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科研進展

张昱實驗室和阜外医院宋江平团队、宾夕法尼亚大学Mingyao Li合作利用單細胞轉錄組测序解析自身免疫心肌炎小鼠模型的免疫网络

發布時間:2020/05/27

2020520日,香港快三/清华大学生物医学交叉研究院张昱實驗室与阜外医院宋江平团队、宾夕法尼亚大学Mingyao Li合作在《Circulation》雜志在線發表題爲“Single-Cell RNA Sequencing to Dissect the Immunological Network of Autoimmune Myocarditis”的文章。該研究對實驗性自身免疫心肌炎(experimental autoimmune myocarditisEAM)小鼠模型不同時期心髒組織中的免疫細胞做了單細胞水平的綜合分析,發現了Hif1a基因通過調控免疫細胞的活性來參與到炎症反應,並且Hif1a蛋白的抑制劑可以緩解EAM,提示了心肌炎的一種潛在臨床治療策略。

心肌炎可能會發展成爲擴張型心肌病,而擴張型心肌病則需要通過心髒移植才能治療。心肌炎在臨床和組織學上表現爲異常的免疫過程,心肌炎發展成爲心肌病會經曆急性炎症期、亞急性炎症期和慢性肌病期,但是由于研究技術所限,心肌炎發生過程中浸潤的免疫細胞的複雜程度尚未得到充分研究,參與炎症反應(Inflammatory response)的免疫細胞亞群尚屬未知。

本研究首次利用單細胞轉錄組測序技術研究EAM小鼠模型在心肌炎轉化成心肌病的過程中的免疫網絡(Inflammatory network)(圖 1A)。本研究共測序得到34,665個免疫細胞,其中各個時期的細胞數目相當(第0天正常對照20%,第14天急性炎症期30%,第21天亞急性炎症期31%,第60天慢性肌病期19%)。通過細胞聚類共發現了26個細胞亞群,包括9個巨噬細胞亞群,3個嗜中性粒細胞亞群,5T細胞亞群,2B細胞亞群,3個树突細胞亞群,1個自然杀伤細胞亞群,1個固有淋巴细胞(Innate lymphoid cell)亞群,1個心肌細胞亞群和1個内皮細胞亞群(圖 1B)。比较四個不同时期免疫细胞组成成分,发现随着EAM的進展,免疫細胞的組成發生了巨大的變化。在這26個細胞亞群中,我们最关注的是炎症期(第14天和第21天)特异的細胞亞群,其中炎症期细胞含量最高的5個細胞亞群分别是巨噬細胞亞群299.79%)、巨噬細胞亞群396.61%)、嗜中性粒細胞亞群395.74%)、T細胞亞群3Treg89.67%)和T細胞亞群2Th1785.92%)(圖 1C)。


1. 通過單細胞轉錄組测序解析EAM小鼠不同時期心髒中的免疫細胞種類

通過分析炎症相关的基因在EAM不同时期各個細胞亞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,單細胞基因调控网络推断分析(SCENIC)顯示Hif1aM2Th17共有的候選轉錄因子,並且Hif1a是他們的特異高表達基因,在急性炎症期表達水平最高。在26個細胞亞群中,Hif1a的表達水平與炎症程度(Inflammatory score)显著相关(圖 2A)。通過以上分析,我们发现Hif1aEAM模型中炎症反应的特征,因此我们提出假设通過药物(例如PX-478)抑制Hif1a可能抑制EAM中的炎症反應。爲了驗證以上假設,本研究對EAM不同時期(第14天,第21天和第60天)的小鼠用PX-478連續處理7天,可以觀察到PX-478的处理可以让各個时期的EAM小鼠炎症反应降低(圖 2B,C),而同時心髒超聲顯示PX-478處理並不會造成心髒功能的顯著變化。最後,在人類心髒樣本中檢測發現,Hif1a在急性自身免疫心肌炎病人中比擴張型心肌病病人和健康對照中平表達要高。


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

阜外医院的博士生花秀猛,南开大学的胡刚博士和张昱實驗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、胡益清博士和张昱實驗室的高琳琳。


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