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张昱实验室和阜外医院宋江平团队、宾夕法尼亚大学Mingyao Li合作利用单细胞转录组测序解析自身免疫心肌炎小鼠模型的免疫网络

发布时间:2020/05/27

2020520日,白金会手机版/清华大学生物医学交叉研究院张昱实验室与阜外医院宋江平团队、宾夕法尼亚大学Mingyao Li合作在《Circulation》杂志在线发表题为“Single-Cell RNA Sequencing to Dissect the Immunological Network of Autoimmune Myocarditis”的文章。该研究对实验性自身免疫心肌炎(experimental autoimmune myocarditisEAM)小鼠模型不同时期心脏组织中的免疫细胞做了单细胞水平的综合分析,发现了Hif1a基因通过调控免疫细胞的活性来参与到炎症反应,并且Hif1a蛋白的抑制剂可以缓解EAM,提示了心肌炎的一种潜在临床治疗策略。

心肌炎可能会发展成为扩张型心肌病,而扩张型心肌病则需要通过心脏移植才能治疗。心肌炎在临床和组织学上表现为异常的免疫过程,心肌炎发展成为心肌病会经历急性炎症期、亚急性炎症期和慢性肌病期,但是由于研究技术所限,心肌炎发生过程中浸润的免疫细胞的复杂程度尚未得到充分研究,参与炎症反应(Inflammatory response)的免疫细胞亚群尚属未知。

本研究首次利用单细胞转录组测序技术研究EAM小鼠模型在心肌炎转化成心肌病的过程中的免疫网络(Inflammatory network)(图 1A)。本研究共测序得到34,665个免疫细胞,其中各个时期的细胞数目相当(第0天正常对照20%,第14天急性炎症期30%,第21天亚急性炎症期31%,第60天慢性肌病期19%)。通过细胞聚类共发现了26个细胞亚群,包括9个巨噬细胞亚群,3个嗜中性粒细胞亚群,5T细胞亚群,2B细胞亚群,3个树突细胞亚群,1个自然杀伤细胞亚群,1个固有淋巴细胞(Innate lymphoid cell)亚群,1个心肌细胞亚群和1个内皮细胞亚群(图 1B)。比较四个不同时期免疫细胞组成成分,发现随着EAM的进展,免疫细胞的组成发生了巨大的变化。在这26个细胞亚群中,我们最关注的是炎症期(第14天和第21天)特异的细胞亚群,其中炎症期细胞含量最高的5个细胞亚群分别是巨噬细胞亚群299.79%)、巨噬细胞亚群396.61%)、嗜中性粒细胞亚群395.74%)、T细胞亚群3Treg89.67%)和T细胞亚群2Th1785.92%)(图 1C)。


1. 通过单细胞转录组测序解析EAM小鼠不同时期心脏中的免疫细胞种类

通过分析炎症相关的基因在EAM不同时期各个细胞亚群中的表达水平和表达比例,发现炎症相关的基因在急性炎症期的M2Th17细胞中显著高表达,单细胞基因调控网络推断分析(SCENIC)显示Hif1aM2Th17共有的候选转录因子,并且Hif1a是他们的特异高表达基因,在急性炎症期表达水平最高。在26个细胞亚群中,Hif1a的表达水平与炎症程度(Inflammatory score)显著相关(图 2A)。通过以上分析,我们发现Hif1aEAM模型中炎症反应的特征,因此我们提出假设通过药物(例如PX-478)抑制Hif1a可能抑制EAM中的炎症反应。为了验证以上假设,本研究对EAM不同时期(第14天,第21天和第60天)的小鼠用PX-478连续处理7天,可以观察到PX-478的处理可以让各个时期的EAM小鼠炎症反应降低(图 2B,C),而同时心脏超声显示PX-478处理并不会造成心脏功能的显著变化。最后,在人类心脏样本中检测发现,Hif1a在急性自身免疫心肌炎病人中比扩张型心肌病病人和健康对照中平表达要高。


2. Hif1aEAM中炎症反应的特征,用PX-478抑制Hif1a可以降低炎症反应

阜外医院的博士生花秀猛,南开大学的胡刚博士和张昱实验室的胡庆涛博士为该论文共同第一作者,张昱博士、Mingyao Li博士和宋江平博士为本文的共同通讯作者。其他作者还包括阜外医院的博士生常远、胡益清博士和张昱实验室的高琳琳。