强国复兴有我
2023年度上海市科学技术奖
优秀创新成果展示
10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。
2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。
本期“档案”大揭秘
项目名称：心力衰竭的分子细胞学机制研究
完成单位：上海大学
完 成 人：肖俊杰 等
奖励等级：自然科学一等奖
心血管疾病是我国居民死亡的首要原因，其患病人数达3.3亿。心力衰竭是多种心血管疾病的终末阶段，5年生存率小于50%，除了心脏移植之外，尚无治愈的方法。因此，加强心力衰竭的防治被列为健康中国行动的重要任务之一。
随着老龄化加速，我国（尤其是上海）心血管疾病发生率呈持续上升趋势，心力衰竭的发病率持续处于较高水平。病因多，个体差异大，并发症多，被认为是心力衰竭防治困难的重要原因。
如何建立心力衰竭防治体系，应对心血管疾病威胁呢？上海大学生命科学学院教授肖俊杰、中国医学科学院阜外医院教授王利和中国科学院大学教授陆忠兵带领研究团队展开有组织的科研，围绕“追踪心力衰竭进程中细胞通讯与变化规律、发掘可修复心力衰竭的内源性调控分子、揭示心力衰竭心外表现机制”展开研究。
研究团队基于临床样本与模式动物，积极开发并灵活运用前沿的分子细胞生物学技术，建立了心肌细胞与非心肌细胞之间的通讯追踪体系及首个适用于成年心肌细胞的高质量、高通量单细胞测序建库体系，系统研究了心脏内源性修复以及心脏外表现的调控分子及机制，揭示心力衰竭时细胞通讯与细胞类型变化规律，提出运动保护心脏的“一石三鸟”理论。研究拓宽了心脏病学基础理论，为系统化防治心力衰竭提供重要理论基础。
01 揭示心力衰竭时细胞通讯
与细胞类型变化规律
成年人体心脏内的细胞主要包括心肌细胞、心脏成纤维细胞、内皮细胞、原位巨噬细胞等。心肌细胞与周围细胞的交互对话、心肌细胞外基质稳态构成了心脏内细胞微环境的重要部分。在心力衰竭病程的早、中、晚不同阶段，心脏内细胞通讯与细胞类型会产生重要变化，这是心脏内细胞微环境从稳态走向紊乱、心脏从健康走向衰退的重要原因。
肖俊杰实验室照片
“了解心力衰竭病程中细胞微环境的变化与心肌损伤的关系对预防心力衰竭具有重要的意义。但是，客观重现健康心脏逐渐发展为心力衰竭过程中的细胞演替规律仍是领域瓶颈，这也是我们展开合作研究的主要原因和工作重点”，上海大学心血管研究所负责人肖俊杰说。
病理性肥厚致心力衰竭过程中的心脏细胞亚型变化
“传统观点认为，防止心肌细胞丢失是预防心力衰竭的主要途径。没有针对不同时期细胞通讯与细胞类型的变化规律开展研究，这也与心脏内细胞通讯追踪难有关。
基于此，我们建立了心肌细胞与非心肌细胞之间的通讯追踪体系，率先绘制了病理性肥厚致心力衰竭过程中的心脏细胞亚型的变化图谱。利用工具鼠点亮体内心肌细胞与非心肌细胞之间的动态联系网络，由心肌细胞分泌的Cre蛋白到达非心肌细胞，启动标记基因的表达，使得非心肌细胞呈现绿色。
利用这项技术，我们发现，在早期miR-30d介导心肌细胞与成纤维细胞之间的通讯机制。并证明治疗性增加miR-30d可逆转心力衰竭；同时，我们对病理性心肌肥厚和心室重构过程中特定细胞类型和分子机制进行全面评估，发现巨噬细胞作为中期的主要调控因素，能够促进炎症和心功能障碍，说明巨噬细胞的激活和亚型转换是病理性肥厚造成心功能失常的重要节点，在这个阶段使用抗炎药物半乳凝素3抑制剂和达格列净治疗可显著改善心功能。”团队负责人肖俊杰说。
“揭示急性期心肌细胞和成纤维细胞间的通讯信号、首次复现单细胞分辨率下病理性心肌肥厚致心力衰竭发生发展过程中的细胞轨迹及时间演变规律，揭示心力衰竭发生发展的全新机制，这些发现为实施心力衰竭的精准治疗奠定了坚实的基础。”
02 发现心脏内源性修复的
调控分子及机制
心肌细胞的慢性丢失是心力衰竭发生的重要病理基础，成年人心肌细胞增殖能力极弱，不足1%。如何激发内源心肌细胞的增殖潜力，实现损伤后心肌修复，是心力衰竭防治领域亟待解决的关键问题。
“运动能够激发心肌细胞内源性修复的潜能。这让我们看到了实现心脏内源性修复的希望。我2012年从美国回来以后便聚焦这一研究方向，从运动锻炼诱导健康的心肌肥厚、出生后心肌细胞成熟两方面发掘心脏内源性修复的调控分子，阐明心肌内源性再生的调控机制。”团队负责人肖俊杰说。“从运动当中找到的靶点具有多效性，可以促进心肌细胞增殖、健康肥大，并帮助心肌细胞抵抗凋亡，这些对于心力衰竭都是具有保护作用的。我们提出了运动保护心脏的“一石三鸟”理论，发现新的RNA靶点能够促进内源性心脏修复”
近年来，随着单细胞测序等技术的出现，人们对细胞的认知逐步加深。然而，早期商业化的单细胞平台细胞捕获能力有限，只能捕捉到30um及以下的细胞，而对于胞体体积较大的心肌细胞而言，只能测到胞核的信息，造成大约90%的生物信息丢失。
“我们对仪器进行改良，并优化心肌细胞分离过程，分离得到高生存能力的成年心肌细胞，建立国际首个适用于成年心肌细胞的高质量、高通量单细胞测序建库体系。”团队重要成员王利教授说。“利用以上技术，我们发现成纤维细胞亚型状态的转变是促进心肌细胞成熟的重要驱动力，提出内源性修复的新策略，即使用CXCL12抑制剂或细胞外基质合成抑制剂。”
建立国际首个成年心肌细胞的高质量、高通量单细胞测序体系
“上述成果基于生理性心肌肥厚发现了新的心肌内源性修复分子，提出心力衰竭的干预策略，为相关药物的开发提供了充分的理论基础。”
03 发现心力衰竭心脏外表现
的调控分子与机制
心力衰竭是一种综合症，除了心脏本身的功能失调外，还存在一系列“心外表现”，如肌肉萎缩、呼吸系统损伤等。深入理解心力衰竭“心外表现”的分子机制，有助于发掘“心内外同治”的防治策略。
“在研究过程中，我们面临一个巨大的困难，如何将心力衰竭与心脏外表现联系起来进行共性治疗”。为了解决这个难点问题，我们建立了不同的心力衰竭心外表现模型，成功找到共性靶点。“团队负责人肖俊杰说。
“肌肉萎缩是心力衰竭的一个心外表现，严重影响预后”，团队成员李进提到。“我们建立了多种病理因素条件下肌肉萎缩模型，发现肌肉萎缩的共性靶点miR-29b是引起心力衰竭 ’心外表现’ 的关键机制。我们基于此靶点建立了基因治疗的工具库，包括CRISPR、细胞外囊泡、人工环状RNA及小分子抑制剂。”
“此外，项目中也重点关注了心外表现的另外一种，即呼吸系统损伤。我们发掘出不同病理因素引发呼吸系统损伤的关键分子靶点AMPK及其新的调控靶点，在此基础上进行老药新用探索，发现二甲双胍能同时保护心力衰竭及呼吸系统损伤。”团队负责人肖俊杰提到。
“这个领域依然有诸多关键问题需要回答。如何将理论突破真正用到临床实践当中，还有很长的路要走。“团队负责人肖俊杰说。未来，团队将继续开展有组织的科研，建立起心力衰竭防治的科技支持体系，助力健康中国行动。
供稿来源：上海市科学技术奖励中心
供稿：肖俊杰
编辑：蓝悦
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