人類心臟細胞圖譜為心臟疾病治療提供新見解
在一項新研究中，研究人員制作了迄今最詳細、最全面的人類心臟細胞圖譜，其中包括心臟傳導系統的專門組織——心跳起源的地方。7月12日，相關成果發表于《自然》。
由英國維康桑格研究所和倫敦帝國理工學院國家心肺研究所領導的多中心團隊還提出了一種名為Drug2cell的新藥再利用計算工具，該工具可以深入了解藥物對心率的影響。
這項研究是國際人類細胞圖譜（HCA）計劃的一部分——該計劃正在繪制人體中的每種細胞類型，以改變我們對健康和疾病的理解。這項研究將為完全整合的HCA人類心臟細胞圖譜奠定基礎。
該研究繪制了人類心臟的8個區域，描述了75種不同的細胞狀態，包括心臟傳導系統的細胞——負責心跳的一組細胞，它們以前還沒有被如此詳細地了解。人類心臟傳導系統，即心臟的“線路”，將電脈沖從心臟的頂部發送到底部，并協調心跳。
空間轉錄組學可以給出細胞在組織中的位置的“地圖”，通過使用該方法，研究人員第一次了解這些細胞是如何相互交流的。這張“地圖”就像一本分子指南，展示了健康細胞的樣子，并為理解疾病中出現的問題提供了重要參考。
鑒于心血管疾病是全球死亡的主要原因，人類心臟細胞圖譜的組裝是關鍵。在英國，每年大約有2萬個電子起搏器被植入人體以治療心血管疾病。這些起搏器可能是無效的，而且容易出現并發癥和產生副作用。而了解心臟傳導系統細胞的生物學特征及其與肌肉細胞的區別，為促進心臟健康和開發心律失常的靶向治療方法鋪平了道路。
該團隊還推出了一種名為Drug2cell的新計算工具。該工具可以預測藥物靶點以及藥物副作用。它利用了EMBL-EBI-ChEMBL數據庫中的單細胞圖譜和1900萬個藥物靶點相互作用。
出乎意料的是，該工具發現起搏細胞表達某些藥物的靶點，例如用于糖尿病和減肥的藥物GLP1，已知其副作用是增加心率，但其機制尚不清楚。這項研究表明，心率增加的部分原因可能是這些藥物對起搏細胞的直接作用，該團隊在起搏器細胞的實驗干細胞模型中也展示了這一發現。
“心臟傳導系統對心臟的規則和協調跳動至關重要，但人們對構成它的細胞卻知之甚少。”論文第一作者、維康桑格研究所博士生James Cranley說，“這項研究定義了這些細胞的特征以及它們所處的多細胞生態位，為未來更好、更有針對性的抗心律失常療法打開了大門。”
論文第一作者、維康桑格研究所博士后Kazumasa Kanemaru說：“激活和抑制起搏細胞的機制尚不清楚，尤其是在人類中。通過在個體基因水平上了解這些細胞，我們有可能開發出改善心臟治療的新方法。”
該研究有一個意想不到的發現：傳導系統細胞和神經膠質細胞之間有著密切的關系，神經膠質細胞是神經系統的一部分。這項研究表明，神經膠質細胞與傳導系統細胞有物理接觸，可能發揮重要的支持作用：與起搏細胞溝通，引導神經末梢到達起搏器細胞，并支持其釋放神經遞質谷氨酸。
這項研究的另一個關鍵發現是心臟外表面的免疫結構。它含有漿細胞，可以向心臟周圍的空間釋放抗體，以防止附近肺部的感染。研究人員還發現了一種富含激素的細胞生態位，這種激素可以被解釋為心力衰竭的早期預警信號。
論文主要作者、倫敦帝國理工學院國家心肺研究所心臟分子病理學高級講師Michela Noseda說：“我們通常不完全知道一種新的治療方法會對心臟及其電脈沖產生什么影響——這可能意味著藥物被撤回或不能進入市場。我們的團隊開發了Drug2cell平臺，可以為我們提供一種寶貴的工具來識別針對特定細胞的新藥，并有助于在藥物開發的早期階段預測潛在的副作用。”
這項研究的資深作者、維康桑格研究所的Sarah Teichmann是HCA組織委員會聯合主席，他表示：“心臟細胞圖譜以前所未有的細節揭示了心臟微觀解剖學，包括實現每一次心跳的心臟傳導系統，是研究心臟病和設計潛在治療方法的寶貴參考。這是對HCA計劃的重要貢獻。此外，我們的一套計算方法將有助于確定重新利用現有藥物治療其他組織疾病的可能性。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06311-1
