Xenium文献分享--心室辅助装置减负荷可逆转单心室疾病中的微血管衰老

作者，Evil Genius

很多人问我既然不能从事科研，天天看文献有啥用，其实对我也没啥用，我就单纯想看看前沿的进展以及空间转录组、分子对接等技术运用到哪了。

当然了，爱好不能当饭吃，还是要努力有一份稳定的工作，马上就是省考和事业编考试，我相信很多人参加，希望大家考上以后，业余能坚持坚持自己喜欢的方向。

不过对于编制内从事科研的人员来说，每天看文献那可是必修课，之前提到过，做科研有一个很重要的地方就是阅读量，只有大量的阅读，才能抓住课题思路、分析方法、前沿进展等等一系列内容，写文章的时候大量的引用前沿文献，也会对文章增色不少。

今天我们分享xenium的文章，很明显应该是国人发的。

知识积累

左心发育不全综合征（HLHS）是一种严重的先天性心脏病，其特征为左心室（LV）发育不良，伴有主动脉根部和瓣膜畸形，这使得右心室（RV）必须承担体循环和肺循环的双重泵功能（这让我想起了我的初中同学，他的孩子就是心脏发育不良），HLHS中的右心室处于一个缺氧且容量负荷过重的微环境中。

手术后通过单一的右心室维持体循环，以优化氧合、心输出量和整体循环。尽管采取了这些干预措施，仍有大约一半的HLHS患者会进展为心力衰竭（HF），其背后机制尚不明确。

在缺氧和承受机械应力的HLHS心脏中，多种细胞类型表现出过早老化和衰老迹象。

结果1、HLHS 中的病理细胞状态

snRNA-seq 和 Xenium 分析匹配样本。

结果2、HLHS心肌细胞呈现缺血和衰老状态

通过差异表达分析，我们鉴定出与供体对照组相比，HLHS心肌细胞中上调的基因（如NFE2L1、JAK1、PIK3R1、FOXO3和BCL2）和下调的基因（如ANKRD9、GATA4和CARMN）。HLHS心肌细胞中富集的基因包括JAK1和FOXO3，这些基因参与衰老过程。

衰老和老化在机制上相互关联，但它们是不同的概念，老化反映了衰老细胞的逐渐积累。

使用一个组合基因集来测量衰老基因程序，该基因集包括代表衰老相关分泌表型和细胞衰老过程的基因，定义为“衰老特征”。HLHS心肌细胞表现出衰老特征表达升高，而患有心力衰竭的扩张型心肌病患者的心肌细胞则未表达衰老特征，这表明衰老不太可能是一种普遍的心力衰竭反应。在成年心梗后心脏缺血区的心肌细胞中也观察到衰老特征增加，这表明缺血与衰老有关.

病理状态与分型： HLHS心肌细胞主要存在三种状态（CM1、CM2、CM3）。其中，CM3是关键的病理状态，表现为缺血性、肥大和深度衰老（高表达p16、p21等衰老标志物）。从CM1到CM3，衰老程度逐步加深。

可逆性证据： 通过VAD治疗，深度衰老的CM3丰度显著下降（60-80%），而中间状态的CM2丰度增加。这表明VAD能够逆转最严重的衰老状态（CM3），使其退回到相对不那么严重的CM2状态。

内在属性： 除了在患者心脏组织中存在，HLHS来源的iPS细胞分化出的心肌细胞也富集了CM2和CM3的特征（包括衰老特征）。这说明衰老是HLHS心肌细胞的一种内在固有属性，即使在细胞重编程后依然存在，而非单纯由出生后的环境因素导致。

结果3、HLHS心肌中的衰老微环境可通过机械卸载逆转

通过比较同一批患者VAD置入前后配对样本的转录组数据，发现VAD治疗后HLHS心肌中的衰老相关基因表达特征显著降低。

对VAD治疗前后的组织学分析显示，VAD后心肌细胞体积减小，这与临床观察到的减轻压力与容量负荷可逆转心肌肥厚的现象一致。伴随VAD后CM3细胞丰度降低，残留的p16阳性CM3细胞体积也有所减小，提示心肌细胞肥厚程度的减轻与衰老表型的减弱之间存在关联。

除了之前发现的心肌细胞（CM3）外，研究还鉴定出四种在HLHS中富集的非心肌细胞衰老亚群，共同构成衰老微环境：

成纤维细胞亚群5（FB5）

内皮细胞亚群4（EC4）

周细胞亚群2（PC2）

巨噬细胞亚群3（MP3）

在HLHS患者中，这五种细胞群体的总丰度比对照组增加了2至4倍。

VAD的逆转作用：

分子层面：VAD治疗后，衰老相关基因表达特征显著降低。

细胞层面：上述五种富集的衰老细胞亚群（CM3、FB5、EC4、PC2、MP3）的丰度在VAD后显著减少，回落至接近对照组的水平。同时，心肌细胞肥大程度减轻，且残留衰老细胞的体积也减小。

代偿反应：VAD后，部分非衰老细胞亚群（如CM2、FB1、MP2）丰度增加，可能反映了心脏卸载后的代偿性重塑。

患者异质性：

通过空间转录组学验证发现，不同HLHS患者之间衰老微环境的程度存在差异：

部分患者多个衰老细胞群体水平均显著升高。

另一些患者的细胞状态谱则更接近健康对照组。

这表明衰老微环境的形成及其对VAD的响应性因人而异，可能受临床干预或遗传背景影响。

HLHS心肌中的衰老微环境及其空间特征

经VAD治疗后减少的细胞状态（即VAD敏感细胞状态）的特征，发现这些细胞的衰老相关基因特征评分很高，提示它们共享相似的基因程序。对这些细胞状态的进一步分析显示，衰老细胞上调了一个由135个基因组成的共同基因集，包括STAT3、MYC、SOCS3以及其他细胞衰老相关基因，例如参与DNA损伤应答的基因（GADD45B、ELL和ELOC）。

JAK-STAT信号级联是IL-6（一种SASP组分）下游一条明确的信号通路。HLHS中的衰老细胞状态对IL-6等SASP因子有响应，并共同形成一个"衰老微环境"。

那些VAD敏感的衰老细胞状态（FB5、EC4、MP3和PC2）在HLHS样本的捕获区域内存在共定位现象，而在对照组中则未观察到。

成对比较分析显示，CM3与这四种衰老非心肌细胞的共定位情况很少见（面积<0.8%），表明出生后形成的衰老微环境已独立于CM3存在。

为了定量刻画HLHS衰老微环境的特征，利用Visium空间转录组学的spots排列，将每个衰老微环境周围约100微米范围内的三层区域标记为"邻域spot"，而距离超过400微米的spot则标记为"远端spot"。邻域与远端的比较显示，衰老特征信号在微环境中心达到峰值，并随着距离增加而衰减。Xenium空间转录组学在单细胞分辨率下证实了微环境中心的存在，并定量显示了衰老非心肌细胞周围衰老特征转录本的向外递减趋势，这种趋势在I-III期HLHS中很强，而在VAD后则减弱。

基于Xenium数据的无偏倚邻域分析（半径：100微米）鉴定出重复出现的、不依赖于基因表达的多细胞微环境，进一步支持了离散的衰老热点区域的存在。分析再次揭示了一个富含非心肌细胞衰老状态的衰老微环境，而在VAD后则检测不到这样的微环境。

结果4、衰老的微血管niche处于缺氧状态

为了确定 HLHS（左心发育不全综合征）微环境是否缺氧，我们在 HLHS 单核 RNA 测序（snRNA-seq）的所有细胞类型中测量了 HIF1A（编码缺氧诱导因子 1α，即 HIF1α）及其靶基因的表达。EC4 细胞状态也存在于衰老微血管niche的中心，其 HIF1A 及其靶基因的表达水平最高。

HLHS微环境中，EC4细胞群（被鉴定为衰老型内皮细胞）高表达缺氧诱导因子HIF1A及其靶基因（如VEGFA），证实该区域处于缺氧状态。

EC4细胞充当了缺氧传感器的角色。

EC4细胞的特征与来源：

占比与治疗反应：EC4约占HLHS总内皮细胞的5–10%，但在接受心室辅助装置（VAD）治疗后几乎消失，说明其存在依赖于病理状态。

起源：RNA速度分析显示，EC4起源于毛细血管（EC2）和静脉（EC3）内皮细胞，是在缺氧的毛细血管床中由正常内皮细胞转化而来的。

验证：免疫荧光检测（UEA-1+ p16+）证实了这些衰老内皮细胞的存在。

微血管系统的协同反应：

周细胞（PCs）：作为微血管的支持细胞，周细胞也表现出与内皮细胞一致的缺氧反应基因表达模式。HLHS中富集了一种特定的周细胞状态（PC2），该状态同样在VAD治疗后减少，表明内皮细胞和周细胞在缺氧微环境中是协同响应的。

细胞间通讯与炎症（SASP）：

衰老的EC4细胞高表达IL-6（一种缺氧诱导的衰老相关分泌表型因子）。

细胞通讯分析预测，EC4分泌的IL-6作用于周围的成纤维细胞（FB5）和巨噬细胞（MP3），形成了促炎的微环境。空间转录组数据进一步证实了这种配体-受体在组织中的共定位。

结论：HLHS中的内皮细胞衰老机制与成人心肌梗死后的缺血组织类似，而与儿童扩张型心肌病不同。这进一步确认了缺氧是驱动HLHS中内皮细胞衰老的关键因素。

结果5、具有高水平 YAP 活性的机械敏感性心脏成纤维细胞存在于衰老的微血管niche中

在心脏成纤维细胞（FBs）中，鉴定出了五种表达不同基因特征的细胞状态（FB1–FB5）。FB1 和 FB3 群属于静息态成纤维细胞，而 FB2 群则表现出高水平的转化生长因子-β（TGF-β）活性和上皮 - 间质转化（EMT）特征。FB4 群呈现肌成纤维细胞状态，而 FB5 群作为微血管衰老niche的组成部分，显示出 HLHS 成纤维细胞基因的平均最高表达量。

FB5 细胞的独特身份：

FB5 是心脏成纤维细胞中一种独特的细胞状态，位于衰老的微血管niche中。

它不同于传统的肌成纤维细胞（FB4）或静息细胞（FB1/FB3），其特征是高表达机械敏感通道（如 PIEZO2）和基质蛋白。

驱动机制：缺血与机械应力：

缺血类比：转录组分析显示，HLHS 的成纤维细胞特征与成人心梗后缺血区的成纤维细胞高度相似，证实缺血是驱动其衰老的关键因素。

机械应力响应：FB5 表现出极高的YAP 活性（一种机械力传导因子），表明这些细胞处于高机械应力环境中。

起源与分化路径：

轨迹分析表明，FB5 主要直接由静息成纤维细胞（FB3）转化而来，而不是由肌成纤维细胞（FB4）转化而来。这意味着 FB5 的形成是一条独立于传统纤维化（肌成纤维细胞）路径的新途径。

分子机制的特异性：

虽然 FB4（肌成纤维细胞）和 FB5 都激活了 YAP，但它们调控的下游靶基因完全不同。

FB4 主要调控收缩和纤维化相关基因（如 ACTA2）；而 FB5 调控炎症和衰老相关基因（如 PTX3, MYC），且依赖特定的转录因子伙伴（如 TEAD2）。

临床意义与治疗反应：

FB5 在 HLHS 患者中占比约 15%，但在接受心室辅助装置（VAD）治疗后显著减少。

伴随 FB5 的减少，其特有的促纤维化/衰老标志物（如 YAP 靶基因 ITGAV）也恢复至正常水平，说明这种病理性的机械 - 缺血应激状态在血流动力学改善后是可逆的。

结果6、免疫衰老有助于衰老微血管niche的持续存在

基于已知的人心脏髓系细胞标记基因的表达，我们鉴定出了八种髓系细胞状态。这些状态包括：单核细胞（Monos; CCR2+CD14+）、MP1（CCR2+HLAhi）、组织驻留巨噬细胞（MP2; LYVE1+）、增殖性巨噬细胞（MP4; MKI67+）、脂质相关巨噬细胞（MP5; SPP1+）、树突状细胞（DCs; CD1C+）和肥大细胞（KIT+）。

作为衰老微血管niche组成部分的 MP3，在对照组中缺失，但在 HLHS 中显著富集（占巨噬细胞的 30%），而在心室辅助装置（VAD）治疗后减少。

MP3 起源于正常的组织驻留巨噬细胞（MP2），部分也来自单核细胞衍生的 MP1。

功能缺陷：吞噬能力丧失：

在从正常 MP2 向病理 MP3 转化的过程中，吞噬作用相关基因显著下调。

由于清除衰老细胞依赖巨噬细胞的吞噬功能，MP3 失去这一能力意味着它们无法清理周围的衰老内皮细胞和成纤维细胞，从而导致衰老细胞在组织中持续积累，形成恶性循环。

疾病进程与可逆性：

疾病进展：随着 HLHS 病情从 I 期发展到 III 期，正常的 MP2 逐渐转化为功能缺陷的 MP3，最终 MP3 成为主导的髓系细胞。

治疗逆转：接受 VAD（心室辅助装置） 治疗后，病理性的 MP3 被清除，正常的 MP2 恢复，表明改善血流动力学可以逆转这种免疫衰老状态，恢复心脏的先天免疫清除功能。

这种巨噬细胞衰老现象不仅限于 HLHS，在扩张型心肌病（DCM）和心肌梗死（MI）后的心力衰竭心脏中也同样存在，说明这是心脏疾病中一种普遍的病理机制。

结果7、来自微血管niche的衰老信号向外传递至 HLHS 心肌

信号源与接收者：

源头：微血管衰老niche中的四种关键细胞（衰老内皮细胞 EC4、衰老成纤维细胞 FB5、特定周细胞 PC2 和衰老巨噬细胞 MP3）共同构成了信号发射中心。

接收者：这些细胞发出的最强信号主要被非心肌细胞（如其他成纤维细胞和内皮细胞）接收，暗示这种信号传导主要在间质细胞网络中放大病理效应，促进心衰恶化。

关键致病信号分子：

POSTN (骨膜蛋白)：

来源转变：在健康心脏中由成纤维细胞分泌，而在 HLHS 中主要由衰老内皮细胞 (EC4) 分泌。

作用：通过与非心肌细胞上的整合素受体（ITGAV/ITGB5）结合发挥作用。

定位：空间上高度富集于衰老niche的中心（EC4 所在位置）。

NAMPT (Visfatin)：

来源：由所有类型的衰老细胞广泛分泌。

作用：作为 SASP 因子，通过结合髓系细胞上的 TLR4 受体，激活 IL-6–STAT 通路，强烈调节先天免疫反应和炎症。

定位：分布于多种niche细胞及其周围区域，形成广泛的炎症网络。

空间特征与治疗反应：

空间聚集：这两种关键的促炎/促纤维化因子在空间上紧密聚集于“衰老微血管niche”的核心区域。

可逆性：VAD 治疗显著降低了这些信号分子的表达（POSTN 降低 50%，NAMPT 降低 30%），表明改善血流动力学可以切断这种有害的细胞间通讯，减轻心肌的炎症和纤维化负担。

最后来看看方法

单细胞数据分析

visium数据分析

共定位分析

Xenium的共定位分析

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