心力衰竭(HF)是心肌梗死(MI)的常見后果。通過鑒別MI后不同階段炎癥細胞的組成可能為建立新的生物標志物和治療方法提供線索往枷。本研究通過單細胞RNA測序(scRNA-seq)和空間轉錄組學相結合贪染，探索MI小鼠模型中與心肌梗死相關的免疫細胞時空動態(tài)。通過scRNA-seq鑒定出12個主要的免疫細胞群，并且這些細胞群的比例在MI后發(fā)生動態(tài)改變姑隅。其中巨噬細胞是最豐富的群體（>為60%伞梯，除心肌梗死后第1天外）玫氢。通過軌跡分析發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后晚期巨噬細胞中Trem2的表達上調谜诫，體內注射可溶性Trem2可顯著改善梗死心臟的功能和結構漾峡。本研究有助于更好地理解心肌梗死驅動的免疫反應，并且通過進一步研究Trem2信號通路的調控因子喻旷，將有利于探索心肌梗死后心衰的新治療策略生逸。
文章題目：Spatiotemporal dynamics of macrophage heterogeneity and a potential function of??Trem2hi?macrophages in infarcted hearts
中文題目：單細胞測序--揭示心肌梗死中巨噬細胞異質性的時空動力學和Trem2hi巨噬細胞的潛在功能
發(fā)表日期：2022.08
期刊名稱：Nature communications
影響因子：17.694
實驗平臺：10x Chromium?單細胞轉錄組測序、10x Genomics?空間轉錄組學?
DOI：10.1038/s41467-022-32284-2.
研究內容
心肌梗死后的免疫細胞動力學研究
為了獲得心臟缺血損傷后免疫細胞圖譜且预，研究者分別在MI后第1槽袄、3、5和7天通過流式細胞術分離小鼠CD45+白細胞（梗死和梗死周圍區(qū)域）并進行scRNA-seq測序锋谐。將處于穩(wěn)態(tài)（MI前）的CD45+細胞作為對照遍尺。所有時間點共捕獲33977個細胞，聚類注釋后得到12個的細胞簇(cluster)涮拗。其中最豐富的細胞群是巨噬細胞乾戏。在MI前，巨噬細胞占比最高三热，但在MI后第1天急劇下降歧蕉，從MI后第3天開始恢復，在MI后第7天達到峰值康铭。相反惯退，中性粒細胞的比例在第1天增加，然后迅速下降从藤。一些其他細胞類型也呈時間依賴性變化催跪，例如锁蠕，單核細胞在MI早期（第1天和第3天）增加，在MI晚期（第5天和第7天）減少懊蒸；淋巴細胞(T細胞荣倾、B細胞、NK細胞和ILC2細胞)在MI第1天下降骑丸，直到MI后第7天才達到穩(wěn)定值舌仍。單細胞測序數(shù)據(jù)表明，不同的細胞群在心肌梗死后的隨時間動態(tài)變化具有差異通危。
心肌梗死后免疫細胞的時空分布
為了驗證上述浸潤到梗死區(qū)域的免疫細胞铸豁，研究者對心肌梗死后第1、3菊碟、5和7天的冷凍樣本進行空間轉錄組測序（ST-seq）节芥，在每個樣本中確定4-5個細胞簇。接下來進一步研究每個spot中的細胞類型組成逆害。結果顯示头镊，中性粒細胞在MI后第1天高度浸潤到梗死區(qū)域，但隨后數(shù)量迅速減少（在MI第3魄幕、5和7天）相艇；巨噬細胞從MI后第3天開始浸潤到梗死區(qū)域，其豐度在心肌梗死晚期達到高峰（MI后第5天和第7天）纯陨；單核細胞和成纖維細胞也以時間依賴性的方式浸潤心臟梗死區(qū)域厂捞；其他免疫細胞群（如B和T細胞群）豐度非常低，分散在整個小鼠心臟（不聚集在梗死區(qū)域）队丝。MI后不同時間點的ST-seq與scRNA-seq數(shù)據(jù)相結合，結果說明心肌梗死早期單核細胞和中性粒細胞浸潤到梗死區(qū)域欲鹏，而巨噬細胞和成纖維細胞的作用相反机久。
心肌梗死后單核細胞和巨噬細胞的異質性及其時間動態(tài)改變
scRNA-seq結果顯示，巨噬細胞是心臟中最大的免疫細胞群體赔嚎。為了進一步了解MI后巨噬細胞亞型的動態(tài)變化膘盖，研究者進行了亞聚類分析，共獲得了16個亞細胞群尤误。其中3個巨噬細胞亞簇（簇1侠畔、3和13）在MI前細胞占比高，研究者將其命名為穩(wěn)態(tài)巨噬細胞(SS-Mφ)簇损晤。差異基因分析顯示软棺，SS-Mφ1（簇3）中，Lyve1尤勋、F13a1等巨噬細胞相關基因的表達升高喘落；SS-Mφ2簇（簇1）顯示出相對較高的抗原呈遞相關基因的表達茵宪；在SS-Mφ3簇（簇13）中均檢測到SS-Mφ1和SS-Mφ2的標記基因，表明這些細胞處于介于SS-Mφ1和SS-Mφ2簇之間的中間狀態(tài)瘦棋。在MI早期階段（第1和3天）稀火，單核細胞和兩個巨噬細胞簇細胞在單核/巨噬細胞總數(shù)中占比高（簇4、10和14）赌朋，稱為Early-Mφ簇凰狞。在MI晚期（第5和7天），4個巨噬細胞簇占比高（SS-Mφ1沛慢、SS-Mφ2赡若、簇2和簇5），稱為Late-Mφ簇颠焦；此外斩熊，研究者還發(fā)現(xiàn)了3個巨噬細胞群體，2個富含干擾素刺激基因的巨噬細胞群體伐庭，以及2個增殖群體（比例較低）粉渠，這些細胞群在簇6和簇15中富集，表達許多與干擾素信號相關的基因圾另，如Irf7霸株、Isg15和Ifit2，因此被定義為IFN-Mφ集乔。以上亞聚類分析揭示了巨噬細胞的異質性去件，以及巨噬細胞/單核細胞的時間動態(tài)改變，Late-Mφ和SS-Mφ簇可能在減弱心肌梗死后的炎癥反應和促進組織修復方面具有重要功能扰路。
梗死心臟的單細胞運動軌跡
為了更好地了解單核/巨噬細胞浸潤到梗死區(qū)域的過程尤溜，研究者使用Monocle R包進行軌跡分析。結果顯示汗唱，以Ly6c2hi單核細胞為根時宫莱，細胞按Early-Mφ、Transient-Mφ和Late-Mφ的順序增加哩罪。然而授霸，Transient-Mφ1和IFN-Mφ種群在相對較早的時間內發(fā)生了分化，而Transient-Mφ1與Late-Mφ沒有聯(lián)系际插。接下來研究每個細胞群中特異性表達的基因隨時間的變化碘耳。結果顯示：Early-Mφ特異性基因在Ly6c2hi?monocytes/Early-Mφ中表達上調，然后在Transient-Mφ中逐漸降低框弛，在Late-Mφ細胞中達到低水平辛辨。相反，Late-Mφ特異性基因在Ly6c2himonocytes/Early-Mφ中下調，然后在瞬時Mφ和Late-Mφ細胞中逐漸上調愉阎。值得注意的是绞蹦，在梗死的心臟組織中使用ST-seq檢查基因的表達以及巨噬細胞亞群的比例時發(fā)現(xiàn)，每個亞群的標記基因和比例以時間依賴性的方式富集在心臟梗死區(qū)域榜旦，而SSMφ1細胞在心肌梗死后的所有時間點都分散在心臟中幽七。
中性粒細胞和樹突狀細胞亞群
中性粒細胞是MI后第一天內最大的細胞群，接下來進一步鑒定5個不同的中性粒細胞亞簇（圖4a）溅呢，研究不同階段中性粒細胞和DC細胞占比及基因改變澡屡。結果顯示，MI前cluster 1和cluster 3占比高咐旧，而在MI后第1天cluster 3的比例明顯下降驶鹉，在MI后第7天逐漸增加，MI后cluster 1沒有明顯變化的趨勢铣墨。相反室埋，MI前cluster 2的占比較少，但在MI后第1天顯著增加伊约，并在第3天達到峰值姚淆。cluster 4高表達與干擾素信號相關的基因，Hspa5屡律、Dnajb9f和Hyou1等上調腌逢。對于DC細胞，鑒定出6個不同的亞簇超埋，其中cluster 2搏讶、3和4在MI死前占比高，但在MI后第5天比例逐漸下降霍殴。cluster 4表現(xiàn)出明顯的轉錄狀態(tài)媒惕，高表達Xcr1和Clec9a；cluster 6中漿細胞樣DC標記基因的上調来庭。
心肌梗死后Trem2的表達
先前的研究表明妒蔚，在動脈粥樣硬化進展過程中，小鼠心臟中Trem2的表達增加巾腕。在本研究中，免疫組化顯示絮蒿，MI后梗死區(qū)Trem2的表達逐漸增加尊搬。WB結果顯示，full-lengthTrem2的表達量逐漸增加土涝，在MI后第5天達到峰值佛寿；而solubleTrem2 (sTrem2)在MI后第3天后增加，并在第7天達到峰值。接下來冀泻，通過共定位實驗常侣，驗證Trem2hi巨噬細胞是否是MI后Trem2表達模式的主要細胞群。結果顯示弹渔，Trem2信號與CD68+信號共定位（CD68+巨噬細胞在梗死區(qū)域明顯增加）胳施，說明Trem2過表達主要發(fā)生在巨噬細胞中。此外肢专，研究者還評估了MI后第3天和第5天舞肆，在?Trem2hi?and Trem2low細胞中sTrem2的分泌水平，結果發(fā)現(xiàn)sTrem2僅在Trem2hi巨噬細胞中分泌博杖，并且sTrem2水平在MI第5天明顯高于第3天椿胯。這些結果表明Trem2在梗死心臟的巨噬細胞中高表達，而sTrem2只由Trem2hi巨噬細胞分泌剃根。
MI后期Trem2hi巨噬細胞在損傷心臟中發(fā)揮抗炎作用
接下來通過流式細胞數(shù)術分離心肌梗死小鼠模型中Trem2巨噬細胞的主要亞群進行鑒定哩盲，包括MI早期和晚期的Ccr2hi和Trem2hi巨噬細胞。結果顯示狈醉，Ccr2hi巨噬細胞的比例在MI后第1天迅速增加廉油，然后逐漸下降，說明巨噬細胞被招募到梗死區(qū)域（與scRNA-seq數(shù)據(jù)分析一致）舔糖。Trem2hi巨噬細胞的比例在MI后第3天開始增加娱两，在第5天達到峰值，說明Trem2h主要在MI晚期發(fā)揮功能金吗。Ccr2hi和Trem2hi巨噬細胞亞群基因分析結果顯示Ccr2hi巨噬細胞促炎因子相關基因的表達更高十兢，而Trem2hi巨噬細胞則表達更高水平的抗炎因子相關基因。以上結果表明摇庙，Trem2hi細胞可能具有抗炎巨噬細胞的特性旱物。這些數(shù)據(jù)表明Trem2hi巨噬細胞在心肌梗死晚期占主導地位，并具有抗炎特性卫袒。
體內注射可溶性soluble Trem2后左心室重構明顯改善
為了驗證sTrem2對心肌梗死后重構的影響宵呛，研究者向MI小鼠注射sTrem2，與對照組MI小鼠比較夕凝。結果顯示宝穗，sTrem2組小鼠MI后28天左心室射血分數(shù)(LVEF)、縮短分數(shù)(FS)和收縮末期容積(ESV)顯著降低码秉；左室擴張和重構良好逮矛，梗死壁更厚，纖維化更低转砖；sTrem2組小鼠的梗死面積明顯小于對照組小鼠须鼎，存活率明顯增加。總之晋控，這些結果表明汞窗，sTrem2在體內促進了梗死心臟的功能和結構的改善。
主要結論
本研究探索巨噬細胞異質性的時空動態(tài)及Trem2hi巨噬細胞在心臟組織修復中的潛在功能赡译，繪制了MI后梗死心臟的一個全面的單細胞和空間轉錄組圖譜仲吏。對目前理解心肌梗死驅動的免疫反應做出了重要貢獻，并且對與Trem2信號通路調控因子的深入研究將有助于建立心肌梗死后心衰的新治療策略捶朵。
四.?參考文獻
Jung SH, Hwang BH, Shin S, et al. Spatiotemporal dynamics of macrophage heterogeneity and a potential function of Trem2himacrophages in infarcted hearts.Nat Commun. 2022;13(1):4580. Published 2022 Aug 6.
