人类心脏早期发育的时空转录组图谱揭示细胞动态与功能微环境形成机制

本研究针对人类心脏早期发育过程中细胞类型空间分布与分子调控机制不清的问题，通过整合空间转录组学（10x Visium）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）和原位测序（ISS）技术，对孕5.5-14周的人胚胎心脏进行多组学分析。研究构建了高分辨率的心脏发育时空图谱，鉴定出72个精细细胞状态及其空间定位，首次系统揭示了心脏起搏传导系统、心瓣膜、心房隔及自主神经支配等关键结构的细胞组成和分子特征。该成果为先天性心脏病病因研究提供了重要资源，相关数据已通过交互式数据库（https://hdcaheart.serve.scilifelab.se）开放共享。

心脏作为心血管系统的核心器官，其复杂四腔室结构和精密电传导网络的建立始于胚胎早期。尽管先天性心脏病是最常见的出生缺陷之一，但人类心脏早期发育的细胞时空动态变化仍存在大量认知空白。传统单细胞测序技术虽能解析细胞异质性，却无法保留关键的空间位置信息。近年来发展的空间转录组学为同时获取细胞分子特征和空间坐标提供了可能，但针对人类早期心脏发育的系统性时空图谱仍有待完善。

为填补这一空白，研究人员在《Nature Genetics》发表了针对孕5.5-14周人类胚胎心脏的大规模多组学研究。该研究整合了10x Genomics Visium空间转录组（16个心脏，38个切片）、单细胞RNA测序（15个心脏，76,991个细胞）和原位测序（4个心脏，150个基因靶点）三大技术平台，构建了迄今最全面的人类早期心脏发育时空图谱。

关键技术方法包括：1）孕5.5-14周人类胚胎心脏样本的多组学采集（经伦理审批）；2）10x Visium空间转录组构建23个空间分子区室；3）单细胞测序鉴定31个粗粒度/72个细粒度细胞状态；4）原位测序验证空间表达模式；5）细胞通讯与调控网络分析。

空间和细胞景观揭示心脏发育新见解

通过空间聚类分析识别出23个具有独特转录组特征的空间簇，对应心脏主要结构组分。单细胞测序鉴定的72个精细细胞状态通过空间解卷积技术定位到特定心脏区域，发现心肌细胞、内皮细胞和间充质-成纤维细胞构成核心细胞群体。时序分析显示这些细胞群体比例变化与关键心脏发育事件同步。

起搏传导系统的分子图谱

研究发现19个心肌细胞亚群中包含窦房结（SAN_CM）、房室结（AVN_CM）、房室束-束支（AVB-BB_CM）和浦肯野纤维（PF_CM）等起搏传导系统组分。这些细胞表达特异性转录因子（SHOX2、TBX3）和离子通道基因（HCN4、CACNA1C），呈现独特的电生理特征。基因调控网络分析揭示了BHLHE41和RORA等昼夜节律调节因子在窦房结中的富集，为心律失常的时间依赖性提供了分子解释。

心脏自主神经支配与染色体细胞的发现

研究首次在发育中人心脏中鉴定出神经内分泌染色体细胞（Chrom_C），其表达儿茶酚胺合成酶（TH、DBH）和缺氧感应因子（EPAS1/HIF2α）。这些细胞与自主神经元（Aut_Neu）共同构成早期心脏的自主调节系统，通过旁分泌调节起搏细胞功能。RNA速率分析显示神经嵴来源的施万细胞前体分化为神经元-染色体和胶质细胞双轨迹。

心瓣膜和心房隔的内皮细胞异质性

研究识别出流入道瓣膜内皮细胞（IF_VEC）和流出道瓣膜内皮细胞（OF_VEC），分别富集WNT信号通路组分（WNT2、WNT4）和BMP配体（BMP4、BMP6）。心房隔内皮细胞（AtrSept_EC）作为独立群体表达LEF1和MSX1等心房隔缺损相关基因。瓣膜间充质细胞分析提示神经嵴细胞对人类心瓣膜的贡献比既往认知更广泛。

心脏成纤维细胞和间充质细胞的空间异质性

研究通过空间映射识别出18个成纤维-间充质细胞状态，包括血管外膜、心外膜下和心肌间质等特定微环境群体。其中瓣膜间质细胞（VIC）和AnnFibr_FBs分别定位于心瓣膜游离缘和纤维环区域。特别发现具有纤维-脂肪祖细胞特征的群体（FAP），可能与致心律失常性右心室心肌病的病理改变相关。

发育性心脏微环境的空间解析

通过计算细胞状态共定位评分，研究构建了心脏微环境相互作用网络。起搏传导系统微环境中发现CALN1^high_FBs与起搏细胞的密切空间关联，瓣膜微环境中揭示了WNT/BMP/TGFβ信号通路的区室化分布。疾病基因表达分析显示二叶式主动脉瓣疾病相关基因在IF_VECs和VICs中特异性富集。

本研究通过多组学整合策略，首次在时空维度系统描绘了人类早期心脏发育的细胞和分子蓝图。发现的染色体细胞群体、神经嵴来源的瓣膜间充质细胞以及区室化的信号通路分布，为理解心脏发育机制和先天性心脏病病因提供了新视角。研究建立的交互式数据库（https://hdcaheart.serve.scilifelab.se）为心脏发育研究和疾病建模提供了重要资源，对干细胞定向分化质量评估和疾病机制探索具有指导意义。