Cardiac Reprogramming and Gata4 Overexpression Reduce Fibrosis and Improve Diastolic Dysfunction in Heart Failure With Preserved

該篇文章于2024年發(fā)表于《Circulation》，文章的核心內(nèi)容是研究心臟重編程和Gata4過表達(dá)在射血分?jǐn)?shù)保留的心理衰竭（HFpEF）中的作用。

一、     研究背景

射血分?jǐn)?shù)保留的心力衰竭（HFpEF）是一個嚴(yán)峻的全球性健康問題，其患者約占全球心力衰竭患者的一半，患病率持續(xù)上升，死亡率與射血分?jǐn)?shù)降低的心力衰竭相近。目前，針對 HFpEF 的有效治療手段極為有限。

HFpEF 的發(fā)病機(jī)制涉及多個方面，是多種病理生理過程相互作用的結(jié)果。心臟纖維化在 HFpEF 的發(fā)生和發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，它既是多種病理變化的原因，也是其結(jié)果，進(jìn)而形成疾病進(jìn)展的前饋循環(huán) 。

心臟成纖維細(xì)胞（CFs）作為心臟間質(zhì)的主要細(xì)胞類型，與心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞等多種細(xì)胞密切相互作用。在 HFpEF 的病理狀態(tài)下，CFs 被激活，這種激活狀態(tài)的改變會導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的過度沉積，最終引發(fā)間質(zhì)和血管周圍纖維化。然而，目前對于 HFpEF 中纖維化的具體細(xì)胞和分子機(jī)制仍未明確，這也成為開發(fā)有效治療策略的一大障礙。

在探索 HFpEF 治療方法的過程中，心臟重編程技術(shù)展現(xiàn)出了一定的潛力。該技術(shù)通過過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Mef2c/Gata4/Tbx5/Hand2（MGTH）將 CFs 轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)心肌細(xì)胞（iCMs），在心肌梗死中顯示再生和抗纖維化作用，為心肌梗死的治療帶來新的希望。

二、     研究結(jié)果

1.       心臟重編程逆轉(zhuǎn)了射血分?jǐn)?shù)保留的HFpEF中的舒張功能障礙

研究人員為探究心臟重編程在HFpEF中的作用，使用新開發(fā)的Tcf21iCre/Tomato/MGTH2A三轉(zhuǎn)基因（TTg）小鼠系統(tǒng)，給予他莫昔芬誘導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞（CFs）發(fā)生心臟重編程，且他莫昔芬處理能誘導(dǎo)CFs中MGTH和番茄紅素（Tomato）表達(dá)，同時證實TTg小鼠心臟中Tomato+細(xì)胞中MGTH顯著上調(diào)，且單獨(dú)MGTH表達(dá)不誘導(dǎo)小鼠表型變化。接著，將對照小鼠和TTg小鼠構(gòu)建“雙打擊"HFpEF模型，5周后部分小鼠用他莫昔芬誘導(dǎo)心臟重編程。實驗分Ctrl-chow組、TTg-chow組、Ctrl-HFpEF組和TTg-HFpEF組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)MGTH過表達(dá)不影響小鼠食物攝入，Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF組小鼠15周內(nèi)保持肥胖、高血壓且心臟收縮功能保留。而TTg-HFpEF小鼠在10周和15周時，經(jīng)超聲心動圖評估左心室舒張功能顯著改善，15周時左心室壁肥厚和舒張速度（E'波）也有所改善，心臟導(dǎo)管插入術(shù)顯示其左心室舒張末期壓力和舒張末期壓力 - 容積關(guān)系得到改善，跑步機(jī)測試表明運(yùn)動耐量也有所提高。綜上，心臟重編程可逆轉(zhuǎn)HFpEF小鼠左心室舒張功能障礙，改善心臟功能。

2.       心臟重編程改善了射血分?jǐn)?shù)保留的HFpEF患者的心臟肥大、纖維化、微血管稀疏以及炎癥狀況

研究人員分析了15周時Ctrl-chow、TTg-chow、Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF小鼠心臟病理變化，發(fā)現(xiàn)Ctrl-HFpEF小鼠心臟肥大、纖維化、炎癥細(xì)胞增多、毛細(xì)血管密度降低，而TTg-HFpEF小鼠這些情況得到改善，且MGTH過表達(dá)抑制心臟肥大、減輕纖維化。10周齡Ctrl-HFpEF小鼠心臟纖維化與舒張功能障礙相關(guān)，TTg-HFpEF小鼠經(jīng)他莫昔芬處理后纖維化減輕、舒張功能改善。此外，TTg-HFpEF小鼠約1%的Tomato陽性細(xì)胞轉(zhuǎn)化為iCMs ，部分為成熟型且無不良影響，表明MGTH過表達(dá)通過改善多種心臟問題并誘導(dǎo)iCMs生成來改善HFpEF。

3.       心臟重編程上調(diào)了射血分?jǐn)?shù)保留的HFpEF中與心肌相關(guān)的基因，并抑制了纖維化和炎癥相關(guān)的特征

研究人員為探究心臟重編程在HFpEF中誘導(dǎo)的分子變化，對15周齡的Ctrl-chow、Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF小鼠心室進(jìn)行bulk RNA-seq分析析，發(fā)現(xiàn)Ctrl-HFpEF小鼠相比Ctrl-chow小鼠，纖維化和炎癥相關(guān)基因簇上調(diào)、心臟功能相關(guān)基因簇下調(diào)，而TTg-HFpEF小鼠則相反，說明體內(nèi)心臟重編程可改善心臟功能。此外，利用單細(xì)胞RNA-seq分析TTg-HFpEF心室的心臟間質(zhì)細(xì)胞分子特征，獲得36786個單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)集，聚類出9種細(xì)胞群，Tcf21和Tomato僅在CF簇表達(dá)，且CFs與其他間質(zhì)細(xì)胞通過多種途徑相互作用，影響毛細(xì)血管密度和炎癥 。

4.       心臟重編程抑制了射血分?jǐn)?shù)保留的HFpEF中多個CF簇的促纖維化特征

研究人員運(yùn)用單細(xì)胞 RNA 測序研究 HFpEF 和心臟重編程時 CFs 的變化，發(fā)現(xiàn) CF 群體可分 6 個簇，各有不同功能特點。Ctrl-HFpEF小鼠與Ctrl-chow 小鼠相比，部分 CF 簇比例有變化，但與TTg-HFpEF 小鼠差異不顯著，CF5 比例在三組中無差異。進(jìn)一步分析基因表達(dá)發(fā)現(xiàn)，Ctrl-HFpEF小鼠多個 CF 簇中與纖維化相關(guān)基因上調(diào)，TTg-HFpEF小鼠則抑制這些基因，且兩組 ECM 評分變化趨勢相反。總之，多個 CF 簇的促纖維化轉(zhuǎn)錄變化是 HFpEF 纖維化主因，心臟重編程可逆轉(zhuǎn)該變化。

5.       在射血分?jǐn)?shù)保留的HFpEF中，CF簇對間質(zhì)纖維化和血管周圍纖維化有著不同的影響

單細(xì)胞RNA-seq無法提供 CF 簇空間信息，研究人員開展空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。結(jié)果顯示，HFpEF 使纖維化相關(guān)基因表達(dá)分布不均，CF1-4 中 Col3a1和 Sparc 在Ctrl-HFpEF 小鼠心室彌漫性上調(diào)，CF5 中 Postn 和 Ccn2 局灶性上調(diào)。整合分析表明，CF1 和 CF3 主要促成彌漫性間質(zhì)纖維化，CF4-6 與血管周圍纖維化有關(guān)，且 Postn 在Ctrl-HFpEF 小鼠血管周圍高表達(dá)，在TTg-HFpEF 小鼠中減少，說明不同 CF 簇在 HFpEF 心肌纖維化中作用不同。

6.       在CFs中過表達(dá)Gata4改善了射血分?jǐn)?shù)保留的HFpEF患者的心臟纖維化和舒張功能障礙

研究人員為探究單個重編程因子對 HFpEF 心臟功能的影響，構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠分別表達(dá) Gata4、Mef2c、Tbx5 和 Hand2。體外實驗發(fā)現(xiàn)，僅 Gata4 過表達(dá)能誘導(dǎo)抗纖維化作用且不產(chǎn)生新的 iCMs。體內(nèi)實驗通過構(gòu)建他莫昔芬誘導(dǎo)型雙轉(zhuǎn)基因小鼠并誘導(dǎo) HFpEF，結(jié)果顯示，Gata4 過表達(dá)可改善心臟功能，減輕纖維化，下調(diào)纖維化相關(guān)基因，減少增殖性 CFs，恢復(fù)毛細(xì)血管密度，表明 Gata4 過表達(dá)足以改善 HFpEF 。

7.       Gata4通過抑制Meox1來抑制CF的活化

研究人員發(fā)現(xiàn) Gata4 在 HFpEF 中的抗纖維化機(jī)制，發(fā)現(xiàn) HFpEF 心室中 Meox1 上調(diào)，過表達(dá) Gata4 可抑制其表達(dá)。體外實驗表明 Gata4 主要通過抑制 Meox1 抑制 CF 激活，且 Gata4 可直接結(jié)合 Meox1 增強(qiáng)子區(qū)域抑制其表達(dá)。此外，CFs 可旁分泌影響心肌細(xì)胞功能，Gata4 過表達(dá)在人 CFs 中也有抗纖維化作用。

三、     研究結(jié)論

該篇文章系統(tǒng)性地證實了心臟重編程(特別是Gata4過表達(dá))通過抑制Meox1減輕纖維化、改善HFpEF的療效。研究創(chuàng)新性地揭示了HFpEF中不同CF亞群對纖維化類型的特異貢獻(xiàn)。雖然在臨床轉(zhuǎn)化方面仍存在障礙，但該研究為HFpEF治療提供了新的思路和靶點。