🤩 Journal Club | 单细胞多组学分析揭示巨噬细胞亚群在心脏修复中的作用

写在前面

周末准备出去骑车的，但是大风预警也是哪里不敢去。🙂‍↔️

在家摸摸鱼吧，写完这点就去看看棋士了，毕竟还有很多没看完。😂

研究背景

心血管疾病是全球主要死因，心肌梗死（MI）后心脏修复过程复杂，涉及炎症反应与组织修复的平衡。🫠

巨噬细胞作为心脏主要免疫细胞，具有促炎和促修复的双重功能，但其亚群的异质性及作用机制尚不明确。🧐

新生儿（P1）心脏具有短暂再生能力，而出生后10天（P10）及成年心脏丧失这一能力，巨噬细胞亚群的动态变化可能是关键因素。💔

研究结果一

构建MI后CD45+F4/80+心脏免疫细胞的单细胞H3K27ac图谱，揭示不同MPC亚群的增强子活性差异及命运功能：👇

图1A：实验设计流程图显示：从P1/P10小鼠心梗模型与对照中分离CD45+F4/80+细胞，进行单细胞H3K27ac CoBATCH测序；共获取上万个细胞用于表观增强子图谱绘制；

图1B-C：共识聚类分析鉴定出9个增强子特征亚群（C0–C8），包括常驻巨噬细胞（C0/C1）、非经典单核细胞（C2）、经典炎症单核细胞（C3）、Arg1+修复型巨噬细胞（C4）与S100a9+Ly6c+炎症单核细胞（C6）等；

图1D：分组统计显示，MI后常驻巨噬细胞比例下降，而C3与C6等炎症相关亚群显著上升，提示免疫应答偏向炎症状态；

图1E：各亚群特异增强子富集的GO功能显著不同：

🔹C4（Arg1+）富集组织修复，心脏发育路径；

🔸C6（S100a9+）富集细胞因子活性,趋化,炎症应答等免疫激活通路；

➡️初步提示C6可能是MI后不可再生心脏中过度炎症与修复失败的关键亚群。💥

研究结果二

P1可再生心脏中偏向生成Arg1+修复型巨噬细胞（C4），而P10不可再生心脏则富集S100a9+Ly6c+炎症型单核细胞（C6），提示MPC命运分化决定了心脏修复与否：👇

图2A：增强子活性分析显示：

🔹P1组中C4亚群富集于修复相关基因如Igf1、Pdgfb；

🔸P10组中C6亚群增强子富集炎症基因如Cxcl2、Il18r1，表明两组亚群的功能趋向截然不同；

图2B-C：免疫荧光验证显示：

🟢 Arg1+F4/80+巨噬细胞在P1心梗心脏中明显增多，尤其集中于梗死区（IZ）与边缘区（BZ）；

❌ 而在P10中，Arg1+细胞显著减少，修复型Mφ比例不足；

图2D-E：S100a9+F4/80+细胞在P10中显著上调，提示炎症单核细胞主导心脏免疫微环境；

🧭 这一结果明确指出：

P1心脏倾向于抗炎-修复性免疫反应（Arg1+C4）；

P10心脏则发生炎症激活型免疫重构（S100a9+C6），或为心脏再生障碍的关键。

研究结果三

增强子位点显著富集人类心血管疾病GWAS信号，提示临床外推潜力：👇

图3A：增强子peaks主要位于内含子与远端调控区域，功能性强；

图3B：人类心血管相关GWAS SNPs在C6特异增强子上富集最明显；

图3C：C6亚群具有最多的共调控网络（CCRNs），调控模块复杂；

图3D：举例：Jun/Prdx5增强子包含SNPs富集，提示其为功能性调控热点区域；

🧬 S100a9+Ly6c+亚群可能是心血管疾病发生的重要调控细胞群。

研究结果四

识别亚群特异性转录因子（TF）调控网络，进一步解释命运分化：👇

图4A：TF motif富集分析（ChromVAR）：

• C4富集SMAD3、NFE2；
• C6富集ATF4、TCF21、JUN；

图4B：motif活性与亚群特异性一一对应；

图4C：构建TF-TG调控网络：

• C6亚群中ATF4/JUN驱动多个炎症靶基因（如S100a8/a9、Cxcl2）；

🧠 TF网络揭示命运走向的转录调控基础。

研究结果五

P1与P10心脏中同一亚群的增强子状态完全不同，提示表观塑性驱动命运差异：👇

图5A-B：C4在P1富集，C6在P10富集；

图5C：差异性增强子数量最多集中在C4/C6亚群，提示命运重塑；

图5D：P1-C4富集修复基因；P10-C6富集炎症通路；

图5E-F：P1中TF（如NFE2）调控修复通路，P10中TF（如ATF4）调控炎症程序；

📌 同一类MPC细胞，在不同再生环境下表观层命运分化方向完全不同。

研究结果六

识别命运选择开关CXCR2，C6亚群特异表达该趋化因子受体：👇

图6A-B：Cxcr2在C6增强子区活跃，表明其是促炎分化驱动因子；

图6C-E：流式+免疫验证：CXCR2蛋白在C6细胞中富集表达；

✅ CXCR2是区分C4与C6命运的关键命运调节器。

研究结果七

药物干预：抑制CXCR2可改善P10心梗心脏修复：👇

图7A：实验流程：MI术后即刻使用SB225002抑制CXCR2；

图7B-C：流式细胞术：SB组中C6比例明显下降；

图7D-E：Masson染色+心功能评估：SB组纤维化减少，EF/FS改善；

💊 抑制C6命运可挽救部分修复能力，为不可再生心脏提供干预策略。

研究结果八

CXCR2抑制效应不依赖中性粒细胞，C6亚群为单核来源：👇

图8A-B：使用anti-Ly6G耗竭中性粒细胞后，SB225002依旧有效改善功能；

图8C-D：中性粒细胞在SB处理组中未显著变化；

图8E：C6标志物不在中性粒细胞表达，确认其为单核系；

🚫 排除CXCR2效应通过中性粒细胞通路，强调其在MPC中独立作用。

研究结果九

抑制CXCR2后，C4修复型Mφ获得补偿性激活：👇

图9A-D：SB处理后Arg1+细胞比例显著增加；

图9E-G：CM、EC增殖增加，凋亡减少；

✅ 命运偏移促使修复型Mφ替代炎症型C6功能，是再生微环境形成的基础。

研究结果十

scRNA-seq验证命运偏移过程，C6减少、C4-like细胞增加：👇

图10A-B：新聚类识别到C7（炎症型）和C9（C4-like）群体；

图10C-F：SB组中C9显著上升，C7显著下降；

图10G-I：C9表达修复基因↑，C7表达炎症基因↓；

图10J-L：SCENIC分析：SB组中C7炎症regulons活性明显下调；

📈 转录水平验证C6→C4命运偏移过程，机制链条完整。

研究结果十一

成人心梗模型中也可见C6/C4亚群，机制具有外推性：👇

图11A-D：成鼠MI后可识别Arg1+ C4与S100a9+ C6亚群；

图11E-G：跨平台整合（CCA）：C4/C6与P10亚群高度一致；

图11H-N：C6群体中炎症增强子活性最强，是成人心脏修复失败的潜在原因；

🌍 本研究机制不仅适用于发育期心脏，也适用于成人MI模型，具有转化潜力。

文章出处

Fu M, Jia S, Xu L, Li X, Lv Y, Zhong Y, Ai S. Single-cell multiomic analysis identifies macrophage subpopulations in promoting cardiac repair. J Clin Invest. 2024 Aug 27;134(19):e175297. doi: 10.1172/JCI175297 . PMID: 39190625; PMCID: PMC11444165.-