心血管疾病是全球死亡的主要原因。为了改进治疗策略和对患者风险分层评估，需要对心血管疾病的机制有更深入的了解。单细胞（核）转录组学有助于探索心脏细胞景观，进一步理解疾病的机制并指导功能研究。

心脏的构成特点及在单细胞测序中的实验方案

心脏是哺乳动物循环系统的核心，其结构复杂，主要由心肌构成，有四个腔，包括：左心房、左心室、右心房、右心室。组织类型包括心肌组织、神经组织、蒲肯野氏纤维、结缔组织、上皮组织等。心脏做单细胞测序时多建议提核，因为心肌细胞体积大（长杆状，长100-150 μm, 宽20~30 μm）， 远超过常规体细胞（近球形，直径<30 μm），目前主流商用单细胞平台难以捕获此类大细胞。若关注免疫细胞则需要做心脏组织解离。

图1 心脏示意图

心脏组织提核或解离最终获取的细胞类型占比有较大差异，主要的心血管细胞类型包括心肌细胞（Cardiomyocytes）、成纤维细胞（Fibroblasts）、内皮细胞(Endothelium)、平滑肌细胞 (SMC)、周细胞(Pericytes)、免疫细胞、神经元(Neurons)和神经胶质细胞(Glial cells)以及脂肪细胞(Adipocytes)。其中单细胞核转录组的细胞注释结果中心肌细胞（Cardiomyocytes），心内膜细胞（Endocardium）明显聚集，而单细胞转录组中T细胞的占比明显较高。若只关注心脏中的免疫细胞，建议流式或磁珠进行细胞分选。

图2 健康人和扩张型心肌患者心脏提核或解离细胞类型注释

对于心脏细胞主群标记基因如下图所示，每种细胞类型都可以进一步划分为亚型。

图3 心脏细胞主要类型及其基因表达特点和空间定位

不同心血管疾病研究中的心脏细胞种类

心肌细胞，成纤维细胞和免疫细胞是心脏中占比较大的细胞类群，根据其功能性质也是研究较多的类群。除此之外，心脏血管细胞（内皮细胞，平滑肌细胞或周细胞）在血管重塑的驱动因素和一些心脏稀有细胞（传导系统和神经元细胞，脂肪细胞，心外膜细胞）对心脏疾病的发生、发展、损伤修复以及治疗也还有待研究。

常见单细胞实验分析设计思路

心脏单细胞转录组相关文献摘录

^{梗塞心脏中巨噬细胞异质性的时空动态和 Trem2hi 巨噬细胞的潜在功能}

Spatiotemporal dynamics of macrophage heterogeneity and a potential function of Trem2^hi macrophages in infarcted hearts

期刊：Nature Communication

影响因子：14.74

实验方案：10X RNA-seq，空间转录组，Bulk转录组，流式细胞术，组织学和免疫组化分析，WB实验，共定位实验分析，qPCR

单细胞样本信息： 从心肌梗死（MI）诱导后的第0天（稳态）、第1天、第3天、第5天和第7天收集C57BL/6小鼠心脏（每组一只），通过 CD45+抗体流式分选后的细胞。空间转录组测序（ST-seq）样本在第1天、第3天、第5天和第7天采集小鼠心脏。

1 研究背景

急性心肌梗死（AMI）后的缺血损伤会诱导多种先天免疫和适应性免疫细胞的动员并招募到梗塞心脏。其中，巨噬细胞对清除梗死组织以及伤口修复和重塑过程至关重要。巨噬细胞通常根据其体外构建被广泛分为M1（表达高水平的促炎细胞因子）和M2亚型（释放抗炎细胞因子，促进血管生成和伤口愈合）。实际上巨噬细胞在体内环境更加复杂，这种二分法已经过时。因此，需要更精确的评估来准确描述MI急性期间巨噬细胞异质性的动态变化。

2 研究目的

识别心肌梗死后炎症细胞的种类组成和基因变化，为确立新的生物标志物和针对MI后梗塞心脏（HF）的治疗策略提供线索。

3 研究结果

通过在小鼠MI模型中使用空间转录组学和单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，研究了12种MI相关免疫细胞的时空动态变化。研究发现巨噬细胞是所有时间点上最丰富的细胞群体（超过60%），除了MI后第1天。轨迹推断分析显示，在MI后期巨噬细胞中Trem2表达上调。在体内注射可溶性Trem2可显著改善梗死心脏的功能和结构。这些数据有助于更好地理解MI驱动的免疫反应，并进一步研究Trem2信号通路的调节因素，以帮助开发针对MI后HF的新治疗策略。

大规模单细胞核转录组分析确定了 ATRNL1 在心房颤动中的作用

Large-scale single-nuclei profiling identifies role for ATRNL1 in atrial fibrillation

期刊：Nature Communication

影响因子：14.74

实验方案：10X snRNA-seq，Bulk转录组，小RNA干扰实验，细胞电生理实验，免疫荧光和免疫组化实验

单细胞样本信息： 16例健康人（对照组）和18例心房颤动患者的左心室

1 研究背景

心房颤动（AF）是最常见的持续性心律失常，与患者死亡、中风、心力衰竭和痴呆风险增加有关。但目前AF发病的分子仍未明确。

2 研究目的

确定心房颤动（AF）细胞类型特异性转录变化和关键基因，并验证其在该疾病的分子功能。

3 研究结果

作者对心房颤动患者和对照组的左心房（LA）样本进行了单核RNA测序（snRNA-seq）。在超过175,000个核中，发现只有心肌细胞（CMs）和巨噬细胞（MΦs）在心房颤动患者中有大量差异表达基因。在心房颤动患者的CMs中，Attractin Like 1（ATRNL1）过表达，并定位于闰盘。在敲低和过表达实验中， ATRNL1在细胞应激反应和心脏动作电位调节中发挥重要作用。此外，还检测到一个主要AF候选基因KCNN3的意外表达模式。该篇论文揭示了ATRNL1在AF的作用，它可能作为这种常见心律失常的潜在治疗靶点。

^{Bhlhe41+驻留巨噬细胞的瞬时改变可加强心肌梗塞的恢复重塑}

A transient wave of Bhlhe41⁺ resident macrophages enables remodeling of the developing infarcted myocardium

期刊：Cell Report

影响因子：7.61

实验方案：10X RNA-seq（本研究和公共数据库），空间转录组，bulk转录组

单细胞样本信息：Sham，MI（心肌梗死处理），MI-E（MI+EMPA药物处理）组分别一只小鼠

1 研究背景

心肌梗死（MI）后，大量免疫细胞被募集到心脏中以去除坏死的组织并促进愈合。但在某些情况下，免疫细胞会导致不可逆的损害，诱发心力衰竭。钠-葡萄糖协同转运蛋白2 (SGLT2) 抑制剂通过减少心肌细胞死亡和调节免疫反应呈现出较强心脏保护作用，但是否对免疫细胞有直接作用尚不清楚。

2 研究目的

探究EMPA（SGLT2抑制剂恩格列净）治疗小鼠MI后心脏巨噬细胞亚群的动态演变，找到关键亚群的基因调控。

3 研究结果

作者鉴定出在梗死进展区中短暂出现了单核细胞衍生的Bhlhe41⁺巨噬细胞，其在第7天达峰。通过Bhlhe41^{+巨噬细胞共培养体系和}Bhlhe41^{+巨噬细胞耗竭小鼠进行功能表征}，揭示了Bhlhe41⁺巨噬细胞在抑制肌成纤维细胞活化中的重要贡献。本研究阐明了心梗微环境对巨噬细胞表型和可塑性方面的影响以及梗死区巨噬细胞功能差异和时空异质性，并强调了Bhlhe41⁺巨噬细胞在限制梗死面积扩大方面的重要性，也为缺血性心脏病的免疫治疗提供可参考的解决方案。

参考文献

[1]Koenig, Andrew L., et al. "Single-cell transcriptomics reveals cell-type-specific diversification in human heart failure." Nature cardiovascular research 1.3 (2022): 263-280.

[2] 朱庆元, and 李天晴. "单细胞转录组测序技术在心脏发育, 疾病以及医学中的应用." 生物技术通报 37.1 (2021): 145.

[3]Xu, Yue, et al. "A transient wave of Bhlhe41+ resident macrophages enables remodeling of the developing infarcted myocardium." Cell Reports 42.10 (2023).

[4]Hill, Matthew C., et al. "Large-scale single-nuclei profiling identifies role for ATRNL1 in atrial fibrillation." Nature Communications 15.1 (2024): 10002.

[5]Huang, Chuying, et al. "Pharmacological activation of GPX4 ameliorates doxorubicin-induced cardiomyopathy." Redox Biology 70 (2024): 103024.