Une récente Nature l'étude utilise une combinaison de séquençage d'acide ribonucléique unicellulaire (ARNsc) et de fluorescence multiplexée à haute résolution et résistante aux erreurs sur place hybridation (MERFISH) pour mieux comprendre les types de cellules cardiaques qui forment le cœur humain.
Étude: Les communautés cellulaires spatialement organisées forment le cœur humain en développement. Crédit d'image : liseykina/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
Le cœur est le premier organe à se développer et son fonctionnement dépend de ses caractéristiques morphologiques. Les modifications de ces structures cardiaques peuvent conduire à une cardiopathie congénitale, l’une des malformations congénitales les plus courantes. Outre les enfants, les adultes présentant des caractéristiques morphologiques cardiaques anormales courent un risque accru de développer des valvulopathies et des cardiomyopathies hypertrophiques.
Ainsi, il est impératif de comprendre les divers types de cellules spatialement coordonnés qui créent la structure complexe du cœur et sont cruciaux pour son fonctionnement. À ce jour, les interactions entre les types de cellules cardiaques et la manière dont elles s’organisent pour former un cœur entièrement fonctionnalisé ne sont pas entièrement comprises.
À propos de l'étude
La présente étude a identifié des interactions cellulaires coopératives directement associées à la morphogenèse cardiaque. Dans ce contexte, un séquençage complet de scRNA a été réalisé, ainsi que MERFISH de cœurs humains en développement. Ici, le potentiel de la transcriptomique unicellulaire et de la biologie spatiale a été exploité pour analyser les transcrits d'ARN de nombreux gènes dans des cellules individuelles.
Résultats de l'étude
Initialement, les lignées cellulaires spécifiques qui constituent le cœur en développement ont été étudiées à l’aide de scRNA-seq. Cette technique a permis la réplication de cœurs humains entre neuf et 16 semaines après la conception (pcw).
Des cœurs en développement qui étaient significativement plus petits que les cœurs adultes entièrement formés ont été disséqués dans des cavités cardiaques intactes. Cette stratégie a permis l'investigation du septum interventriculaire (IVS), ce qui a amélioré la capacité d'identifier davantage de types de cellules, en particulier dans les régions sous-représentées.
Un total de 142 946 cellules uniques ont été collectées à partir d’échantillons cardiaques et analysées à l’aide de scRNA-seq. Au sein de ces cellules, les compartiments endothélial, cardiomyocytaire, mésenchymateux sanguin et neuronal étaient séparés.
L'analyse des marqueurs génétiques et le regroupement basé sur des graphiques ont identifié douze classes de cellules dans chaque compartiment cellulaire, avec une analyse plus approfondie du regroupement cellulaire identifiant 39 populations. Notamment, la lignée cellulaire nouvellement identifiée présentait une hétérogénéité attribuée à sa localisation anatomique et à son état de développement, mettant ainsi en évidence les complexités du développement du cœur humain.
L’imagerie MERFISH a élucidé l’organisation spatiale des cellules cardiovasculaires identifiées dans scRNA-seq. L'application d'un classificateur NS-Forest2 dans l'analyse de clustering scRNA-seq a permis l'identification de 238 gènes spécifiques à une sous-population cellulaire ciblés par les sondes codant pour MERFISH.
Un total de 108,2 millions de transcriptions provenant de 258 237 cellules ont été générées par segmentation cellulaire et filtrage adaptatif. Les transcrits d'ARN identifiés dans l'expérience MERFISH présentaient une corrélation significative avec les réplicats expérimentaux et les ensembles de données scRNA-seq.
L'analyse des marqueurs génétiques cardiaques a identifié 27 populations de cellules MERFISH distinctes qui pourraient être associées aux classes de développement découvertes par scRNA-seq.
Ensemble, l'analyse multimodale a conduit à la découverte de diverses lignées cardiovasculaires qui participent au développement et à la morphogenèse du cœur humain. La corrélation de l’analyse d’imagerie MERFISH avec les données scRNA-seq a fourni de nouvelles informations sur les profils transcriptionnels et la fonction de gènes spécifiques pour ces cellules individuelles spatialement résolues.
Le rôle de certains gènes dans l’influence des algorithmes d’interaction cellule-cellule (CCI) a également été exploré en identifiant des paires distinctes de ligand-récepteur de signalisation cellulaire exprimées entre des populations cellulaires spatialement voisines afin de faciliter leurs interactions. À cette fin, des voies de signalisation uniques plexine-sémaphorine (PLXN – SEMA) ont été observées parmi différentes combinaisons de populations cellulaires en interaction au sein de couches spécifiques de la paroi ventriculaire.
Des interactions multicellulaires inhabituelles entre les cardiomyocytes ventriculaires PLXNA2+ PLXNA4+, les cellules endothéliales SEMA6A+ SEMA6B+ et les fibroblastes SEMA3C+ SEMA3D+ ont été identifiées. Ces interactions pourraient réguler l'allocation des cardiomyocytes lors de la morphogenèse du compactage de la paroi ventriculaire.
Conclusions
L’approche combinée scRNA-seq et MERFISH a permis aux chercheurs de construire un atlas complet des cellules cardiaques au cours du développement du cœur humain à une résolution spatiale et moléculaire unicellulaire.
Ici, de nouvelles populations de cellules cardiaques provenant de régions sous-représentées du cœur, telles que le système de conduction et les valvules cardiaques, ont été identifiées, améliorant ainsi les connaissances actuelles sur les types de cellules qui constituent le cœur humain.
L’atlas spatial de cellules cardiaques à haute résolution basé sur MERFISH a fourni de nouvelles informations sur la manière dont les types de cellules identifiés interagissent et influencent la formation de structures cardiaques distinctes. Dans l’ensemble, les résultats de l’étude pourraient soutenir de futures études visant à mieux comprendre les mécanismes pathologiques qui déterminent les cardiopathies structurelles congénitales et adultes.
