Мультиомное картирование выявило новые особенности патологии сердца при инфаркте

По данным ВОЗ, ишемическая болезнь сердца, приводящая к острому инфаркту миокарда, — основная причина смертности среди населения Земли. Прогресс в лечении инфаркта уменьшил количество летальных исходов, однако для совершенствования терапии требуют более детального изучения осложнения, вызванные ремоделированием миокарда (РМ) левого желудочка.

На клеточном и тканевом уровнях РМ включает в себя привлечение иммунных клеток в инфарктную зону для ее демаркации с последующим лизисом некротизированной ткани, активацией миофибробластов и формированием сосудистой сети. Понимание молекулярных механизмов процессов РМ от острого ишемического события до образования рубца в их пространственном контексте крайне важно для разработки новых терапевтических средств.

Сотрудники ведущих научных институтов Германии, Нидерландов, Великобритании, Словении и США провели мультиомный анализ различных участков миокарда после инфаркта и охарактеризовали клеточные ниши, возникающие на разных стадиях.

Исследовали 27 биопсийных образцов сердечной ткани от 23 человек, перенесших острый инфаркт миокарда, а также 4 контрольных образца от донорских сердец. Из образцов выделяли фрагменты ткани, соответствующие четырем гистоморфологическим областям: ишемическому очагу, пограничной, дистантной и фиброзной зонам; затем проводили профилирование единичных ядер (snRNA-seq) и ATAC-seq-анализ, чтобы определить состояния кардиомиоцитов и других клеток, связанных с прогрессированием заболевания.

Используя наборы данных snRNA-seq и snATAC-seq независимо друг от друга, ученые создали карту молекулярных взаимодействий в сердечной ткани после инфаркта. Аннотация по маркерным генам выявила 8 основных типов клеток, формирующих и обеспечивающих работу миокарда: желудочковые кардиомиоциты, эндотелиоциты, фибробласты и адвентициальные клетки, лимфоидные, миелоидные и нейрональные клетки, а также гладкомышечные клетки сосудов. Дополнительно в ишемическом очаге был выделен клеточный кластер с усиленной экспрессией маркерного гена клеточного цикла MKI67, регулирующего G2/M и S фазы клеточного цикла.

Чтобы связать структуру ткани с функцией, ученые проанализировали пространственные зависимости между сигнальными путями и типами клеток с помощью ресурса PROGENy. Определение колокализации путей выявило связь между сигнальными путями PI3K и p53, которые показали взаимоисключающее пространственное распределение. Оба пути были ассоциированы с количеством кардиомиоцитов в анализируемом фрагменте ткани. PI3K-сигнализация в кардиомиоцитах контролирует гипертрофический ответ для сохранения сердечных функций, а p53, как известно, действует как главный регулятор сердечного гомеостаза. Пространственная сегрегация этих путей, связанных с кардиомиоцитами, указывает на функциональную гетерогенность кардиомиоцитов.

Исследователи наблюдали колокализованные и расширенные отношения соседства известных ключевых путей при фиброзном процессе, включая TGFβ и NF-κB, определяемые в фибробластах, и JAK-STAT и NFκB, определяемые в иммунных клетках. Пути гипоксии и WNT показали колокализацию к кардиомиоцитам в ишемических участках — это соответствует процессам дифференцировки кардиомиоцитов после инфаркта.

Оперируя данными snATAC-seq, помимо идентификации сигнальных активностей в клетках сердца, авторы работы обратили внимание на генетические маркеры кардиомиопатии — однонуклеотидных полиморфизмов (SNP). Ученые предположили, что наиболее значимую информацию о клеточном составе ткани миокарда несут SNP, имеющие отношение к функции левого желудочка.

Дифференциальный анализ генной экспрессии показал увеличение экспрессии гена ANKRD1 в ишемической и приграничной зонах миокарда. Этот ген ассоциирован с семейной дилатационной кардиомиопатией. Также в приграничной зоне была зафиксирована повышенная экспрессия гена MYH7, кодирующего тяжелую цепь β-миозина и ответственного за стрессовое состояние кардиомиоцитов. В «стрессовой» зоне увеличилась экспрессия генов, связанных с ионными каналами, регулирующими электрическую активность сердца.

Ранее было установлено, что клетки миелоидного происхождения играют ключевую роль в ремоделировании сердца после инфаркта. Используя новые данные, авторы подробнее проанализировали популяции этих клеток. Два клеточных кластера демонстрировали экспрессию маркеров резидентных миелоидных клеток, присутствовали также CCL18- и SPP1-экспрессирующий кластер макрофагов, кластер моноцитов и классических дендритных клеток. В зоне ишемии была повышена численность SPP1-макрофагов, в то время как CCL18+ макрофаги населяли преимущественно зону фиброза. SPP1+ макрофаги ранее были описаны при фиброзе легких на фоне COVID-19, есть предположения, что они участвуют в ремоделировании сердечной ткани у рыбок данио. Также, в популяции SPP1+ миелоидных клеток повысился уровень экспрессии CD36, который связывается с апоптотическими и мертвыми нейтрофилами, и играет уникальную роль в ремоделировании миокарда после инфаркта.

Без пространственного контекста неясно, как взаимодействуют клетки при координации функций ткани, подчеркивают авторы. По их мнению, полученные данные облегчат понимание действия генно-регуляторных сетей в миокарде после инфаркта и станут отправной точкой для дальнейших исследований в этом направлении.

Фибробласты, образующие рубец после инфаркта, можно перепрограммировать в кардиомиоциты