最近の 自然 この研究では、単一細胞リボ核酸 (scRNA) シーケンスと高解像度多重エラーロバスト蛍光の組み合わせを使用しています。 現場で 人間の心臓を形成する心臓細胞の種類をより深く理解するためのハイブリダイゼーション (MERFISH)。
勉強： 空間的に組織化された細胞コミュニティは、発達中の人間の心臓を形成します。 画像クレジット: liseykina / Shutterstock.com
背景
心臓は最初に発達する臓器であり、その機能はその形態学的特徴に依存しています。 これらの心臓構造の変化は、最も一般的な先天異常の 1 つである先天性心疾患につながる可能性があります。 子供に加えて、心臓の形態的特徴に異常のある成人も弁膜症や肥大型心筋症を発症するリスクが高くなります。
したがって、複雑な心臓構造を形成し、その機能に重要な、空間的に調整された多様な細胞タイプを理解することが不可欠です。 現在まで、心臓細胞の種類の相互作用や、それらがどのように組織化されて完全に機能する心臓を形成するかについては完全には理解されていません。
研究について
今回の研究では、心臓の形態形成に直接関連する協力的な細胞相互作用が特定された。 これに関連して、発達中のヒト心臓の MERFISH とともに、包括的な scRNA 配列が実行されました。 ここでは、単一細胞トランスクリプトミクスと空間生物学の可能性を利用して、個々の細胞内の多数の遺伝子からの RNA 転写物を分析しました。
研究結果
最初に、発生中の心臓を構成する特定の細胞系統が、scRNA-seq を使用して研究されました。 この技術により、受胎後 9 ～ 16 週間 (pcw) の間のヒトの心臓の複製が可能になりました。
完全に形成された成人の心臓よりも著しく小さい発育中の心臓を解剖して、無傷の心腔を形成した。 この戦略により、心室中隔 (IVS) の調査が可能になり、特に過小評価されている領域からより多くの細胞型を識別する能力が向上しました。
合計 142,946 個の単一細胞が心臓サンプルから収集され、scRNA-seq を使用して分析されました。 これらの細胞内では、内皮、心筋細胞、血液間葉、および神経細胞の区画が分離されていました。
遺伝子マーカー分析とグラフベースのクラスタリングにより、各細胞コンパートメント内の 12 の細胞クラスが特定され、さらに細胞クラスタリング分析により 39 の集団が特定されました。 注目すべきことに、新たに同定された細胞系統は、その解剖学的位置と発生状態に起因すると考えられる不均一性を示し、したがって人間の心臓の発生の複雑さを浮き彫りにした。
MERFISH イメージングにより、scRNA-seq で同定された心血管細胞の空間構成が解明されました。 scRNA-seq クラスタリング分析に NS-Forest2 分類子を適用すると、MERFISH をコードするプローブの標的となる 238 個の細胞部分集団に特異的な遺伝子の同定が可能になりました。
細胞セグメンテーションと適応フィルタリングを通じて、258,237 個の細胞から合計 1 億 820 万個の転写産物が生成されました。 MERFISH 実験で同定された RNA 転写物は、実験の複製および scRNA-seq データセットとの有意な相関を示しました。
心臓遺伝子マーカー分析により、scRNA-seq によって発見された発生クラスに関連する可能性のある 27 の異なる MERFISH 細胞集団が同定されました。
総合すると、多峰性解析により、人間の心臓の発生と形態形成に関与する多様な心血管系譜の発見につながりました。 MERFISH イメージング解析と scRNA-seq データの相関関係により、空間的に分解された個々の細胞の転写プロファイルと特定の遺伝子の機能について新たな洞察が得られました。
細胞間相互作用（CCI）アルゴリズムに影響を与える特定の遺伝子の役割も、相互作用を促進するために空間的に隣接する細胞集団間で発現する異なる細胞シグナル伝達リガンド-受容体ペアを同定することによって調査された。 この目的を達成するために、心室壁の特定の層内の相互作用する細胞集団のさまざまな組み合わせの間で、独特のプレキシン-セマフォリン (PLXN-SEMA) シグナル伝達経路が観察されました。
PLXNA2+ PLXNA4+ 心室心筋細胞、SEMA6A+ SEMA6B+ 内皮細胞、および SEMA3C+ SEMA3D+ 線維芽細胞間の異常な多細胞相互作用が確認されました。 これらの相互作用は、心室壁の圧縮の形態形成中の心筋細胞の配置を調節する可能性がある。
結論
scRNA-seq と MERFISH アプローチを組み合わせたことにより、研究者らはヒト心臓の発生過程における包括的な心臓細胞アトラスを空間的および分子的単一細胞解像度で構築することができました。
ここでは、伝導系や心臓弁などの心臓の過小評価されている領域からの新しい心臓細胞集団が同定され、それによってヒトの心臓を構成する細胞型についての現在の知識が強化されました。
MERFISH ベースの高解像度空間心臓細胞アトラスは、特定された細胞タイプがどのように相互作用し、異なる心臓構造の形成に影響を与えるかについて新たな洞察を提供しました。 全体として、この研究結果は、先天性および成人の構造的心疾患を決定する病理学的メカニズムをより深く理解することを目的とした将来の研究をサポートする可能性があります。
参考雑誌:
- ファラー、ネブラスカ州、フー、RK、カーン、C.、 他。 (2024) 空間的に組織化された細胞コミュニティが、発達中の人間の心臓を形成します。 自然。 土井：10.1038/s41586-024-07171-z
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