心臟是哺乳動物發(fā)育階段最先形成的器官，為全身生命活動提供血液支持。雖然心臟功能如此關(guān)鍵，但成熟的心肌細(xì)胞一般不具有增殖能力，導(dǎo)致心臟損傷不可逆轉(zhuǎn)，因此全世界范圍內(nèi)很多科學(xué)家都在探索如何使心臟恢復(fù)再生能力^[1][2]。

目前，在心臟再生能力的研究方面，大家最為關(guān)注的是：如何讓成熟的心肌細(xì)胞再次進(jìn)行細(xì)胞增殖。因為心肌細(xì)胞可以自發(fā)跳動，所以，如果能有新增殖的心肌細(xì)胞代替受損的細(xì)胞，那么就很有可能實(shí)現(xiàn)心臟功能的修復(fù)。

為了尋找讓心肌細(xì)胞增殖的方法，近日，來自北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院的熊敬維研究組在國際知名期刊《Cell Stem Cell》上在線發(fā)表了一項題為“A small-molecule cocktail promotes mammalian cardiomyocyte proliferation and heart regeneration”的單細(xì)胞測序研究。在這項研究里，作者發(fā)現(xiàn)了由幾個小分子組成的混合物，能使成體的心肌細(xì)胞實(shí)現(xiàn)增殖 ，進(jìn)而促進(jìn)心臟修復(fù)。

研究思路

通過體外-體內(nèi)-體外的流程來進(jìn)行篩選和測試：

1. 首先通過體外的大規(guī)模篩選，找到備選的生物活性物質(zhì)；

2. 再對這些具有生物活性的小分子進(jìn)行動物體內(nèi)的實(shí)驗測試；

3. 最后將被激活的細(xì)胞在體外的環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)和單細(xì)胞測序分析。

文章主要研究內(nèi)容總結(jié)如下：

1. 藥物小分子組合可以刺激心肌細(xì)胞繁殖

為了找到讓心肌細(xì)胞增殖的方法，研究人員首先對成千上萬種藥物小分子進(jìn)行了篩選，希望能從中找到刺激心肌細(xì)胞增殖的藥物。 為了篩選出好用的藥物，作者利用了兩種不同的系統(tǒng)來對藥物小分子進(jìn)行篩選：

一種是FUCCI系統(tǒng)，用來對備選藥物進(jìn)行初篩，看藥物是否能讓心肌細(xì)胞“煥發(fā)青春”——“青春”了才有可能恢復(fù)增殖能力。

另一種是MADM系統(tǒng)，用來對這些FUCCI系統(tǒng)篩選出來的備選藥物進(jìn)行復(fù)篩，看哪些藥物能夠讓心肌細(xì)胞恢復(fù)“傳宗接代”的能力。

通過這兩個篩選系統(tǒng)，作者篩選出了13種小分子，并經(jīng)過簡單的實(shí)驗證明，這些小分子是可以促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖的。接下來，作者將這13個備選分子進(jìn)行了隨機(jī)的兩兩組合，并且借助計算機(jī)的算法，最后確定了10組效果可能比較好的小分子的組合。

為了驗證這些組合的效果，作者又進(jìn)一步對上面這10種組合做了FUCCI和MADM篩查。最后發(fā)現(xiàn)，有5個小分子（合稱5SM）可以明顯地促進(jìn)成體小鼠和大鼠心肌細(xì)胞的分裂和心臟再生。并且，一系列的病理學(xué)實(shí)驗也證明，5SM可以促進(jìn)心肌梗死心臟的心肌細(xì)胞增殖。

2. 藥物小分子組合可以重新激活心臟功能

為了進(jìn)一步研究5SM是如何促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖，作者首先進(jìn)行了RNA-seq和ATAC-seq，發(fā)現(xiàn)5SM可以促使成熟的心肌細(xì)胞進(jìn)行去分化，重新變?yōu)榉浅墒斓男募〖?xì)胞，真正“返老還童”，從而獲得再次分裂增殖的能力。
在這個過程中，有很多與糖酵解和去分化相關(guān)的基因被激活并活躍表達(dá)，為心肌細(xì)胞的“返老還童”作出了貢獻(xiàn)。

3. 單細(xì)胞測序揭示心肌細(xì)胞增值通路

既然發(fā)現(xiàn)了和增殖及去分化相關(guān)的基因，那么新的問題又來了：這些基因是如何讓心肌細(xì)胞命運(yùn)的發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)“返老還童”的呢？ 為了回答這個問題，作者將大鼠心室的心肌細(xì)胞解離出來，在體外進(jìn)行了培養(yǎng)，并用5SM進(jìn)行了處理，然后對處理后的心肌細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序。 通過對單細(xì)胞測序結(jié)果的分析，作者發(fā)現(xiàn)了一條心肌細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變的通路：
在5SM處理后的心肌細(xì)胞中，除了一般心肌細(xì)胞會具有的CM1亞型，還有CM2和CM4這兩個在沒處理的心肌細(xì)胞里不會存在的亞型。而且，從發(fā)育分化的路徑來看，在5SM的刺激下，心肌細(xì)胞會沿著C1-C2-C4這條通路再次轉(zhuǎn)變到增殖期。

（注：左上圖說明通過單細(xì)胞測序分析發(fā)現(xiàn)了六個心肌細(xì)胞（CM）亞群，這些亞群彼此位置的近遠(yuǎn)，代表不同亞群細(xì)胞基因表達(dá)相似性高低，越近越相似。圖中CM1、CM2、CM4處在相鄰的位置，說明它們的基因表達(dá)比較相似。右上圖說明CM1、CM2、CM4處在一條發(fā)育路徑上，是發(fā)生時間由早到晚的過程。）

這個過程可以認(rèn)為是心肌細(xì)胞的重新激活。成熟的心肌細(xì)胞在激活后會重新進(jìn)入分裂循環(huán)，為受損的心臟提供新的細(xì)胞來源，從而達(dá)到心臟修復(fù)的目的。

總結(jié)

這篇文章通過對小分子藥物的篩選，獲得了一組能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖的藥物小分子組合，并通過單細(xì)胞測序研究了藥物的起效機(jī)制，證據(jù)鏈充分，應(yīng)用價值明顯。在單細(xì)胞測序技術(shù)的助力下，這項研究將處于瓶頸期的心臟再生醫(yī)學(xué)向前推進(jìn)了一大步，為心梗相關(guān)疾病的治療帶來了福音。

參考文獻(xiàn)

[1] Fernández-Ruiz I. Rejuvenating cardiomyocytes facilitates heart regeneration. Nat Rev Cardiol. 2021, 18(12):807.
[2] Sadek H, Olson EN. Toward the Goal of Human Heart Regeneration. Cell Stem Cell. 2020, 26 (1):7-16.
[3] Garbern JC, Lee RT. Heart regeneration: 20 years of progress and renewed optimism. Dev Cell. 2022, 57(4):424-439.