לאחרונה טֶבַע המחקר משתמש בשילוב של רצף חומצה ריבו-נוקלאית (scRNA) חד-תאית וקרינה חזקה ברזולוציה גבוהה באתרו הכלאה (MERFISH) כדי להבין טוב יותר סוגי תאי לב היוצרים את הלב האנושי.
לימוד: קהילות תאיות מאורגנות במרחב יוצרות את הלב האנושי המתפתח. קרדיט תמונה: liseykina / Shutterstock.com
רקע כללי
הלב הוא האיבר הראשון שמתפתח ותלוי בתכונותיו המורפולוגיות לתפקוד. שינויים במבני הלב הללו עלולים להוביל למחלת לב מולדת, שהיא אחד המומים המולדים הנפוצים ביותר. בנוסף לילדים, מבוגרים עם תכונות לב מורפולוגיות חריגות נמצאים בסיכון מוגבר לפתח מסתמים וקרדיומיופתיות היפרטרופיות.
לפיכך, הכרחי להבין סוגי תאים מגוונים המתואמים מרחבית היוצרים את מבנה הלב המורכב ומכריעים לתפקודו. עד כה, האינטראקציות של סוגי תאי לב וכיצד הם מתארגנים ליצירת לב מתפקד במלואו אינם מובנים במלואם.
לגבי המחקר
המחקר הנוכחי זיהה אינטראקציות סלולריות שיתופיות הקשורות ישירות למורפוגנזה של הלב. בהקשר זה, בוצע scRNA-seq מקיף, יחד עם MERFISH של לבבות אנושיים מתפתחים. כאן, הפוטנציאל של תעתיק תא בודד וביולוגיה מרחבית נוצל כדי לנתח תעתיקי RNA מגנים רבים בתאים בודדים.
ממצאי המחקר
בתחילה, שושלות התאים הספציפיות המהוות את הלב המתפתח נחקרו באמצעות scRNA-seq. טכניקה זו אפשרה שכפול של לבבות אנושיים בין תשעה ל-16 שבועות לאחר ההתעברות (pcw).
לבבות מתפתחים שהיו קטנים משמעותית מלבות בוגרים שנוצרו במלואם נותחו לחדרי לב שלמים. אסטרטגיה זו אפשרה חקירה של המחיצה הבין חדרית (IVS), אשר שיפרה את היכולת לזהות סוגי תאים נוספים, במיוחד מאזורים שאינם מיוצגים.
סך של 142,946 תאים בודדים נאספו מדגימות לב ונותחו באמצעות scRNA-seq. בתוך תאים אלה, תאים אנדותל, קרדיומיוציטים, מזנכימלי דם ותאים עצביים הופרדו.
ניתוח סמני גנים וציבור מבוסס גרפים זיהו שתים עשרה מחלקות תאים בתוך כל תא, כאשר ניתוח צבירי תאים נוסף זיהה 39 אוכלוסיות. יש לציין, שושלת התאים שזוהתה לאחרונה הפגינה הטרוגניות שיוחסה למיקומה האנטומי ולמצב ההתפתחותי שלה, ובכך הדגישה את המורכבות ההתפתחותית של הלב האנושי.
הדמיית MERFISH הבהירה את הארגון המרחבי של תאים קרדיווסקולריים שזוהו ב-scRNA-seq. היישום של מסווג NS-Forest2 בניתוח מקבצי scRNA-seq איפשר זיהוי של 238 גנים ספציפיים לתת-אוכלוסיה של תאים שהיו ממוקדים על ידי בדיקות מקודדות MERFISH.
סך של 108.2 מיליון תמלילים מ-258,237 תאים נוצרו באמצעות פילוח סלולרי וסינון אדפטיבי. תעתיקי ה-RNA שזוהו בניסוי MERFISH הראו מתאם משמעותי עם שכפולים ניסיוניים ומערכי נתונים של scRNA-seq.
ניתוח סמן גנים לבבי זיהה 27 אוכלוסיות תאי MERFISH מובחנות שיכולות להיות קשורות למחלקות ההתפתחות שהתגלו על ידי scRNA-seq.
ביחד, הניתוח הרב-מודאלי הוביל לגילוי שושלות קרדיווסקולריות מגוונות המשתתפים בהתפתחות ובמורפוגנזה של הלב האנושי. הקורלציה של ניתוח הדמיה של MERFISH עם נתוני scRNA-seq סיפקה תובנות חדשות לגבי פרופילי התעתיק והתפקוד של גנים ספציפיים עבור תאים בודדים אלה שנפתרו במרחב.
תפקידם של גנים מסוימים בהשפעה על אלגוריתמים של אינטראקציה בין תאים לתאים (CCI) נחקר גם על ידי זיהוי צמדי ליגנד-קולטנים לאיתותים נפרדים של תאים המתבטאים בין אוכלוסיות תאים שכנות מבחינה מרחבית כדי להקל על האינטראקציות ביניהן. לשם כך, נצפו מסלולי איתות ייחודיים של פלקסין-סמפורין (PLXN-SEMA) בין שילובים שונים של אוכלוסיות תאים המקיימות אינטראקציה בתוך שכבות ספציפיות של דופן החדר.
זוהו אינטראקציות רב-תאיות חריגות בין PLXNA2+ PLXNA4+ קרדיומיוציטים חדרית, תאי אנדותל SEMA6A+ SEMA6B+ ופיברובלסטים SEMA3C+ SEMA3D+. אינטראקציות אלו יכולות לווסת את הקצאת קרדיומיוציטים במהלך המורפוגנזה של דחיסה של דופן החדר.
מסקנות
הגישה המשולבת של scRNA-seq ו-MERFISH אפשרה לחוקרים לבנות אטלס מקיף של תאי לב במהלך התפתחות הלב האנושי ברזולוציה מרחבית ומולקולרית של תא בודד.
כאן זוהו אוכלוסיות תאי לב חדשות מאזורים לא מיוצגים בלב, כגון מערכת ההולכה ומסתמי הלב, ובכך שפר את הידע העדכני על סוגי תאים המהווים את הלב האנושי.
אטלס תאי הלב המרחביים המבוססים על MERFISH ברזולוציה גבוהה סיפק תובנות חדשות לגבי האופן שבו סוגי התאים שזוהו מקיימים אינטראקציה ומשפיעים על היווצרותם של מבנים לבביים שונים. בסך הכל, ממצאי המחקר יכולים לתמוך במחקרים עתידיים שמטרתם להבין טוב יותר את המנגנונים הפתולוגיים הקובעים מחלות לב מבניות מולדות ומבוגרים.
