編者按：

壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥大是心力衰竭的關(guān)鍵前驅(qū)病變，全球罹患人數(shù)超過(guò)6400萬(wàn)，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康。盡管現(xiàn)有研究在經(jīng)典炎癥及纖維化通路方面取得諸多進(jìn)展，但心肌重塑過(guò)程中細(xì)胞間相互作用的時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律及關(guān)鍵代謝調(diào)控機(jī)制仍不清楚，尤其氨基酸代謝在其中的作用長(zhǎng)期被忽視，導(dǎo)致靶向治療策略發(fā)展受限。本研究整合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)與單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)，系統(tǒng)描繪心肌重塑的時(shí)空?qǐng)D譜，不僅揭示了免疫微環(huán)境紊亂的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，更首次鑒定出Lars2介導(dǎo)的亮氨酸代謝軸作為壓力超負(fù)荷性心肌病的全新治療靶點(diǎn)，為從代謝角度干預(yù)心臟重塑提供了精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)治療的新思路。

本研究的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及分析由SBC完成。

研究背景

壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥大是心力衰竭的關(guān)鍵前驅(qū)病變，盡管現(xiàn)有研究在流行病學(xué)、遺傳學(xué)和臨床診治方面取得進(jìn)展，但其細(xì)胞間相互作用的時(shí)空動(dòng)態(tài)及關(guān)鍵分子調(diào)控機(jī)制仍不清楚。當(dāng)前研究多集中于經(jīng)典炎癥/纖維化通路（如NF-κB、TGF-β），而氨基酸代謝相關(guān)基因在壓力超負(fù)荷性心肌病理中的調(diào)控作用完全未被探索，導(dǎo)致代謝調(diào)控機(jī)制的理解存在關(guān)鍵空白，嚴(yán)重限制了靶向治療的發(fā)展。整合單細(xì)胞RNA測(cè)序與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，能夠在單細(xì)胞分辨率下同時(shí)獲取基因表達(dá)信息和空間位置信息，系統(tǒng)解析心肌重塑過(guò)程中細(xì)胞組成的空間分布規(guī)律及細(xì)胞間對(duì)話(huà)機(jī)制，為心臟重塑研究提供新的時(shí)空動(dòng)態(tài)見(jiàn)解。

文章詳情

中文題目：整合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)與單細(xì)胞RNA測(cè)序揭示Lars2介導(dǎo)的心肌重塑時(shí)空動(dòng)態(tài)——基于主動(dòng)脈弓縮窄小鼠模型的研究
發(fā)表時(shí)間：2026.03
期刊名稱(chēng)：Frontiers in Immunology
影響因子：5.9
技術(shù)平臺(tái)：?jiǎn)渭?xì)胞轉(zhuǎn)錄組+空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序
DOI：10.3389/fimmu.2026.1701776

研究思路

研究結(jié)果

1.TAC小鼠心臟的空間轉(zhuǎn)錄組特征

本研究以主動(dòng)脈弓縮窄手術(shù)（TAC）小鼠心臟模型（sham及TAC術(shù)后2周、4周、6周）為研究對(duì)象，通過(guò)空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)合UMAP降維聚類(lèi)分析，系統(tǒng)解析了壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌重塑時(shí)空動(dòng)態(tài)。首先將基因表達(dá)映射至HE染色圖像，發(fā)現(xiàn)心臟組織在TAC術(shù)后2周、4周和6周逐漸呈現(xiàn)向心性肥大，且各時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞數(shù)量及基因組成分布發(fā)生顯著變化。聚類(lèi)分析鑒定出三個(gè)主要細(xì)胞簇，其中Cluster 1在疾病進(jìn)程中變化最為顯著，其比例從TAC-2w的8.3%逐漸增至TAC-6w的22.5%，并主要定位于左心室腔周?chē)�。進(jìn)一步的GO富集分析揭示各簇功能特征：Cluster 0主要參與心肌功能和NO信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，Cluster 1富集于氨基酸-tRNA結(jié)合及核內(nèi)基因表達(dá)調(diào)控（以L(fǎng)ars2和Malat1為標(biāo)志），Cluster 2則主要涉及ATP代謝、氧化應(yīng)激和蛋白質(zhì)降解等非氧運(yùn)輸功能。該結(jié)果提示Lars2介導(dǎo)的氨基酸代謝可能在壓力超負(fù)荷性心肌重塑中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

Fig1. TAC小鼠空間轉(zhuǎn)錄組特征

2.TAC小鼠心臟單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組特征

對(duì)TAC小鼠心臟模型進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，系統(tǒng)解析了壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌重塑細(xì)胞異質(zhì)性動(dòng)態(tài)。經(jīng)質(zhì)控后，每樣本平均獲得9680個(gè)高質(zhì)量單細(xì)胞，降維聚類(lèi)鑒定出15個(gè)細(xì)胞簇（0-14），并根據(jù)標(biāo)志基因注釋為心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞及中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞、NK細(xì)胞九個(gè)功能亞群。分析顯示各細(xì)胞亞群比例隨疾病進(jìn)展發(fā)生顯著變化，其中TAC-4w是細(xì)胞組成變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：B細(xì)胞、T細(xì)胞、NK細(xì)胞和中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞比例顯著升高，而成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞比例明顯下降；TAC-2w細(xì)胞組成與sham組相似，TAC-6w則呈現(xiàn)向早期狀態(tài)恢復(fù)的趨勢(shì)。該結(jié)果提示TAC-4w是心肌重塑過(guò)程中免疫微環(huán)境紊亂的核心階段，為理解壓力超負(fù)荷性心臟病的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)證據(jù)。

Fig2. TAC小鼠心臟時(shí)間依賴(lài)性的單細(xì)胞動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄圖譜

3.整合單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組揭示Lars2介導(dǎo)的心肌重塑時(shí)空細(xì)胞動(dòng)力學(xué)

使用SPOTlight算法整合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)與單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)，系統(tǒng)解析了心肌重塑過(guò)程中細(xì)胞亞群的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征。結(jié)果表明，心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞分布穩(wěn)定但TAC-6w時(shí)減少，成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在TAC-6w時(shí)顯著增加，而中性粒細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞和NK細(xì)胞在TAC-2w時(shí)減少、在TAC-4w和TAC-6w時(shí)顯著增加。進(jìn)一步聚焦空間轉(zhuǎn)錄組中變異性最大的Cluster 1進(jìn)行細(xì)胞組成分析，發(fā)現(xiàn)T細(xì)胞呈TAC-2w減少、TAC-4w增加、TAC-6w達(dá)峰的趨勢(shì)，與空間轉(zhuǎn)錄組Cluster 1變化趨勢(shì)一致；擬時(shí)序分析顯示Cluster 1參與T細(xì)胞發(fā)育早期階段，并鑒定出特征性標(biāo)志基因Lef1、Ccr7和Sell。關(guān)鍵的是，研究首次揭示Lars2（mitochondrial leucyl-tRNA synthetase，線(xiàn)粒體亮氨酰-tRNA合成酶）參與TAC誘導(dǎo)的心肌重塑過(guò)程，其在巨噬細(xì)胞亞群Cluster 4中高表達(dá)，并隨空間轉(zhuǎn)錄組Cluster 1動(dòng)態(tài)變化。該結(jié)果提示Lars2介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞代謝重編程可能是壓力超負(fù)荷性心肌重塑的核心機(jī)制，為開(kāi)發(fā)靶向代謝炎癥的治療策略提供了新候選靶點(diǎn)。

Fig3. 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和空間轉(zhuǎn)錄組整合分析

4. 心肌肥大中的巨噬細(xì)胞亞群

通過(guò)進(jìn)一步聚類(lèi)分析、擬時(shí)序軌跡分析及多維度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)解析了巨噬細(xì)胞亞群異質(zhì)性及其標(biāo)志基因Lars2的動(dòng)態(tài)表達(dá)特征。研究將巨噬細(xì)胞進(jìn)一步細(xì)分，發(fā)現(xiàn)TAC-4w時(shí)Cluster 3和Cluster 4呈現(xiàn)獨(dú)特分布且比例變化最顯著；差異表達(dá)分析鑒定出Cluster 4的特征性標(biāo)志基因Lars2，以及Cluster 3的炎癥相關(guān)基因C5和S100a8/a9。擬時(shí)序分析揭示Cluster 4是巨噬細(xì)胞發(fā)育演化的核心參與者，處于極化軌跡的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而Cluster 3可能是其后續(xù)分支。關(guān)鍵的是，整合空間轉(zhuǎn)錄組與單細(xì)胞數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)Lars2的表達(dá)在TAC-4w到達(dá)峰值，這一時(shí)序特征經(jīng)IHC、Western blot和免疫熒光三重實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；同時(shí)CD68檢測(cè)證實(shí)TAC-4w是巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)的高峰階段。該結(jié)果提示TAC-4w是巨噬細(xì)胞介導(dǎo)心肌重塑的關(guān)鍵時(shí)間窗，Lars2高表達(dá)的巨噬細(xì)胞亞群（Cluster 4）通過(guò)代謝重編程驅(qū)動(dòng)M1型促炎極化，可能是壓力超負(fù)荷性心臟病的重要治療靶點(diǎn)。

Fig4. 巨噬細(xì)胞亞群特征

5. 亮氨酸缺乏飲食通過(guò)靶向Lars2代謝軸改善壓力超負(fù)荷性心肌重塑

通過(guò)設(shè)置正常飼料（NCD）和亮氨酸缺乏飼料（LDD）兩組飲食干預(yù)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)TAC小鼠血清亮氨酸濃度，以探究壓力超負(fù)荷狀態(tài)下亮氨酸代謝的時(shí)序變化規(guī)律。結(jié)果顯示，NCD喂養(yǎng)時(shí)TAC-4w血清亮氨酸顯著升高，而TAC-2w和TAC-6w無(wú)顯著變化，提示壓力負(fù)荷在4周時(shí)引起亮氨酸短暫升高；LDD喂養(yǎng)則使TAC-4w及TAC-6w血清亮氨酸顯著且持續(xù)降低，成功逆轉(zhuǎn)了TAC誘導(dǎo)的亮氨酸升高趨勢(shì)。該結(jié)果表明TAC小鼠血清亮氨酸濃度呈現(xiàn)飲食依賴(lài)性和時(shí)間依賴(lài)性的動(dòng)態(tài)變化特征，且TAC-4w是亮氨酸代謝紊亂的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步通過(guò)超聲心動(dòng)圖和多重病理染色，系統(tǒng)評(píng)估了靶向Lars2介導(dǎo)的亮氨酸代謝對(duì)壓力超負(fù)荷性心肌重塑的治療效應(yīng)。結(jié)果顯示，LDD顯著改善TAC-4w時(shí)心臟射血功能下降，緩解室壁增厚和心肌細(xì)胞肥大，并減輕炎癥和纖維化病理改變。綜上所述，該研究證實(shí)Lars2-亮氨酸代謝軸是壓力超負(fù)荷性心肌病的可干預(yù)靶點(diǎn)，LDD通過(guò)抑制Lars2高表達(dá)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的代謝炎癥，有效改善心臟功能和結(jié)構(gòu)重塑，為開(kāi)發(fā)針對(duì)代謝紊亂的精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)干預(yù)策略提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

Fig5. 亮氨酸飲食干預(yù)對(duì)TAC小鼠心臟的影響

主要結(jié)論

本研究以TAC小鼠心臟為研究對(duì)象，通過(guò)整合空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)與單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)，結(jié)合大規(guī)模生物信息學(xué)分析，系統(tǒng)解析了壓力超負(fù)荷性心肌重塑的時(shí)空細(xì)胞動(dòng)力學(xué)�？臻g轉(zhuǎn)錄組顯示主要心臟細(xì)胞群空間分布基本保留，但細(xì)胞組成顯著改變。單細(xì)胞測(cè)序揭示TAC-4w是細(xì)胞組成變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，表現(xiàn)為成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞減少、免疫細(xì)胞增加，而TAC-6w部分恢復(fù)至早期狀態(tài)。整合分析鑒定到一個(gè)由T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)重塑微環(huán)境結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)Lef1、Ccr7、Sell及Lars2等關(guān)鍵差異基因，其中Lars2在TAC-4w表達(dá)到達(dá)峰值，提示其作為疾病進(jìn)展標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)的潛力。該研究為理解心肌肥大的免疫-基質(zhì)相互作用機(jī)制提供了高分辨率的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜。

> 參考文獻(xiàn)：

Ni H et al. (2026) Integrated spatial transcriptomics and single-cell RNA sequencing reveal Lars2-mediated spatiotemporal dynamics of myocardial remodeling in a mouse model of transverse aortic constriction. Front. Immunol. 17:1701776.