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心脏研究与单细胞RNA测序
 
心脏是哺乳动物胚胎发育过程中形成的第一个功能性器官[1]。有研究指出在人的平均寿命下,心脏会不知疲倦地持续跳动数十亿次[2]。作为循环系统的中心器官,心脏的健康对我们来说至关重要。
 
另一方面,提到心血管疾病我们可能并不陌生。比如,儿童中会发生的先天性心脏病;成年人群中会出现的心肌病、瓣膜病,可能导致心力衰竭甚至猝死。虽然日常生活中,人们习惯将它们统称为心脏病,但其实病因多种多样。近年来心血管疾病患者逐渐呈年轻化趋势,也让人们更加重视心脏健康问题。
 
 
在临床与科研领域中,心脏研究一直备受关注。目前,对心脏生理和病理学机制的研究中,细胞异质性已成为一个重要的关注点。单细胞RNA测序作为一个强大、发展快速的工具,广泛应用在描述单个细胞特征以及阐明细胞水平下生物学机制的各种研究中。并且已有研究人员将其应用于心脏相关研究。
 

[将组织样品进行有效地单细胞分离是完成单细胞RNA测序的重要前提条件]

 
作为机体重要的功能性器官,心脏的细胞组成是复杂的。有研究人员通过对成人左心房、左心室组织样本进行单细胞RNA测序后,将样本中细胞群体分成了5种主要细胞类型:心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、平滑肌细胞[3]。不同细胞类型在尺寸外观方面差异巨大,如支持心脏收缩跳动的心肌细胞,其外形呈现杆状,长度通常超过100μm。一项关于小鼠的研究发现,成年小鼠心室心肌细胞中,约有85%的心肌细胞含有两个核[4]
 
 
为解决心脏单细胞的高效分离问题,已有多种方法被采用。在单细胞研究中广泛使用的液滴微流控系统,采用提取细胞核方式应对心肌细胞无法被液滴包裹这一问题。但有研究人员认为,这样的方式会导致那些定义心肌细胞生物活性而主动翻译的mRNAs信息被排除在分析之外。此外,心肌细胞多核信息、细胞质量也将无法确认。除液滴微流控系统外,传统的荧光激活细胞分选技术(FACS)、人工手动挑选也有应用。但分选细胞数量方面表现并不高效。
 
来自东京大学医学院的研究人员在其综述文章内指出,在心脏单细胞RNA测序研究中,ICELL8 Single-Cell System对于分选成体心肌细胞来说是一个很有前景的方法。ICELL8系统配置了大孔径喷嘴(125μm),可以从心脏细胞悬液中分选出完整的成体心肌细胞。同时,系统搭载的成像单元可以帮助使用者从图像水平对分选出的单个心肌细胞进行细胞活性分析[5]。一项利用ICELL8系统进行的关于小鼠单核、多核心室心肌细胞研究发现,不基于图像数据的质控方法会在分析中引入受损心肌细胞,产生错误的细胞分群[6]
 
目前,ICELL8系统在小鼠心脏和成人心脏的相关研究中均有应用,涉及心脏发育和心脏疾病等重要问题。
 
部分应用案例
Ren, Z., Yu, P., Li, D. et al. Single-cell reconstruction of progression trajectory reveals intervention principles in pathological cardiac hypertrophy. Circulation 141, 1704–1719 (2020).
研究人员利用ICELL8 Single-Cell System对压力超负荷模型小鼠病理性心肌肥大进行了单细胞RNA测序分析,描述了模型小鼠心肌细胞和非心肌细胞的特征。研究最终揭示了病理性心肌肥大过程中细胞类型的动态变化,并阐明了可能的干预策略。
 
Schoger, E., Carroll, K., Iyer, L. et al. CRISPR-mediated activation of endogenous gene expression in the postnatal heart. Circ Res 126, 6-24 (2020).
研究人员通过ICELL8 cx Single-Cell System,对基于dCas9VPR的CRISPR激活系统模型小鼠完整心肌细胞进行了单细胞全长转录组分析,在单细胞分辨率下,对经过转导的心肌细胞中指定基因转录本上调程度进行了深入分析。研究最终明确了该CRISPR激活系统在小鼠心肌细胞中调控转录的可行性。
 
关于ICELL8 cx Single-Cell System
 
作为ICELL8 Single-Cell System的升级之作,ICELL8 cx系统保留了原有的大口径喷嘴、成像功能。同时,加入了功能强大的CELLSTUDIO软件,让用户不仅可以运行系统预安装的3’基因差异表达、全长转录组等应用,还可以轻松创建定制化单细胞测序应用流程,扩展更多单细胞应用
 
 
CELLSTUDIO应用流程编辑界面
 
参考文献
1. Buckingham, M., Meilhac, S. & Zaffran, S. Building the mammalian heart from two sources of myocardial cells. Nat Rev Genet 6, 826–835 (2005).
2. Severs, NJ. The cardiac muscle cell. BioEssays 22, 188–199 (2000).
3. Wang, L., Yu, P., Zhou, B. et al. Single-cell reconstruction of the adult human heart during heart failure and recovery reveals the cellular landscape underlying cardiac function. Nat Cell Biol 22, 108–119 (2020).
4. Soonpaa, M., Kim, K., Pajak, L. et al. Cardiomyocyte DNA synthesis and binucleation during murine development. Am J Physiol 271, H2183-H2189 (1996).
5. Yamada, S.; Nomura, S. Review of single-cell RNA sequencing in the heart. Int J Mol Sci 21, 8345 (2020).
6. Yekelchyk, M., Guenther, S., Preussner, J. et al. Mono- and multi-nucleated ventricular cardiomyocytes constitute a transcriptionally homogenous cell population. Basic Res Cardiol 114, 36 (2019).
 
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ICELL8 cx Single-Cell System