上海生科院周斌發表重磅研究綜述，闡述心血管領域的進展

iNature：2018年5月10日，中國科學院上海生科院周斌課題組與香港中文大學的研究人員合作在Nature Reviews Cardiology上在線發表了題為「Reassessing endothelial-to-mesenchymal transition in cardiovascular diseases」的綜述文章，闡述心血管領域的進展。

作者介紹

個人簡介：

2002年7月畢業於浙江大學醫學院臨床醫學系，獲得學士學位。2006年7月畢業於中國醫學科學院中國協和醫科大學，獲得博士學位。2006年至2010年在美國哈佛大學醫學院波士頓兒童醫院從事博士後研究。2009年任哈佛大學醫學院講師和Research Associate。2010年9月至2016年8月任中國科學院上海生命科學研究院營養科學研究所研究員，研究組長。2016年9月起任職於中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所研究員，研究組長。曾獲得中科院「百人計劃」（終期評估優秀）、基金委優秀青年科學基金及國家傑出青年科學基金、「英國皇家學會-牛頓高級學者基金」、中組部「國家萬人計劃-青年拔尖人才」及科技部「中青年科技創新領軍人才」、中國青年科技獎、中國科學院青年科學家獎、談家楨生命科學創新獎、樹蘭醫學青年獎、上海市「浦江人才」、上海市青年科技英才、上海市領軍人才、中科院「優秀導師」獎、「優秀研究生指導教師」獎、「朱李月華優秀教師」獎等獎項。

研究工作:

研究體內特定類型細胞的起源及命運，揭示細胞在發育、疾病和組織再生中的轉分化現象（細胞命運可塑性）及細胞命運調控機制具有重大的科學意義。基於Cre-LoxP同源重組的傳統遺傳操作和示蹤技術已經得到廣泛應用，推動了細胞譜系建立和譜系變遷的研究。我們研究組長期致力於譜系示蹤新技術研究，並利用新技術探索細胞命運可塑性及其分子機制，代表性研究成果多次在Nature、Science、Nat Med、Nat Genet等國際學術期刊發表，其中發現新生期心臟具有重新生成冠狀動脈的能力入選「2014年度中國科學十大進展」。主要研究內容和方向如下：

1、建立譜系示蹤及遺傳操作新技術，實現更為精準、高效的譜系示蹤及遺傳操作。

2、利用遺傳學、分子生物學、細胞生物學及計算生物學等手段，研究心臟發育與再生的細胞及分子機制。

3、利用新技術研究血管內皮細胞特化及分化的分子機制，深入探索血腦屏障建立的細胞及分子基礎。

4、利用新技術研究器官發育與組織再生中（干）細胞的起源、分化命運、增殖、融合及衰老的機制。

5、利用新技術研究腫瘤幹細胞的起源、增殖及轉移過程中的細胞機制。

內皮細胞和間充質細胞是兩種不同的細胞類型，具有不同的形態，表型，功能和基因譜。越來越多的證據，特別是來自譜系追蹤研究，表明兩種細胞類型在心血管發育和發病過程中相互轉化。在心臟發育期間，內皮細胞通過內皮 - 間質轉化（endoMT）在心內膜墊中轉分化成間充質細胞，該過程對於形成心臟瓣膜是關鍵的。研究還報道EndoMT有助於發展各種心血管疾病，包括心肌梗塞，心臟纖維化，瓣膜鈣化，心內膜彈性纖維化，動脈粥樣硬化和肺動脈高壓。相反，心臟成纖維細胞可以轉分化為內皮細胞，並有助於心臟損傷後的新血管形成。然而，遺傳譜系追蹤的進展已經對EndoMT或其逆轉方案在心血管疾病發展中的作用提出了挑戰。在這篇綜述中，討論了使用遺傳譜系追蹤技術來研究細胞譜系轉換，還重新評估了EndoMT在心血管發育和疾病中的作用，並詳細闡述了協調EndoMT病理生理過程的分子信號。了解EndoMT在疾病中的作用和機制將揭示針對該過程的治療潛力，並將為開發治療心血管疾病的再生醫學提供新的範例。

用譜系追蹤評估EndoMT

細胞譜系轉化是涉及器官發育，疾病和再生的基本生物學過程。闡明驅動EndoMT治療心血管疾病的機制是解除這一過程的治療潛力的第一關鍵步驟。常見的分子標記物包括血小板內皮細胞粘附分子，造血祖細胞抗原CD34（CD34），馮維勒布蘭德因子（vWF），鈣粘蛋白5（CDH5），血管生成素1受體（TIE2）和血管內皮生長因子受體2（VEGFR2），血小板衍生生長因子受體-α（PDGFRα），轉錄因子SOX9（SOX9），α1型I膠原（COL1A1），α2型I膠原（COL1A2） ，波形蛋白，成纖維細胞特異性蛋白1（FSP1;也稱為S100-A4），含有盤狀結構域的受體2（DDR2）和Thy-1膜糖蛋白（THY1;也稱為CD90）以及肌成纖維細胞標記α-平滑肌肌動蛋白（αSMA）和骨膜蛋白用於定義成纖維細胞間質細胞譜系。

然而，細胞標記可以具有不同程度的譜系特異性或顯示組織特異性或疾病特異性表達。例如，大多數上述EC標記物也在其他細胞類型中表達，最顯著的是在造血細胞中。此外，間充質標誌物如波形蛋白也在包括EC的多種細胞類型中表達。因此，除了細胞標記物表達的改變之外，還應評估EC功能特性的改變，包括白細胞粘附能力的喪失或收縮能力的增加，以研究EndoMT。

使用Cre-loxP重組進行遺傳譜系追蹤

鑒於遺傳譜系追蹤具有固有的局限性，並不總是容易獲得或可行，因此可考慮使用替代方法來研究EndoMT。替代策略包括細胞分離和體外培養EC以了解EndoMT及其潛在的分子機制，類器官系統的使用 - 微型解剖器官的微型化 - 可以促進EndoMT的體外解剖和操作，以及免疫染色檢測組織切片上的內皮和間充質標誌物。此外，單細胞測序技術將有助於在單細胞解析度下了解ECs的異質性和細胞可塑性水平。此外，基於活體顯微鏡的實時成像技術，可捕獲體內形態變化和細胞遷移，而可以實時觀察整個EndoMT過程。與遺傳譜系追蹤一起，這些新方法可能有助於未來對EndoMT的調查。

EndoMT在心臟發育

心臟瓣膜中間質細胞的起源。發育中的心臟由心內膜細胞的內層和外心肌層組成，這些心肌層被稱為心臟細胞外基質分開。在房室交界處尤為明顯，心內膜緩衝。在胚胎期（E）時，心內膜細胞開始通過轉化成間充質細胞而從心內膜片層離開，並遷移到心臟中以形成緩衝間充質。使用EC特異性Tie2（也稱為Tek）-Cre，Cdh5-CreER或心內膜特異性Nfatc1-CreER的譜系追蹤研究顯示，在心臟中，心內膜衍生細胞有助於表達SOX9的間充質細胞。PDGFRα和PDGFRβ5，隨著主要來源於心內膜細胞的間充質細胞和從心外膜細胞進行心外膜間質轉化的累積逐漸擴大。間充質細胞的擴張導致瓣膜的伸長和重新形成，這有助於形成成熟的瓣葉。在這種形態發生期間，ECs與周圍心肌之間的串擾對於受控的EndoMT是必不可少的。

心臟成纖維細胞的起源。發育中的心臟主要由心內膜和心肌組成，在胚胎早期階段沒有成纖維細胞的貢獻。在E9.5，間皮細胞從心外膜遷移到心臟表面並形成心外膜的單一最外層。繼EndoMT後，心外膜細胞通過遷移進入心肌並轉化為間充質細胞進行EMT 。使用Tcf21-Cre，Wt1-Cre，Tbx18-Cre和Gata5-Cre系的心外膜譜系追蹤顯示錶達PDGFRα或PDGFRβ的心外膜衍生的間充質下降，隨後引起周細胞和成纖維細胞功，PDGFRα和PDGFRβ的心外膜特異性缺失導致心臟成纖維細胞功能上的損失，表明大多數成纖維細胞來源於心外膜。有趣的是，一些心外膜來源的間充質細胞遷移到心臟，並與心內膜衍生的間充質細胞一起形成瓣膜的間充質成分。

發育中心臟的心內膜間質轉化

調節EndoMT的信號通路。 EndoMT對心臟發育至關重要。 因此，在此階段調節EndoMT的信號通路的破壞會導致嚴重的先天性心臟病，如心臟瓣膜畸形。 涉及的信號通路包括骨形態發生蛋白（BMP）-TGFβ，Notch，表皮生長因子受體（EGFR），鈣調磷酸酶-NFAT，WNT-β-連環蛋白，血管內皮生長因子A（VEGFA）和轉錄因子 GATA4介導的轉錄調控。 由於越來越多的證據表明BMP-TGFβ在多種心血管疾病中重新激活EndoMT，包括退行性瓣膜病，心肌損傷後心肌纖維化，動脈粥樣硬化和PAH，所以BMP-TGFβ信號傳導的作用成為關注的重點。

EndoMT在心血管疾病中的應用

EndoMT在成人瓣膜疾病中的應用。鑒於EndoMT在心臟瓣膜形成中起著關鍵作用，有缺陷的EndoMT可導致先天性瓣膜疾病。以前的研究表明EndoMT也存在於成人細胞中。例如，源自成熟羊膜瓣的培養心內膜細胞可通過TGFβ信號傳導轉分化成表達αSMA84的間充質細胞。另外，在瓣膜樣品中可以檢測到共表達CD31和αSMA的細胞，這表明成體心肌細胞向間充質細胞的轉移也可以在體內發生。隨後的研究顯示人類瓣膜EC在暴露於TGFβ後採用間充質表型，這表明成人瓣膜EC的質粒是進化上保守的特徵。克隆分析還表明存在對TGFβ具有強響應的內皮樣細胞，其可被VEGF85抑制。這些數據表明在成人瓣膜中存在可以分化為內皮細胞或間充質細胞的雙功能親祖細胞。是否存在體內存在的這種雙效力瓣膜祖細胞仍然需要通過隆譜系追蹤來確定，這些系列允許用不同顏色對單個細胞進行隨機標記。隨後的體外研究顯示二尖瓣EC對於維持靜脈內間質細胞的相互作用至關重要，所述瓣膜間質細胞相互預防ECs88中的EndoMT。因此，體內細胞 - 細胞相互作用的干擾也可能促進瓣膜疾病例如缺血性二尖瓣反流的纖維化小葉的發展。

內皮細胞和間充質細胞在心血管疾病中的細胞譜系轉換

EndoMT在心肌纖維化中的作用。 譜系追蹤研究揭示了幾種細胞來源可促進MI後形成瘢痕組織，包括預先存在的常駐心臟成纖維細胞，ECs，心外膜細胞和來自骨髓的循環細胞。 然而，每種這些來源對心臟纖維化的貢獻程度仍然存在爭議。 在本綜述中，通過EndoMT對ECs對纖維化的貢獻進行了詳細討論。

成纖維細胞通過間充質向內皮細胞的轉換對內皮細胞的作用

逆轉EndoMT在心臟纖維化中的作用。冠狀動脈疾病導致心肌梗死和心力衰竭，導致全球死亡的主要原因。雖然該領域尚未確定心臟新血管生成的細胞來源，但損傷後新冠狀血管的再生是最具臨床重要性的。細胞譜系轉換是實現心臟新生血管化的潛在有希望的方法。即使心臟成纖維細胞被認為是終末分化，它們是否具有閱讀選擇EC命運並直接促成新血管形成的能力仍然未知。新的研究表明，大量的心臟成纖維細胞有助於損傷後形成冠狀血管，並且間充質與內皮的轉換受細胞腫瘤抗原p53控制。有趣的是，星形膠質細胞（大腦中的主要瘢痕形成細胞）可以進行類似的細胞表型轉變以採用EC命運。這些令人振奮的發現揭示了一種新型血管形成機制，可用於冠狀動脈供血不足患者的治療靶點。

結論

內皮細胞移植是一種發育過程，在成年階段對損傷作出反應。通過阻斷內皮細胞的調節通路或通過PRO改變其反向程序來抑制內皮移植，為對抗心血管損傷後的組織纖維化和增強新生血管生成提供了一種新的模式。儘管目前關於內皮細胞移植和間充質-內皮細胞轉化的範圍和功能的爭論仍在進行，但該領域將繼續研究在生理和病理條件下ECs或終末分化成纖維細胞的可塑性的貢獻。更多的譜系追蹤研究是需要在體內證實內皮MT在疾病發展中的作用。此外，更多地了解內皮移植或其反向程序中細胞譜系轉換的分子機制，可以為心血管疾病提供新的再生策略。

內容為【iNature】公眾號原創，歡迎轉載

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