心脏流出道发育异常是造成先天性心脏病的一种重要原因，其参与形成许多复杂性心血管畸形，约占复杂畸形发生率的25%。在流出道发育过程中，一系列不同类型的细胞群体（包括心肌细胞、间充质细胞、平滑肌细胞等）之间将会有复杂的相互影响及转换，但具体模式鲜有系统性研究。

 

2019年7月30日，国际学术期刊Cell Reports在线发表了中国医学科学院阜外医院周洲课题组的最新科研成果“Single-Cell RNA-Seq of the Developing Cardiac Outflow Tract Reveals Convergent Development of the Vascular Smooth Muscle Cells”。

 

该研究系统分析了小鼠心脏流出道5万多个细胞（来自3个连续发育时期）的单细胞转录组，并结合单分子荧光原位杂交和谱系示踪技术，发现在心脏流出道发育过程中存在心肌细胞向血管平滑肌细胞转换的情况，进而首次提出了大动脉基部平滑肌汇聚发育的概念。

南模生物为该研究提供了Tnnt2-Dre;CAG-RSR-tdTomato小鼠模型。

研究人员首先通过单细胞测序数据分析发现心脏流出道发育过程涉及6种类型的细胞，并可进一步细分为17个亚群（Fig.1）。

Fig.1  心脏流出道发育涉及细胞亚群及其分子特征

 

为了搞清细胞亚群之间的关系，研究人员构建了力导向的KNN图（Fig.2），分析细胞亚群在3个连续发育时期的动态变化，发现除了间充质细胞以外，还有一类心肌细胞（C9亚群）也同时向平滑肌细胞进行转变。因此作者提出一种假说，心脏流出道的平滑肌存在一种称为“汇聚发育”的模式。

Fig.2 心脏流出道平滑肌的汇聚发育模式

 

通过单分子荧光原位杂交技术（Fig.3），研究人员对心脏流出道连续横切面（从近端到远端）进行观察，发现了其从心肌细胞表型向平滑肌细胞逐渐过渡的现象，并且观察到表达Myh7（心肌细胞标志物）的细胞也同时表达Cxcl12（血管平滑肌标志物），验证了在心脏流出道发育过程中心肌细胞向平滑肌细胞转变的推论。

Fig.3 单分子荧光原位杂交共表达结果图

最后研究人员利用Dre-rox谱系示踪技术（即构建Tnnt2-Dre; CAG-RSR-tdTomato小鼠模型，Fig.4），特异性地标记心肌细胞后代，通过观察到tdTomato与Myh11基因（血管平滑肌标志物）的共表达再次验证了流出道发育过程中心肌细胞向平滑肌细胞转变的结论。

Fig4 谱系示踪结果验证流出道发育过程中心肌细胞向平滑肌转变

大动脉基部平滑肌汇聚发育理论的出现，为心脏发育研究增添了新的维度，对了解先天性心脏病的发病机制、寻找新的治疗方法提供了重要的理论依据和参考资料。