新生儿心尖切除术可保留整个左心室心肌细胞的增殖能力

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心尖切除术 心肌细胞 细胞周期 心脏再生 热休克蛋白 左心室 猪模型

一、学术背景：再生医学面前的心脏之谜

心血管疾病尤其是心肌梗死（Myocardial Infarction, MI）导致的心脏损伤是全球范围内最主要的致死和致残原因之一。然而，成年哺乳动物心脏长期以来被认为几乎丧失了内源性再生能力，绝大多数成熟心肌细胞（Cardiomyocytes）进入永久性细胞周期停滞，一旦受损便不可逆地转化为瘢痕组织，导致心衰和死亡。相比之下，鱼类和蝾螈等低等脊椎动物具备极强心肌再生力，而哺乳动物仅新生（出生后数天内）个体偶有报告显示存在短暂的心肌再生窗口。这一限制极大阻碍了心脏再生医学的进步，也使心力衰竭等疾病难以实现根本治愈。

针对哺乳动物早期心脏再生能力，已有研究证实新生小鼠、猪等大型哺乳动物在出生后1天（P1, Postnatal day 1）损伤可激发心肌细胞的有限再生反应，而此能力会在数天内迅速丧失。与此同时，临床与实验室研究主要聚焦于损伤区域及其临近的“边缘带”（Border Zone, BZ）心肌细胞的增殖性响应。然而，远离损伤区的“远端区”（Remote Zone, RZ）心肌细胞能否被激活、是否具备增殖能力、损伤诱导的再生机制是否能覆盖整个心室，仍然尚无系统性、定量的数据。此外，关于心肌细胞增殖调控分子尤其是热休克蛋白（Heat Shock Protein，HSP）在损伤诱导再生中作用的系统研究也极为有限。由此，如何全面揭示大型哺乳动物新生心肌再生的机制，寻找外科与分子共同促进再生的介入点，是当前心脏再生与转化医学亟待解决的重要科学问题。

二、论文来源与团队介绍

本文题为“newborn apical resection preserves the proliferative capacity of cardiomyocytes located throughout the left ventricle”，是一篇原创研究论文，发表于权威学术期刊 Stem Cells，2025年43卷5期（advance access publication 2025年4月17日）。该论文的主要作者包括Kaili Hao、Thanh Nguyen、Yuji Nakada、Gregory Walcott、Yuhua Wei、Yalin Wu、Daniel J Garry、Peng Yao及Jianyi Zhang等，主要来自亚拉巴马大学伯明翰分校（University of Alabama at Birmingham）、明尼苏达大学（University of Minnesota）与罗切斯特大学（University of Rochester）等机构。Peng Yao和Jianyi Zhang为共同通讯作者。该团队长期聚焦于大型哺乳动物心脏再生的机制解析、单细胞/单核转录组测序、人工智能数据挖掘等领域，在心脏再生与转化医学方面具有深厚积淀。

三、研究流程详解与创新方法

1. 研究总体设计与动物模型

本研究聚焦于新生猪（piglet）作为实验对象，比较以下两类模型的心脏再生能力：

  • 新生1天（P1）进行心尖切除术（Apical Resection, AR，简称ARP1）后，28天（P28）再次通过结扎左前降支冠状动脉诱导心肌梗死（MI），并于P56观察愈合情况。
  • 对照组则仅在P28诱导MI，无早期切除。

据前期报道，仅MI组心脏严重瘢痕化，而经ARP1处理后再损伤组心脏几乎无可见瘢痕，且再生主要靠心肌细胞自身增殖。论文进一步提出假设——ARP1能不能保护整个左心室各区域心肌细胞的增殖潜能，而非仅局限于切除邻近区。

2. 采样与免疫荧光分析

研究选取不同时间点（P2、P4、P8、P15、P28）新生猪心脏，通过心尖切除术（约5mm上心尖）和MI术（约距离心尖2cm）进行分区，分别采集靠近切除区的边缘带（BZ）、远离切除区的远端区（RZ）以及健康对照组标本。样品量涵盖每组3头猪。关键检测指标包括：

  • 心肌细胞周期活性标志物——磷酸化组蛋白H3（phosphorylated histone 3, PH3）和对称型Aurora B激酶（Symmetric Aurora B, SAUB）表达。
  • 经免疫荧光染色标记CTnT（cardiac troponin T）、a-Actin（α-肌动蛋白）等确定心肌细胞身份。
  • 多点（每组n≥20）组织切片取像，定量阳性比例。

3. 单核RNA测序与人工智能分析

团队利用10X Genomics单核RNA测序（snRNA-seq）技术，采集心脏不同区域、时期的心肌细胞核转录组数据，得出高维数据后，创新性使用“细胞周期特异性自编码器”（Cell-cycle-specific Autoencoder）进行10维降维及聚类分析，并结合UMAP（Uniform Manifold Approximation and Projection）可视化聚类，进一步以DBSCAN算法（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）自动识别细胞亚群。

分析对象涵盖胚胎期、健康对照各时期（P1、P2、P28）、ARP1处理组不同区域等多组细胞。团队自主开发及优化的AI分析工具在此前文献已有发表。

4. 分子作用通路与机制探索

借助Ingenuity Pathway Analysis，团队对激活的细胞亚群富集基因做通路分析。重点聚焦于热休克蛋白家族成员（HSPA5、HSP90B1、HSP90AB1）及其下游的低氧诱导因子HIF1（Hypoxia-inducible factor 1）信号通路。并在人源AC16心肌细胞系中通过慢病毒介导过表达/敲低上述热休克蛋白，采用Western Blot检测PH3、PRX-V（抗氧化因子peroxiredoxin V）、P53及其磷酸化状态等下游分子，阐明调控机制。

5. 组织水平与分子水平双重验证

鉴于传统免疫组化易存在采样偏倚，团队在图像采集团队运用：
- 小区域高信号靶向采集，以及
- 随机盲法选定大面积取样（横跨3mm、覆盖≥10%组织），对PH3、HSPA5、HSP90B1等指标进行Z-stack多层扫描与矩阵分割定量，再用自研MATLAB程序加工、可视化热图、violin plots，保证定量分析全面可信。

此外，部分指标采用qRT-PCR在组织水平做分子验证，整体实验设计注重多层次数据互证。

四、主要结果详述

1. 心肌细胞周期活性在全左心室内增殖相关标志物显著上调

PH3和SAUB表达在ARP1模型中，不论是切除区边缘（BZ）还是远端未损区（RZ），均在P2—P8时段持续升高，P14、P28虽略有下降但总水平高于对照组，差异有极高统计学显著性。两区域间的PH3/SAUB阳性细胞比例在任何时间点均无显著差异，否定了再生局部化的传统观念。结合NKX2-5等心肌细胞核标志物重复验证，结果一致。长轴面积、密度等分析亦证实两区细胞大小、数量接近。

2. 单核RNA测序揭示全腔室普遍的高增殖细胞亚群

snRNA-seq数据AI分析清晰识别出4个心肌细胞亚群：

  • CM1：主要在胚胎及ARP1模型P8、P15阶段显著富集，并且BZ与RZ比例近似。该亚群高度共表达Aurora B、MKI67、INCENP、CDCA8、BIRC5等细胞周期/分裂关键分子，认定为活跃增殖型心肌细胞。
  • CM2：较多见于胚胎与早期，相关基因侧重于胞间连接及ECM（基质）成分，主导结构重塑与信号传导。
  • CM3：富集于ARP1模型P8，涉及中心体/染色质相关调控，为周期启动相关亚群。
  • CM4：为大多数未分裂型终末分化心肌细胞。

从时间轴与亚群占比趋势看，ARP1组远近两区CM1/CM3增殖亚群同步凸显，提示切除术效应超越局部，可激活左心室各区的再生能力。

3. 热休克蛋白与HIF1α通路为主要分子调节轴

通路富集及免疫组化定量表明，HSPA5、HSP90B1、HSP90AB1等热休克蛋白在ARP1模型P2-P8时期无论BZ还是RZ均强烈上调，BZ/RZ差异不显著。AI分析表明细胞群中高表HIF1信号/HSPA5表达比重在ARP1 P4时达到峰值，同步拉动下游增殖和抗氧化防护相关通路。

4. 分子机制验证：HSPA5/HSP90B1促进人心肌细胞增殖

在AC16心肌细胞系体外实验证实：

  • 过表达HSPA5明显提升PH3（细胞周期）及PRX-V（抗氧化）表达，降低P53及其磷酸化（促增殖）；
  • 敲低HSPA5则相反：PH3、PRX-V下降，P53上升。
  • HSP90B1同样促进HSPA5上调及细胞增殖，下调P53通路。

表明热休克蛋白通过高效维持心肌细胞周期和抗氧化状态，促进再生，且与肿瘤细胞的一些机制类似（如p53抑制）。

五、研究结论与价值

1. 主要结论

新生猪心尖切除术（ARP1）能显著并持久保护左心室各区域心肌细胞的再生潜能，促进广泛分布的心肌细胞周期活动，突破了心脏损伤再生仅局限损伤区的传统认知。该机制或与HSPA5/HSP90类热休克蛋白上调—HIF1信号激活—P53下调—抗氧化增强密切相关。

2. 科学与应用价值

本研究首次在大型哺乳动物中系统揭示：（1）外科处理（心尖切除）可永久性“重新编程”新生心肌细胞全腔室再生力；（2）HSPA5等热休克蛋白及HIF1信号为心脏再生分子调控枢纽；（3）提出以系统性干预（外科+分子）实现哺乳动物心脏广泛再生的全新治疗思路。对推动心力衰竭再生医疗及分子药物开发具有理论和转化潜力。

3. 研究亮点与创新

  • 全腔室再生证据：首次实验证明心尖切除术可令左心室所有区域心肌细胞增殖潜能得以长期保留；
  • AI赋能大数据分析：采用细胞周期特异自编码器与UMAP/DBSCAN无偏聚类，揭示更精细细胞谱系与功能亚群；
  • 分子机制多维验证：动物组织-细胞实验-分子机制相结合，全面阐明HSPA5/HSP90B1多轴激活心肌再生的作用；
  • 创新取样与定量分析：大面积盲法取样与小区域靶向成像互补、多模态MATLAB算法定量提升结论可信度。

4. 其他宝贵信息

论文还讨论了热休克蛋白HSPA5作为非经典RNA结合蛋白在多种细胞类型（包括心肌细胞）中的潜在mRNA调控作用，提示其不仅仅为蛋白伴侣分子，还可能通过RNA作用影响翻译和蛋白折叠，为后续基础机制研究提供方向。

六、总结与展望

本研究从外科操作、免疫分子、单细胞组学、人工智能及分子功能机制五位一体，首次全面揭示大型哺乳动物新生期心尖切除术激活全左心室心肌细胞普遍再生潜力，并解析其以热休克蛋白为枢纽的调控网络。该成果为心脏再生医学“全腔室、多靶点、系统性促进”的新范式带来范例，也为开发新型再生介入治疗策略提供坚实支撑。未来围绕热休克蛋白的RNA结合活性、组织特异靶向，以及联合外科与分子干预的临床转化，将成为心脏再生领域的重要趋势。