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斑马鱼心脏再生的最新研究进展

2020年09月22日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:人的心肌梗死会导致心室重构,最终发展为心力衰竭,这是全世界死亡的主要原因之一。与成年哺乳动物心脏相比,斑马鱼模型生物具有显著的再生能力,为研究自然再生的基础提供了可能。在这里,我们总结了斑马鱼心脏再生的细胞和分子机制的最新见解。

人的心肌梗死会导致心室重构,最终发展为心力衰竭,这是全世界死亡的主要原因之一。与成年哺乳动物心脏相比,斑马鱼模型生物具有显著的再生能力,为研究自然再生的基础提供了可能。在这里,我们总结了斑马鱼心脏再生的细胞和分子机制的最新见解。


简介:心血管疾病仍然是全球范围内主要的死亡原因,预计将来心肌病的负担将大大增加。心肌梗死是由动脉粥样硬化斑块的形成和冠状动脉的阻塞所致,而冠状动脉的阻塞无法向心肌输送营养和氧气,导致数百万个心肌细胞死亡。用非收缩性瘢痕组织替代受损组织可保护心脏不致破裂,但最终会导致不良的心脏重塑和心力衰竭。几十年来,成年哺乳动物的心肌被认为是有丝分裂后的组织,几乎没有再生能力。出生后心脏生长主要是心肌细胞肥大的结果,在没有胞质分裂的情况下,通过额外的DNA合成,在人和小鼠中分别产生单核多倍体和双核二倍体心肌细胞。值得注意的是,新生小鼠心脏能够在出生后的短时间内再生。有趣的是,报告了一例新生儿严重心肌梗死后功能完全恢复。因此,探索其他物种如何在其生命周期内保持心脏再生引起人们的兴趣。斑马鱼是研究再生生物学最相关的模型之一,因为斑马鱼具有再生大部分器官和组织(包括心脏)的惊人能力。斑马鱼对心脏损伤的生物反应需要多种细胞类型的协调参与,其中涉及许多分子机制,最终导致受损组织的再生。在这里,我们总结了成年斑马鱼心脏再生的最新发现。


斑马鱼的心脏再生:在形态、细胞组成、遗传调节和胚胎发育等方面斑马鱼的心脏与哺乳动物的心脏有许多相似之处。在发育过程中,第一心脏区域的心脏祖细胞最初形成原始心脏管。将第二心脏区域的心脏祖细胞融合到静脉和动脉极,该结构拉长并成环以形成两腔的胚胎心脏。成年心肌由一层面对腔的心内膜层排列,并由心外膜层覆盖。斑马鱼的心脏为两腔,单心房和心室通过房室瓣连接。血液通过心房进入心脏,由心室泵入,并通过球动脉(一个突出的流出道)喷射到循环中。心肌可分为三层::小梁内层,原始层和外层皮质层。

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图1、成年斑马鱼心脏再生

Poss及其同事进行的一项开创性研究表明,切除20%的成年斑马鱼心室后,失去的心肌被新功能的心肌代替,通过几乎无疤痕的过程实现了再生。后来,开发了进一步的心脏损伤模型,包括心室冷冻损伤和遗传消融。 心室冷冻损伤通过快速冷冻部分心室诱导细胞死亡。低温损伤的心脏也能再生,但再生伴随着一个暂时的纤维化疤痕沉积,最终得到解决。第三种主要的损伤模型,心肌细胞的基因消融,目前是基于白喉毒素A或硝基还原酶的诱导和组织特异性表达,硝基还原酶是一种能将前药甲硝唑转化为细胞毒性代谢物而导致细胞死亡的酶。这些方法和其他方法,已经被广泛用于研究斑马鱼的心脏再生机制。


再生心肌的细胞来源:关于心脏再生,需要解决的一个中心问题是:新的心肌细胞来自哪里? 当前的共识是,新形成的心肌细胞源自先前存在的分化的心肌细胞。这一假设得到了Cre-lox技术的谱系追踪研究的有力支持,在这项研究中,未受伤心脏的心肌细胞使用心肌细胞特异性启动子cmlc2(myl7)进行不可逆标记。在心脏循环前myl7在前中胚层内的心肌祖细胞中表达。因此,不仅完全分化的心肌细胞表达myl7。一些心肌细胞,主要位于心外膜下和靠近损伤边缘的心肌细胞,在损伤后重新激活gata4和ctgfa基因调控区的表达。Sox10的表达可标记胚胎和成年斑马鱼心脏中的一部分心肌细胞。这些细胞优先增殖,有助于心脏损伤后心肌再生。这些发现可能代表了神经嵴衍生心肌细胞对心脏再生的贡献,或者,某些增殖心肌细胞内特定神经嵴遗传特征的激活。总之,一些心肌细胞在多大程度上表现出高的再生能力,以及在这一过程中涉及哪些特定的细胞和转录组变化,需要进一步的研究。有证据表明,心肌细胞可以在再生过程中部分改变命运,并重建不同的心肌层。 例如,可以通过房性心肌细胞来补偿胚胎室性心肌细胞的消融。此外,对切除心室的克隆分析表明,皮质心肌细胞有助于再生皮质层。最近,小梁心肌细胞也显示了皮质层的再生,这揭示了心肌细胞的某种程度的可塑性。皮质心肌细胞是否有助于再生小梁目前尚不清楚。有趣的是,在低温损伤的心脏中,心肌的原始层并没有再生。该观察结果以及在切除的和冻伤的心脏中再生的皮质层仍保持增厚并且心室壁收缩力未完全重建的发现表明,斑马鱼的心肌再生未完全实现。长期以来,斑马鱼中成年心肌细胞主要是二倍体的发现一直被认为是其高增殖潜力的可能解释。非再生性心肌细胞的多倍体性比再生性物种更常见,并且代表了增殖的障碍。事实上,心肌细胞的多倍体化与小鼠心脏再生和修复能力的丧失有关。遗传模型表明,心肌细胞倍性的增加会降低斑马鱼的心脏再生能力,这表明倍性在此过程中起着关键作用。


一个重要的探索是识别诱导心肌细胞增殖的内源性和外源性分子以及环境刺激。酪氨酸蛋白激酶受体Erbb2是心肌再生过程中的主要介质之一。它的配体之一,神经调节蛋白1(Nrg1)是在心脏再生期间在血管周围细胞中急剧诱导的强力心肌细胞有丝分裂原。Erbb2信号在心肌细胞增殖过程中也作用于下游参与维生素D或血流动力学的效应级联。在增殖心肌细胞中,Erbb2信号介导从氧化磷酸化到糖酵解为主的代谢的转换。Erbb2信号也与新生小鼠的心脏再生有关。已经确定了影响心肌细胞增殖的其他信号传导途径,包括PPARδ和vegfaa。这些是否也与Erbb2信号通路相互作用尚不清楚。广泛的表观遗传重塑先于心肌细胞的再生反应。 H3K27me3介导的表观遗传沉默抑制肌节和细胞骨架基因是重新进入细胞周期的先决条件。正如组蛋白H3.3分析所揭示的,在损伤反应过程中,特异性增强因子被激活。此外,已经显示出心肌细胞中的瞬时细胞膜融合在心肌再生中起作用。 在机体水平起作用的其他因素也会影响心肌细胞的增殖,包括游泳引起的运动和心脏预处理。总之,对有丝分裂信号进行严格的时空调控对促进心肌细胞增殖和心脏再生至关重要。


免疫系统反应:心脏损伤后,有一个初始的促炎期,其中坏死细胞触发免疫细胞的活化和浸润。这些来自心脏内和心脏外的细胞清除碎片和死细胞,重塑细胞外基质(ECM)。几种免疫细胞类型以时间和空间协调的方式参与这一过程。例如,中性粒细胞存留的增加或Treg细胞的消融会导致器官再生能力的降低。在哺乳动物中,心脏内的巨噬细胞是心脏中最丰富的免疫细胞群,其中大部分来自卵黄囊。巨噬细胞的消耗导致新生小鼠和斑马鱼的心脏再生受损。例如,刺激medaka中的Toll样受体可促进免疫细胞募集、新生血管形成、中性粒细胞清除、心肌细胞增殖和瘢痕愈合。另一方面,斑马鱼体内巨噬细胞的延迟募集导致新生血管形成、中性粒细胞清除、心肌细胞增殖和疤痕消退。总的来说,对炎症的时间和空间的精确控制对心脏再生至关重要。然而,斑马鱼心脏再生过程中涉及的其他免疫细胞类型和特定亚群的鉴定仍有待充分探索。


心脏内皮、神经和淋巴系统:心脏内皮由两个结构组成:冠状动脉内皮和心内膜内皮。受伤后15小时即可见血管新生芽浸润受损组织。vegfaa显性阴性异构体的过度表达抑制了这一过程,减少了心肌细胞的增殖,并阻止了心脏再生。损伤组织周围的心内膜细胞增殖高峰出现在3~5dpi之间,心肌细胞增殖高峰出现在7dpi前。Notch和Wnt信号在心内膜细胞中的参与已被描述。除了其在氧合作用和营养输送中的功能外,再生冠状动脉还可以作为心肌细胞重新构建受损区域的支架,而心外膜Cxcl12 / Cxcr4信号转导轴在此过程中起着重要作用。


心脏神经支配也影响再生过程。成年斑马鱼心脏的低神经支配导致心肌细胞增殖潜能降低,导致心脏再生丧失。尽管淋巴系统在再生环境中的作用长期以来一直是谜,但最近的研究表明其在从受损的心肌中引流和清除炎性细胞方面具有重要意义。总的来说,这些结果确立了心内膜、冠状动脉内皮、神经和淋巴系统作为信号源和物理支架支持和促进心脏再生的重要作用。在心脏再生过程中,心外膜和心外膜源性细胞参与血管周围细胞和成纤维细胞的生成,这些细胞和成纤维细胞对瘢痕的沉积和重塑起着重要作用。事实上,基因消融tcf21+心外膜细胞会降低心肌细胞的增殖能力。有趣的是,心外膜细胞分泌细胞外基质,使其在心脏表面迁移。心外膜分泌对心脏再生很重要的营养因子,包括神经调节蛋白1等有丝分裂信号。


成纤维细胞是心脏损伤后胶原蛋白和其他ECM蛋白的主要来源。 疤痕消融阶段发生部分心肌源成纤维细胞失活的情况。此外,在斑马鱼的损伤部位观察到细胞衰老,并且可能需要正确平衡衰老细胞来促进心脏再生。对新生小鼠的研究表明,心脏再生需要成纤维细胞衰老,这需要在斑马鱼模型中得到证实。


展望:我们对不同心脏结构如何促进心脏再生有了更好的认识。还了解到斑马鱼和新生小鼠之间的一些细胞和分子机制是保守的。此外,斑马鱼也被证明是研究心脏瓣膜再生的良好模型。进行跨物种分析以定义哪些结果具有转化价值将是未来阐明心脏再生复杂过程的重要步骤。


原文来自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959437X2030071X

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