人类心脏发育的细胞社会：高分辨率单细胞图谱揭示心脏结构的空间组织机制

作者及发表信息
本研究由来自美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的Elie N. Farah、Robert K. Hu、Quan Zhu和Neil C. Chi等21位学者合作完成，于2024年3月28日发表在《Nature》期刊（Volume 627）。研究通过整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）和高分辨率多重误差鲁棒荧光原位杂交（multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization, MERFISH）技术，首次构建了人类胚胎心脏发育的单细胞空间图谱。

学术背景
心脏是胚胎发育中第一个形成的器官，其功能高度依赖于复杂的形态结构。先天性心脏病（congenital heart disease）是最常见的出生缺陷，而成人结构性心脏病（如肥厚型心肌病和瓣膜病）也与心脏发育异常密切相关。然而，心脏中多样化的细胞类型如何通过空间协调形成功能性结构，长期以来尚不明确。传统单细胞转录组技术虽能解析细胞异质性，但缺乏空间信息；而原位成像技术又受限于通量。本研究旨在填补这一空白，通过多模态技术揭示心脏发育中细胞群体的空间组织规律及其调控机制。

研究流程与方法
1. 样本收集与处理
研究分析了妊娠9-16周（post conception weeks, p.c.w.）的人类胚胎心脏，共获得142,946个单细胞的scRNA-seq数据。心脏样本按解剖区域（如心房、心室、室间隔）分离，以提高稀有细胞类型的检出率。MERFISH实验针对12-13 p.c.w.心脏冠状切片，设计238个细胞亚群特异性基因探针，检测了258,237个细胞中1.08亿条转录本，平均每个细胞检测到85个基因的365条转录本，显著优于传统scRNA-seq的检测效率。

1. 多模态数据整合

   • scRNA-seq分析：通过图聚类和标记基因鉴定，将细胞分为心肌细胞（cardiomyocyte）、间充质细胞（mesenchymal）、内皮细胞（endothelial）、血液细胞（blood）和神经元细胞（neuronal）五大类，进一步细分出39个细胞群和75个亚群。
     
   • MERFISH空间映射：基于NS-Forest2分类器筛选的基因探针，通过半监督图聚类将MERFISH数据分为27个空间细胞群，与scRNA-seq结果高度一致。联合嵌入（joint embedding）技术实现了基因表达的跨模态填补（imputation），扩展了MERFISH未检测基因的空间定位能力。
     

2. 细胞社区（cellular communities, CCs）分析
   以150微米为相互作用半径定义细胞邻域，识别出13个CCs，对应心脏不同解剖结构（如左/右心房、心室壁分层、传导系统等）。心室壁CCs显示分层复杂性：外层（outer-lv）以致密心肌细胞（compact ventricular cardiomyocytes, vCMs）和成纤维细胞为主；内层（inner-lv）以小梁心肌细胞（trabecular vCMs）为特征；中间层（intermediate-lv）则存在杂交心肌细胞（hybrid vCMs），表达致密和小梁细胞的双重标记基因（如HEY2和IRX3）。

3. 细胞互作与信号通路
   通过配体-受体对分析发现，中间层CCs富集plexin-semaphorin（PLXN-SEMA）信号通路：

   • SEMA3C+成纤维细胞通过旁分泌吸引PLXNA2/PLXNA4+小梁心肌细胞向中间层迁移；
     
   • SEMA6A/SEMA6B+内皮细胞通过细胞间接触排斥上述心肌细胞，限制其过度迁移。
     为验证这一机制，研究利用3D生物打印技术构建人类多能干细胞（hPSC）心室壁模型，证实SEMA3C可驱动小梁样心肌细胞迁移，而SEMA6A/6B能阻断此效应。小鼠模型（Tcf21-CreERT2;Sema3cfl/fl）进一步显示，SEMA3C缺失导致心室壁小梁化过度和致密层变薄。

主要结果
1. 心肌细胞亚群的时空特异性
- 心室心肌细胞分为13个亚群，包括左/右心室特异性、致密层/小梁层特异性及传导系统相关亚群。
- 杂交心肌细胞（hybrid vCMs）在13 p.c.w.占比最高，随发育逐渐消失，提示其为心室壁重塑（如心肌致密化）的过渡态。

1. 非心肌细胞的空间分工

   • 心内膜细胞（endocardial cells）分化为心房型（aEndocardial）、心室型（vEndocardial）和瓣膜型（valve endocardial cells, VECs），分别表达SHISA3、NSG1和COL26A1。
     
   • 成纤维细胞按心室区域分化为致密型（compact vFibro）和小梁型（trabecular vFibro），可能通过分泌ECM调控心肌层形成。
     

2. PLXN-SEMA信号的发育调控

   • 在中间层CCs，SEMA3C+成纤维细胞与PLXNA2/4+心肌细胞的梯度分布驱动心室壁分层；内皮细胞通过SEMA6A/6B建立迁移边界。这一机制解释了临床左心室致密化不全（left ventricular non-compaction）的潜在病因。

结论与意义
本研究首次在单细胞分辨率下解析了人类心脏发育的“细胞社会”模型，揭示了PLXN-SEMA信号通路通过多细胞互作调控心室壁形态发生的机制。其科学价值在于：
1. 理论层面：提出心脏结构发育的“社区化”原则，即细胞通过局部微环境特化并自组织为功能单元；
2. 临床层面：为先天性心脏病提供新的分子诊断靶点（如SEMA3C/6A/6B）；
3. 技术层面：多模态整合策略为复杂器官发育研究树立了新范式。

研究亮点
1. 技术创新：首次将MERFISH的空间分辨率与scRNA-seq的转录组广度结合，实现基因表达的原位验证与预测；
2. 发现突破：鉴定出杂交心肌细胞这一过渡态群体，阐明其在心室壁重塑中的动态作用；
3. 跨物种验证：通过hPSC模型和小鼠遗传学，确立PLXN-SEMA通路在人类心脏发育中的保守性。

其他价值
研究建立的公开数据集（DOI: 10.1038/s41586-024-07171-z）可作为心脏发育研究的基准参考，并为组织工程中多细胞协同组装提供设计原则。