Multiômica espacialmente resolvida de nichos cardíacos humanos

Jul 10, 2023

Nature volume 619, páginas 801–810 (2023)Cite este artigo

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A função de uma célula é definida por suas características intrínsecas e seu nicho: o microambiente tecidual em que ela reside. Aqui combinamos dados de transcriptômica unicelular e espacial para descobrir nichos celulares em oito regiões do coração humano. Mapeamos células para locais microanatômicos e integramos anotações estruturais baseadas em conhecimento e não supervisionadas. Também traçamos o perfil das células do sistema de condução cardíaca humano1. Os resultados revelaram seu repertório distinto de canais iônicos, receptores acoplados à proteína G (GPCRs) e redes reguladoras, e implicaram o FOXP2 no fenótipo do marcapasso. Mostramos que o nó sinoatrial é compartimentado, com um núcleo de células marca-passo, fibroblastos e células gliais que suportam a sinalização glutamatérgica. Usando um módulo CellPhoneDB.org personalizado, identificamos interações de células marca-passo trans-sinápticas com a glia. Introduzimos uma ferramenta de predição de alvos drogados, drug2cell, que aproveita perfis unicelulares e interações medicamento-alvo para fornecer insights mecanísticos sobre os efeitos cronotrópicos dos medicamentos, incluindo análogos do GLP-1. No epicárdio, mostramos o enriquecimento de células plasmáticas IgG+ e IgA+ formando nichos imunológicos que podem contribuir para a defesa contra infecções. No geral, fornecemos uma nova clareza à eletroanatomia e imunologia cardíaca, e nosso conjunto de abordagens computacionais pode ser aplicado a outros tecidos e órgãos.

O coração é composto por tecidos distintos que contêm nichos de tipos de células especializadas que conferem funcionalidade específica do local. O sequenciamento de RNA unicelular (scRNA-seq) e o sequenciamento de RNA de núcleo único (snRNA-seq) oferecem uma estrutura poderosa e imparcial para caracterizar essas células2,3. A adição de transcriptômica espacialmente resolvida nos permite restaurar informações estruturais perdidas em técnicas unicelulares e obter informações sobre a função coletiva .

O sistema de condução cardíaca (SCC), responsável pela ativação elétrica regular e coordenada do coração, contém estruturas que incluem os nodos sinoatrial e atrioventricular (SAN e AVN, respectivamente), o feixe atrioventricular (BAV) e a rede His-Purkinje, que cada um abriga células com propriedades eletrofisiológicas distintas6. Combinamos dissecação direcionada e histologia para gerar perfis transcriptômicos completos de células CCS humanas. Além disso, usamos a transcriptômica espacial para mapear essas células em suas localizações microanatômicas e descobrir suas células parceiras de nicho. Inspirados no amplo perfil de expressão de receptores de células marca-passo (células P), estendemos o banco de dados de interação célula-célula CellPhoneDB7 com um novo módulo neural-GPCR. Este módulo destaca conexões sinápticas, incluindo novos insights sobre células gliais vizinhas e capacidade de sinalização glutamatérgica.

A atividade fora do alvo das terapias não cardíacas no coração e no seu sistema de condução é uma das principais razões para o fracasso e a retirada do desenvolvimento de medicamentos8. Para ajudar a enfrentar esse desafio, desenvolvemos um pipeline, drug2cell, que integra interações medicamento-alvo do banco de dados ChEMBL com dados unicelulares fornecidos pelo usuário para avaliar de forma abrangente a expressão medicamento-alvo em células individuais. A aplicação desta abordagem às células P fornece uma visão mecanicista dos efeitos cronotrópicos dos medicamentos não cardíacos.

Finalmente, mostramos que nossa abordagem multiômica integrada é capaz de descobrir nichos (isto é, microambientes de tecidos celulares). Definimos um sistema de defesa imunológica epicárdico e um nicho de estresse miocárdico ventricular, e inferimos sinalização intercelular específica ativa dentro de cada microambiente celular. Esses novos nichos celulares cardíacos nos permitem refinar os componentes celulares que fundamentam a microanatomia do coração humano.

Integramos conjuntos de dados scRNA-seq e snRNA-seq (sc / snRNA-seq) publicados anteriormente com dados multiome recém-gerados (snRNA-seq emparelhado e ensaio de núcleo único para cromatina acessível por transposase usando sequenciamento (snATAC-seq)) e dados de transcriptômica espacial (10x Genômica). Estudamos oito regiões anatômicas: os ventrículos esquerdo e direito (VE e VD, respectivamente), os átrios esquerdo e direito (AE e AD, respectivamente), o ápice (AX), o septo interventricular (SP), o SAN e o AVN (Fig. 1a). No total, nossos dados incluíram amostras de 25 doadores com idades entre 20 e 75 anos (fig. 1a). Todas as amostras de tecido eram de doadores de transplante sem histórico de doença cardíaca ou arritmia (Tabela Suplementar 1), e os corações que contribuíram para as regiões SAN e AVN eram de doadores com parâmetros de condução normais confirmados por eletrocardiogramas de 12 derivações antes da doação (Tabela Suplementar 1) .