左心室發育不良綜合症(Hypoplastic Left Heart Syndrome,HLHS)是一種以左側心腔和主動脈發育不良為表徵的一組複雜的先天性心臟病。因為左心室功能缺失可導致代償性的右心心肌肥厚，肺動脈高壓，最終導致心力衰竭而死亡。目前對於HLHS的主要幹預手段為手術重構體循環心臟供血結構。若不及時在出生後數小時內進行有效的手術治療，患者多於出生後48小時內死亡；而即便接受手術治療的患者，也有接近半數無法存活而最終需要接受心臟移植。同時，HLHS還伴有嚴重的二尖瓣和主動脈瓣閉鎖或者嚴重狹窄。目前對於HLHS的發病機理尚未明確，故而一直未能研究出更為有效的治療手段。既往研究表明，HLHS發病與多基因突變和環境因素密切相關。根據血流動力學對於心臟的發育影響，HLHS的左心發育不良還被認為是由二尖瓣閉鎖導致血液無法流入心腔，從而無法促進心肌發育、增殖、以及成熟。因此瓣膜結構和功能異常在HLHS的發病過程中也起到了至關重要的作用。
目前，關於HLHS大部分的基礎研究工作仍集中在探討HLHS心肌細胞的表型異常，例如增殖，收縮功能等等。然而，作為一組多心臟結構均受累的複雜先天性心臟病，單純的心肌細胞功能異常並不足以充分的解釋包括瓣膜在內的病理病變。
2020年8月17日，來自美國辛辛那提兒童醫院的顧名夏研究組在Cell Stem Cell雜誌上發表文章Intrinsic Endocardial Defects Contribute to Hypoplastic Left Heart Syndrome，利用來自於HLHS病人的誘導性多能性幹細胞(Inducible Pluripotent Stem Cells, iPSCs)以及病人來源的心臟組織，並結合單細胞轉錄組測序技術(Single-cell RNA-sequencing, scRNA-seq)對於這一疾病的發病機制以及潛在治療靶點進行了深入的研究。此工作由辛辛那提兒童醫院的苗一非博士以及史丹福大學的田壘博士作為共同第一作者完成。
首先，課題組利於scRNA-seq繪製了人類正常胎兒心臟的單細胞轉錄圖譜，並利用磁珠篩選技術首次呈現了高解析度的心臟內皮單細胞轉錄圖譜。借鑑美國兒科心臟基因組研究組(Pediatric Cardiac Genomic Consortium, PCGC)對於HLHS的遺傳學研究，課題組驚訝地發現大部分與HLHS相關的基因組全新變異(de novo mutations)並不表達於被領域關注的心肌細胞，而是高表達於心內膜(Endocardium)和冠狀動脈內皮細胞(Coronary Endothelial Cells, CECs)中。在心臟發育過程中，心內膜內皮可以通過內皮-間充質細胞轉化過程(Endothelial-Mesenchymal Transition, EndoMT)形成心臟瓣膜的結構，同時也可通過旁分泌的作用影響心肌細胞的正常發育。因此，心內膜內皮細胞可能為理解HLHS的發病機制提供全新的思路。
為研究心內膜內皮在HLHS病人中的功能，課題組將HLHS病人來源的iPSCs分化成為具有心內膜內皮和冠狀動脈內皮的混合型內皮細胞(iPSC-ECs)並進一步進行單細胞測序。他們發現心內膜內皮相關基因在HLHS病人iPSC-ECs，純化的iPSC來源心內膜內皮，以及病人心臟組織切片中都顯著降低。並且，這些純化的心內膜內皮顯示出明顯與瓣膜/心臟發育相關的功能缺失，例如EndoMT， NOTCH通路，細胞外基質生成，細胞粘附功能，以及血管新生。此外，他們還利於體外共培養技術證實了HLHS病人iPSC來源的心內膜內皮可抑制正常心機細胞的增殖以及收縮功能。
為進一步驗證在體外iPSC-EC中的發現，課題組對於一例左心發育不良(Underdevelopment Left Heart, ULV)的胎兒心臟進行了單細胞測序。通過與之前正常胎兒心臟以及iPSC-ECs的測序結果交叉分析，他們發現Fibronectin 1(FN1)在HLHS發病中起到至關重要的作用。FN1的基因和蛋白表達水平不僅在HLHS病人心內膜內皮顯著降低，抑制其表達還可破壞正常人心內膜內皮和iPSC來源心肌細胞的功能。而外源性添加FN1則可明顯改善HLHS病人iPSC來源心肌細胞功能的損傷。此外，PCGC結果提示ETS1基因突變與HLHS發病有直接聯繫。與FN1相似，課題組發現ETS1在HLHS病人心內膜內皮顯著下降並通過表觀遺傳學機制調控心內膜內皮相關基因的啟動子和增強子活性。與Georgia Institute of Technology的Shuyi Nie教授的合作進一步證實，在體非洲爪蟾心臟特異性敲除ETS1基因既可以抑制心內膜FN1的表達，心室腔容積也顯著降低。
綜上所述，課題組通過使用單細胞測序技術以及病人特異性iPSC以及心臟樣本對於心內膜內皮在HLHS的發病過程中起到的重要作用進行了詳細的闡述，同時發現了多個關鍵性治療靶點。此外，課題組還將iPSC-EC以及人胎兒心臟細胞scRNA-seq數據上傳到單細胞測序搜索平臺以進行共享。
https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1021/single-cell-rna-seq-of-normal-human-fetal-heart;
https://singlecell.broadinstitute.org/single_cell/study/SCP1020/single-cell-rna-seq-of-ipsc-derived-endocardium-endothelium-from-hypoplastic-left-heart-syndrome-patient
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.07.015
來源：BioArt