Nat Genet：揭示心脏中暂时激活的成纤维细胞可促进斑马鱼心脏再生

在一项新的研究中，来自德国马克斯-德布吕克分子医学中心（MDC）的Jan Philipp Junker教授和Daniela Panáková及其研究团队发现，斑马鱼在受伤后可以再生心脏组织，而且心脏中的成纤维细胞通过暂时进入激活状态在这个过程中发挥了重要作用。相关研究结果于2022年7月21日在线发表在Nature Genetics期刊上，论文标题为“Origin and function of activated fibroblast states during zebrafish heart regeneration”。

当一个人遭受心脏病发作并且没有得到足够快的治疗时，心肌细胞因缺氧而受损并开始死亡。随后心脏中形成疤痕组织，由于我们不能产生新的心肌细胞，心脏就不能再像它应该的那样泵送血液。像斑马鱼这样的低等脊椎动物的情况则非常不同，它们可以再生器官---包括它们的心脏。

Junker说，“我们想找出斑马鱼是如何做到这一点的，以及我们是否可以从中学习。”这些作者在斑马鱼的心脏中模拟了心肌梗塞损伤。利用单细胞分析和细胞谱系树，他们跟踪了斑马鱼体内心肌细胞的再生情况。

人类的心脏停止了再生

这些作者首先在显微镜下用一根冰冷的针放入斑马鱼一毫米大小的心脏，持续几秒钟。这根针会杀死它所接触的任何组织。就像人类心脏病患者一样，这引起了炎症反应，随后称为成纤维细胞的结缔组织细胞产生了疤痕。Junker 说，“令人吃惊的是，对这种损伤的直接反应非常相似。但是，虽然人类的过程在这个时间点上停止了，但它在斑马鱼体内继续进行。它们形成新的心肌细胞，这些心肌细胞能够收缩。”

他继续说，“我们想确定来自其他细胞的协助促进这种再生的信号。”Junker团队使用单细胞基因组学来搜索受伤的心脏，以便寻找健康斑马鱼心脏中不存在的细胞。他们发现了三种暂时进入激活状态的新型成纤维细胞。虽然它们在外形上与其他成纤维细胞相同，但这些被激活的新型成纤维细胞可以读取一整套额外的基因，这些基因负责表达包括胶原蛋白12等结缔组织因子在内的蛋白。

成纤维细胞给出促进心脏再生的信号

在人类中，疤痕（或者说纤维化）被看作是心脏再生的一个障碍。但是，成纤维细胞一旦进入暂时激活的状态，似乎对这一过程很重要。当Panáková使用基因手段关闭斑马鱼中表达胶原蛋白12的成纤维细胞时，它们有多重要就变得很清楚。结果就是它们没有心脏再生。Junker认为，成纤维细胞负责提供修复信号是有道理的。他说，“毕竟，它们就在遭受损伤的地方形成。”

为了确定这些被激活的成纤维细胞的来源，Junker团队使用一种名为LINNAEUS的技术制作了细胞谱系树，他的实验室在2018年开发了这种技术。在LINNAEUS中，每个细胞是由Cas9在早期发育过程中产生的可遗传DNA条形码标记的。Junker解释说，“我们使用CRISPR-Cas9基因剪刀构建这种条形码。如果在遭受受损后，两个细胞有相同的条形码序列，这意味着它们是相关的。”他们确定了两个暂时激活的成纤维细胞来源：心脏外层（心外膜）和心脏内层（心内膜）。产生胶原蛋白12的成纤维细胞仅在心外膜中发现。

不同学科在这项新研究中紧密合作

多名MDC研究人员在整个研究过程中进行了合作---从针对斑马鱼的实验，到遗传分析，再到研究结果的生物信息学解释。论文共同第一作者Sara Lelek说，“对我来说，最激动人心的事情是看到我们的学科如何相互补充，以及我们如何在活的动物身上验证生物信息学的结果。这是一个大项目，让我们都能贡献自己的专业知识。我想这就是为什么这项研究如此全面，对许多研究人员如此有用。”

斑马鱼再生性心脏的细胞组成，图片来自Nature Genetics, 2022, doi:10.1038/s41588-022-01129-5。

同样作为论文共同第一作者的Bastiaan Spanjaard博士也同意这一点。“因为我们有如此不同的专业领域，所以我们经常不得不向对方解释我们的实验和分析。心脏再生是一个复杂的过程，受到许多不同事物的影响。这些实验产生了大量的数据。从这些数据中筛选出正确的生物信号是巨大的挑战。”

目前仍不清楚人类和小鼠等哺乳动物的受损心脏是否缺乏必要的信号或读取这些信号的能力。如果这些信号的确缺乏，那么最终可能开发出药物来模拟它们。但是，Junker说，找到一种模拟信号解释的方法将会困难得多。

成纤维细胞也有助于形成新的血管

这些作者如今想更仔细地观察这些临时激活的成纤维细胞特别频繁读取的基因。他们知道，其中的许多基因对于向周围地区释放蛋白很重要。这些基因可能包括也影响心肌细胞的因子。初步证据表明，被激活的成纤维细胞不仅仅是促进心脏的再生；它们还有助于形成新的血管，为心脏提供氧气。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Bo Hu et al. Origin and function of activated fibroblast states during zebrafish heart regeneration. Nature Genetics, 2022, doi:10.1038/s41588-022-01129-5.

2. How the zebrafish repairs a broken heart

https://www.mdc-berlin.de/news/press/how-zebrafish-repairs-broken-heart