前的表觀遺傳學狀態 - 對于改變細胞的治療價值的命運來說是至關重要的。”

通過進一步分析重編程中的全球基因表達變化，研究人員發現了涉及 mRNA 加工和剪接的因素的意外下調。

錢說：“對我們來說這是一個驚喜。 “我們發現，一些基本的細胞機械發生了巨大變化，如蛋白質生產，運輸和降解的機械，以及我們詳細的文件 - mRNA 拼接機械。”

該團隊繼續對**候選人進行詳細的功能分析 - 稱為 Ptbp1 的剪接因子。有證據表明，它是獲得成纖維細胞中心肌細胞特異性剪接模式的關鍵障礙。錢先生的研究表明，Ptbp1 消耗促進了更多的 iCMs 的形成。

錢繼續說：“從我們的機械學研究中學到的新知識，如何將單一的剪接因子調節成從成纖維細胞到心肌細胞的命運轉換。” “如果沒有這種方式的公正的性質，我們就不會獲得關于重新編程過程的新鮮有價值的信息，這就是我們平臺的優勢。”

另外的定量分析揭示了每個重編程因子的表達與通過重編程過程的個體細胞進展之間的強相關性，并導致發現用于富集 iCM 的新表面標記。

錢說：“我認為本文的跨學科方法非常強大，它們幫助我們識別以前無法識別的功能或機制，并更好地了解細胞的性質和疾病的進展，最終這種方法可能不只受益與心臟病患者，還有癌癥，糖尿病，神經系統疾病等病癥，我們對未來的道路感到非常興奮。”