Circulation：董念国/乔韡华开发人诱导多能干细胞向心脏瓣膜细胞的定向分化的新方案

目前瓣膜病研究的一个主要障碍是缺乏高质量的同质功能性心脏瓣膜细胞。人类诱导多能干细胞(hiPSCs)衍生的心脏瓣膜细胞可能有助于解决这一难题。然而，目前还没有成熟的方案来诱导hiPSCs分化为功能性心脏瓣膜细胞，并且介导分化的网络尚未完全阐明。

2024年2月15日，华中科技大学董念国及乔韡华共同通讯在Circulation在线发表题为“Directed Differentiation of Human Induced Pluripotent Stem Cells to Heart Valve Cells”的研究论文，该研究开发了一种有效的方案来诱导hiPSCs分化为功能性hiPSCs衍生的瓣膜内皮样细胞和hiPSCs衍生的瓣膜间质样细胞。经过6 d的分化和CD144磁珠分选，获得约70%的CD144⁺细胞和30%的CD144 ^-细胞。基于单细胞RNA测序数据，发现CD144⁺细胞和CD144 ^-细胞在基因表达谱上与原代心脏瓣膜内皮细胞和原代心脏瓣膜间质细胞高度相似。此外，CD144⁺细胞具有心脏原代瓣膜内皮细胞的典型功能，包括成管、摄取低密度脂蛋白、内皮一氧化氮合酶的产生以及对剪切应力的响应。

同时，CD144 ^-细胞可分泌胶原蛋白和基质金属蛋白酶，并分化为成骨或成脂细胞系，如原代心瓣膜间质细胞。因此，该研究将CD144⁺细胞和CD144^-细胞分别鉴定为hiPSCs衍生的瓣膜内皮样细胞和hiPSCs衍生的瓣膜间质样细胞。通过单细胞RNA测序分析，证明了心脏瓣膜细胞分化的轨迹与胚胎瓣膜发育一致。并确定了介导分化的主要开关基因(NOTCH1、HEY1和MEF2C)、信号通路(TGF-β、Wnt和NOTCH)和转录因子(MSX1、SP5和MECOM)。最后，发现hiPSCs衍生的瓣膜间质样细胞可能来源于hiPSCs衍生的瓣膜内皮样细胞，这些细胞经历了心内膜间质转化。该研究首次报道了从hiPSCs中生成功能性hiPSCs衍生瓣膜内皮样细胞和hiPSCs衍生瓣膜间质样细胞的有效策略，并阐明了hiPSCs分化为心脏瓣膜细胞的分化轨迹和转录动力学。

瓣膜性心脏病(VHD)是影响人类健康的重要且难以治疗的心血管疾病，包括风湿性、钙化性、感染性和先天性VHD。最近的流行病学研究表明，VHD每年影响全世界约7400万人，死亡人数超过539000人。然而，由于VHD的发病机制尚不清楚，目前尚无有效的治疗药物。总之，正常心脏瓣膜主要由瓣膜内皮细胞(valve endothelial cells, VECs)和瓣膜间质细胞(valve interstitial cells, VICs)两种细胞组成，这两种细胞在VHD的发病机制中起着至关重要的作用。目前VHD的体外研究主要依赖于原代VECs和VICs。然而，原代VECs和VICs难以获得，并且它们具有低增殖能力和高异质性，这是VHD用于药物开发的研究进展。因此，有必要探索其他替代方法来产生同质的人类VECs和VICs的连续来源。

最近出现的诱导人类多能干细胞(hiPSCs)分化为各种疾病相关细胞类型的技术，其准确性越来越高，为产生大量同质的人类患者特异性细胞提供了前所未有的机会。HiPSCs目前可以有效地重编程为与疾病相关的细胞类型，包括hipsc衍生的心肌细胞和hiPSCs衍生的神经元。然而，目前还没有完善的方案来诱导hiPSCs分化为功能性VECs和VICs。先前的一些研究已经报道了从hiPSCs中产生心内膜/瓣膜内皮样细胞的可能性，这些细胞表达心内膜谱系的一些标记。Nachlas等人已经证明iPSCs衍生的间充质干细胞可以在水凝胶中成熟为VICs样细胞。虽然这些研究的结果是乐观的，但它们都没有报告一个单一的方案从hiPSCs中联合生成功能性VECs和VICs。因此，仍然需要研究和开发新的方案来产生具有类似原代瓣膜细胞功能的hiPSCs衍生瓣膜内皮样细胞(hiVECs)和hiPSCs衍生瓣膜间质样细胞(hiVICs)。

hiVECs和hiVICs的伪时间轨迹（图源自Circulation ）

干细胞分化为所需的细胞系需要交替的发育途径，并经常导致不需要的细胞类型。尽管先前的研究报道了瓣膜内皮样细胞分化过程中一些标记基因的表达，但心脏瓣膜细胞从hiPSCs分化的确切机制尚不清楚。因此，有必要全面表征整个分化过程中的转录动力学。单细胞RNA测序(scRNAseq)的最新进展为在单细胞分辨率下全面跟踪整个分化过程中的转录动力学提供了极好的机会。

该研究首次开发了一种稳定高效的从hiPSCs中生成功能性hiVECs和hiVICs的方案。hiVECs和hiVICs在基因表达谱和功能上与原代瓣膜细胞高度相似。此外，这两种细胞都表现出比原代心脏瓣膜细胞更强的增殖能力。该方案为获得高质量均质功能性VECs和VICs提供了前所未有的途径，可用于建立毒理学平台和VHD模型，并构建组织工程心脏瓣膜。此外，还进行了纵向scRNA-seq来揭示hiPSCs向心脏瓣膜细胞分化过程中的分化轨迹和转录动力学。这些发现有助于进一步了解胚胎心脏瓣膜的分化机制，并为研究胚胎心脏瓣膜的发育提供新的候选者。hiPSCs衍生的VHD模型和心脏瓣膜替代品的发展将有助于改善VHD的治疗方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.123.065143