单细胞前沿 | 第58期：右心衰竭单细胞与空间转录组图谱重磅发布：揭示压力过载向心衰演进的双相分子机制
原创
2026年10月24日 19:00 1314 阅读今天来到了我们「单细胞前沿」系列的第58期。在心血管疾病的研究与临床管理中，右心室衰竭（Right Ventricular Failure, RVF）一直是独立于左心衰竭且预示不良预后的关键因子。然而，长期以来心血管领域的研究大多以左心室为主，针对左心衰竭的神经激素阻滞等标准治疗方案（如 RAAS 系统阻断剂）在右心衰竭中疗效甚微。
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本系列往期回顾
🔥前言：
近期，发表于心血管领域顶刊 Nature Cardiovascular Research 上的一篇最新力作 “Human adult and pediatric multimodal transcriptomic atlas of progression from pressure-loaded to failing right ventricle”，通过整合大队列 Bulk RNA-seq、单细胞核转录组测序（snRNA-seq）以及 Xenium 空间转录组技术，首次绘制了人成体与儿童右心室在压力过载及衰竭演进过程中的多模态单细胞与空间图谱。研究团队提出了右心衰竭演进的“双相演进模型（Two-phase Model）”。
👇 下面，就让我们直奔精髓，重点拆解这篇文章中极具学术价值的单细胞分析模块，快来一起学习吧。
💓 要点解析
为了解码右心室从代偿性压力过载向失代偿性衰竭演进的微环境重构过程，研究团队在多平台（Bulk RNA-seq、snRNA-seq、Xenium 空间转录组）、跨年龄（成人 vs 儿童）及跨物种（人 vs 小鼠 PAB 模型）维度上展开了高分辨率的单细胞转录组与空间拆解。
取材样本：
成人右心室 Bulk RNA-seq 数据集：成人 transmural（全层）右心室组织样本，共 142 例。
成人右心室单细胞核数据集：成人 transmural 右心室组织样本，共 11 例（捕获 61,398 个细胞核，平均每个细胞核检测到 2,912 个基因）。
成人右心室空间转录组数据集：成人 transmural 右心室 FFPE 组织切片，共 9 例切片（625,305 个细胞，使用包含 477 个基因的专用 Panel）。
儿童单心室右心室数据集：左心发育不良综合征（HLHS）进行 Fontan/Glenn 单心室姑息术后获取的右心室及对照心室组织，共 14 例（209,604 个细胞核）。
小鼠 PAB 模型单细胞核数据集：小鼠右心室自由壁组织，共 10 例（55,420 个细胞核）。
取材时间：
成人样本：心脏移植受体（病理组）或器官捐献者心脏获取时（对照组）。
空间切片：与成人 snRNA-seq 匹配的同一批组织样本获取时间。
儿童样本：儿童心脏手术或移植/捐献获取时。
样本分组：
成人 Bulk RNA-seq（N=142）：未衰竭对照组（NF, n=29）、代偿性右心室压力过载组（pRV, n=78）、右心室衰竭组（RVF, n=35）。
成人 snRNA-seq（N=11）：NF（n=4）、pRV（n=4）、RVF（n=3）。
成人 Xenium（N=9）：NF（n=3）、pRV（n=3）、RVF（n=3）。
儿童 snRNA-seq（N=14）：儿童未衰竭对照组（ped-NF, n=4）、HLHS 姑息术后功能正常组（ped-HLHS, n=5）、HLHS 姑息术后右心衰竭组（ped-RVF, n=5）。
小鼠 PAB snRNA-seq（N=10）：假手术组（Sham, n=3）、轻度 RVF 组（Mild, n=3）、重度 RVF 组（Severe, n=4），涵盖术后 2 周及 2 个月时间点。
组学结果 📊：
1、Bulk 组织转录组景观与跨病因一致性（对应 Fig 1b-f）：
主成分分析与加权基因共表达网络（WGCNA）解析：Bulk PCA 能够清晰区分未衰竭（NF）与病理状态（pRV/RVF），但 pRV 与 RVF 整体分子谱非常相似。表达差异集中在早期 NF → pRV 阶段。WGCNA 构建了 29 个共表达模块：驻留巨噬细胞模块（M1：CD163、MRC1、VSIG4）在 NF 中最高，并在 NF → pRV 阶段急剧下降；线粒体氧化磷酸化模块（M25、M26）呈单调阶梯式下调；而适应性免疫模块（M8：T/B 细胞及 MHC-II 基因）在 NF → pRV 阶段显著升高。
与 PAH-RVF 的跨病因对比：与公开的肺动脉高压（PAH）右心衰 Bulk 数据集对比，发现线粒体呼吸电子传递链下降与 I 型干扰素（IFN）通路激活为跨病因共有的特征；而补体级联反应则表现出病因特异性（在二次性 RVF 中下调，但在 PAH-RVF 中上调）。
Fig 1. 主要展示了 Bulk 景观与双相线索。a：研究设计框架。b：Bulk PCA 显示 NF 与病理组（pRV/RVF）区分明显，但 pRV 与 RVF 分离度有限。c-d：WGCNA 模块建构及 GO 通路富集。e：关键模块动态（驻留巨噬细胞 M1 急剧下降，适应性免疫 M8 上升，线粒体 M25/26 阶梯式下调）。f：与 PAH-RVF 对比显示线粒体受抑与 IFN 激活跨病因保守，但补体反应呈病因特异性。
2、成人右心室单细胞/空间图谱与“双相演进模型”解析（对应 Fig 2a-c, Fig 3a-g, Fig 4b, Fig 5, Fig 6, Fig 7）
细胞亚群高分辨率定义:snRNA-seg亚聚类在12个主要细胞谱系中共解析出
34 个细胞亚群(包含 10 个心肌细胞 CM 亚群、7 个成纤维细胞 FB 亚群、5 个内皮细胞 EC 亚群、6 个髓系细胞 Myeloid 亚群等)。疾病演进中呈现CM 细胞核比例下降与EC细胞核比例扩增的组成迁移。结合 SpaGE 基因插值与 比Rg重分割，Xenium 进一步在空间维度解析出 58个Xenium 细胞亚群和 14 个微环境空间生态位(Niches)。
Fig 2. 主要展示了成人 snRNA-seq 细胞图谱。a：61,398 个细胞核聚类为 12 个主谱系（小图示 11 例供体无缝整合）。b：经典标志基因分布。c：比例箱线图展现心肌细胞（CM）收缩与内皮细胞（EC）扩增。d：Bulk WGCNA 模块在单细胞谱系及疾病状态中的表达映射。
Fig 3. 主要展示了 Xenium 空间图谱与生态位。a：625,305 个细胞聚类为 12 个空间谱系。b：标志基因分布。c：跨平台 Pseudobulk log₂FC 散点图证实 snRNA-seq 与 Xenium 极高一致性。d：代表性全层切片空间细胞分布。e：14 个空间生态位（Niches）切片定位。f：各生态位细胞构成占比。g：生态位丰度变化（应激心肌与血管丰富区生态位在失代偿期扩增）。
Phase 1（NF → pRV）保护性程序剥蚀：单核转录组集中了约 95% 的平台可检测差异表达基因（DEGs）。成纤维与周细胞中普遍出现糖皮质激素受体（GR）共伴侣基因 FKBP5 以及 GR 靶基因（ZBTB16、KLF9）的跨谱系下调；心肌细胞中成熟基因 MYH6 及 MLIP 表达降低，且由 ESRRA (ERRα) 和 PPARGC1A (PGC-1α) 介导的核基因编码线粒体代谢/氧化磷酸化（OXPHOS）基因集发生全谱系协调性下调；内皮细胞中丧失血管保护/抗氧化基因（GPX3、IL1RL1、ACE2、TIMP3/4）。
Fig 5. 主要展示了 CM 转录受抑与线粒体崩溃。a：CM 亚群特异性 WGCNA 模块分布。b-c：M2 促纤维化模块 GO 与 EnrichR 功能富集。d：CM 拟合大块火山图（突显 ACTA1、EDNRA 等应激基因）。e：线粒体模块火山图（核基因编码线粒体基因广泛下调）。f-g：调控因子（ERRα、PGC-1α）转录活性及表达下降。h-j：O2K 线粒体呼吸测定与跨队列对比（成人及小鼠 PAB 呼吸链功能受损，而儿童队列线粒体呼吸功能保留）。
Phase 2（pRV → RVF）局灶性失代偿响应与空间捕获：表达谱变化较 Phase 1 明显收窄。得益于庞大的细胞捕获量，Xenium 弥补了单核测序在 Phase 2 差异基因检测率上的不足：心肌细胞中激活内源性应激及 BMP/TGFβ 超家族受体/抑制剂（BMPR2、BMPR1A、FSTL3、BAMBI），且 Xenium 精准将 NPPA / NPPB 诱导定位在心内膜下边界（Endocardial border）；内皮细胞呈现 EndoMT 与促血管生成不稳定程序（ANGPT2、SNAI1、ADAMTS1）。
Fig 7. 主要展示了内皮抑抗氧化与失代偿激活。a：3,085 个 EC 细胞核细分为 5 个亚群。b：标志基因分布。c：毛细血管与动脉 EC 比例扩增。d-g：内皮 hdWGCNA 7 个模块的分布、GO 通路及 UMAP 密度。h-i：Xenium 内皮 Pseudobulk 火山图及跨平台散点图（突显 ANGPT2、SNAI1 等 Phase 2 促血管生成不稳定基因）。j-k：心内膜 NRG1 与动脉 MECOM 在演进中的表达动态。
髓系免疫转录特征与空间原位验证：单核数据精准鉴定出一群高表达即刻早期基因（NR4A1-3、FOS、JUN）的激活驻留样巨噬细胞（iMac）。整个髓系细胞表现出显著的 GR 靶基因集降级与 CIITA 驱动的 MHC-II 抗原提呈程序诱导，但明确排除 NLRP3 炎性体与 I 型干扰素通路的激活。Xenium 原位切片证实 iMac 巨噬细胞在空间上与单核细胞具有明确边缘共定位，直接证明其并非消化离体产生的伪影。
Fig 6. 主要展示了髓系亚群与免疫演进。a：4,245 个髓系细胞核细分为 6 个亚群（含即刻早期基因阳性的 iMac）。b：亚群标志基因。c：亚群比例分布。d-f：髓系 WGCNA 模块及其 ChEA 调控因子富集。g-h：髓系四条特定程序（GR 轴受抑、MHC-II 抗原提呈激活，而炎性体与 I 型 IFN 无明显变化）。i：Xenium 空间切片映射（证实 iMac 在空间上与单核细胞边缘共定位，非离体伪影）。
空间约束下的细胞间通讯（CellChat）：空间通讯分析显示，在稳定维持的细胞粘附基线（PTPRM、NCAM、CDH）之上，RVF 阶段特异性地获得了外基质（ECM）信号传导（COLLAGEN、LAMININ、THBS 通路大幅上升）。
Fig 4. 主要展示了双相演进模型与通讯网络。a：“Phase 1（保护性程序剥蚀）与 Phase 2（局灶失代偿响应）”模型示意图。b：跨三平台关键 DEG 表达热图。c：CM 线粒体与髓系免疫模块在演进中的活性变化。d：柱状图定量对比跨平台 DEG 数量（Phase 1 占绝大多数）。e-f：CellChat 配受体通讯概率排序及和弦图（RVF 阶段特异性获得了胶原/层粘连蛋白等 ECM 信号）。
3、儿童 HLHS 单心室右心室的跨年龄对比（对应 Fig 5h, Fig 8a-f, Extended Data Fig 7）：
儿童 ped-RVF 同样重现了内皮细胞扩增、心肌细胞比例收缩以及髓系细胞 MHC-II 抗原提呈通路的诱导。
线粒体代谢代偿（Metabolic Sparing）的发现：与成人显著不同，儿童 ped-RVF 心肌细胞在单转水平未出现核基因编码线粒体 OXPHOS 基因集的显著抑制；结合高分辨率线粒体呼吸测定（Oroboros O2K），证实儿童病理右心室保持了完整的线粒体电子传递链功能。
内皮扩增亚型偏好：儿童 EC 扩增主要由静脉内皮（Venous EC）驱动且 MECOM 表达下调，与成人由毛细血管/动脉内皮驱动且 MECOM 上调的表型形成对比。
Fig 8. 主要展示了跨物种、年龄与心室对比。a：儿童 HLHS 与成人 RV 细胞图谱联合嵌入。b-c：儿童细胞比例及 WGCNA 模块映射。d：成人与儿童表达变化（log₂FC）高度相关。e-f：儿童 CM MitoCarta3.0 火山图（证实儿童右心衰未出现线粒体基因全面受抑）。g-j：重分析左心衰（LV/DCM）单细胞数据（证实 CM 促纤维化及线粒体受抑为左右心衰共有核心特征）。
4、小鼠 PAB 模型的跨物种验证与差异（对应 Extended Data Fig 5, 6）：
小鼠 PAB 单核转录组成功重现了人类右心衰的心肌细胞胎儿基因再激活（Nppa / Nppb）、内皮细胞扩增、心肌线粒体转录抑制（GSEA NES=-1.8）以及线粒体呼吸链电子传递功能衰退。
免疫与激素轴的物种背离：小鼠 PAB 巨噬细胞未能重现人类右心衰中的 MHC-II 抗原提呈诱导（流式与 Cx3cr1 谱系追踪显示其表面 MHC-II 表达反而随病变加重而下调），且糖皮质激素受体（GR）轴未发生抑制。
Extended Data Fig 5（小鼠 PAB 模型：免疫与血管细分）：a-c 55,420 个细胞核聚类为 11 个主谱系，重现内皮（EC）扩增与心肌（CM）比例收缩；d-e EC 细分显示扩增主要由动脉内皮主导；f-g 人类髓系模块映射显示小鼠中 GR 轴无受抑、MHC-II 无诱导；h 流式定量证实驻留巨噬细胞表面 MHC-II 荧光强度随病变显著下调；i Cx3cr1 谱系追踪排序证实驻留巨噬细胞中 MHC-II 转录本下调，确证跨物种背离。
Extended Data Fig 6（小鼠 PAB 心肌与跨物种对比）：a-c 小鼠 CM 参考映射至人类 10 个亚群，展现部分亚群保守性；d 跨物种整体表达变化相关性较低 ($r^2=0.008$)；e 人类 WGCNA 模块在小鼠 CM 中的得分；f-g 火山图显示双物种中核基因编码线粒体转录本均呈一致下调；h 表达变化散点图显示轻度 PAB 是独立暂态而非演进的线性中间态；i 天狼星红染色证实 PAB 导致显著进行性纤维化；j 核心程序对比显示 FAO 下降与胎儿程序上升呈跨物种保守，但 GR 轴方向相反。
🎯 单细胞分析对整篇文章的作用
从我们「单细胞前沿」系列的分类来看，本研究中单细胞及单细胞核组学（snRNA-seq / Spatial）的核心应用体现了第一类“构建宏观图谱与全局网络解析”。：
确立右心衰“双相演进模型”的细胞与分子基石： 单细胞转录组跨越了传统 Bulk 测序将组织混杂分析的局限，结合 Bulk RNA-seq 的宏观模块变化，精准界定出右心衰竭中 Phase 1（代偿期保护性程序全面剥蚀）与 Phase 2（失代偿期局灶微环境病理重构）的演进轨迹，将病理机制精确归因至心肌线粒体崩塌、内皮失稳及基质成纤维细胞激活等特定细胞亚群。
打破左心衰机制外推右心衰的传统假设： 通过单细胞分辨率下的跨心室（RV vs LV）、跨年龄（Adult vs Pediatric）和跨物种（Human vs Mouse）对比，单细胞分析证明了右心衰具有独特的细胞微环境响应（如内皮扩增主导而非成纤维扩增、髓系细胞特异性 GR 轴抑制与非炎性体依赖的抗原提呈激活），并澄清了小鼠 PAB 模型在免疫转化研究上的局限性。
🎁 数据集&代码指北
测序数据：
成人右心室 Bulk RNA-seq：已存入 GEO 数据库，检索号 GSE345645。
成人右心室 snRNA-seq：已存入 GEO 数据库，检索号 GSE345646。
成人右心室 Xenium 空间转录组：已存入 GEO 数据库，检索号 GSE345643。
小鼠 PAB 右心室 snRNA-seq：已存入 GEO 数据库，检索号 GSE345854。
小鼠 PAB 巨噬细胞 Bulk RNA-seq：已存入 GEO 数据库，检索号 GSE345518。
儿童 snRNA-seq 参照数据集：可通过 Lavine 等人的研究获取 (Research Square, 2025; doi:10.21203/rs.3.rs-6689087/v1)。
归档处理数据对象：底层已处理的 Seurat / R 数据对象已归档至 Zenodo，DOI 为 10.5281/zenodo.20115563。
分析代码：
本研究所有生信分析流程、算法调用（Proseg, RCTD, SpaGE, CellChat v3, hdWGCNA 等）及图表绘制代码均已开源在 GitHub：https://github.com/ikuznet1/RV_Atlas。
📝小编评述
本篇发表于 Nature Cardiovascular Research 的文章无疑是近年来右心衰竭领域的“里程碑式”工作。长期以来，由于缺乏高质量的人类右心室匹配组织以及多组学技术的深度整合，右心衰竭的分子机制一直处于左心衰研究的“阴影”之下。
文章有三大亮点极其值得临床与科研人员借鉴：
“双相演进模型”颠覆传统认知： 研究深刻揭示了大部分转录组的剧烈重构（Phase 1，包括线粒体崩溃、保护性基因剥蚀）实际上发生在从正常心室向“代偿性压力过载（pRV）”过渡的阶段，而非发生在显性心衰（RVF）爆发的时刻。这意味着，预防右心衰竭的黄金干预窗口期可能远早于临床心功能失代偿的出现。
空间转录组（Xenium）破局单细胞分辨率瓶颈： 在 pRV 转向 RVF 的 Phase 2 阶段，Bulk RNA-seq 几乎“失真/哑火”（差异基因极少），而 Xenium 凭借极高的细胞捕获量和空间定位能力，成功捕获了内皮不稳定与心肌细胞局灶性应激反应。这充分展示了空间组学在解析疾病失代偿微小局灶病变中的不可替代性。
严谨的动物模型“转化度”评估： 作者没有盲目推崇 PAB 小鼠模型，而是通过单细胞数据客观指出：PAB 能很好地模拟右心室的线粒体代谢衰退和纤维化，但在巨噬细胞 MHC-II 抗原提呈和糖皮质激素反应上与人类右心衰存在种属背离。这种科学严谨的态度为未来的右心衰前沿药物靶点转化指明了正确方向。
🌟 Take Home Message
右心衰双相演进的单转分子轨迹：右心衰竭演进呈现典型的双相模式——Phase 1（NF → pRV）以跨谱系保护性程序丧失（FKBP5、GPX3、IL1RL1下调）、心肌线粒体 OXPHOS 全面抑制及驻留巨噬细胞身份丧失为主；Phase 2（pRV → RVF）则表现为细胞类型特异性的病理程序激活（心肌细胞 BMP/TGFβ 信号重构、内皮细胞 EndoMT 及成纤维细胞基质化）。
心肌细胞线粒体转录崩塌的成人特异性：成人右心衰心肌细胞单细胞转录组显示出由 ESRRA (ERRα) 和 PPARGC1A (PGC-1α) 介导的核基因编码线粒体转录流全面受抑及呼吸链复合物功能失调；而儿童单心室右心衰在单转水平无明显线粒体转录抑制，呼吸链功能得以保留，提示儿童心脏存在独特的代谢代偿机制。
微环境细胞重构与免疫特异性：单细胞转录组揭示右心衰存在内皮细胞（而非左心衰常见的成纤维细胞主导）显著扩增；髓系单转分析明确了右心衰巨噬细胞以MHC-II 抗原提呈程序激活和糖皮质激素受体（GR）轴抑制为特征，且不依赖经典的 NLRP3 炎性体或 I 型干扰素通路。
写在最后
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图文：临观
审核：杨乔西博士、舒松仁博士
编辑：平观、缘观
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