1. 分子細胞科學卓越創新中心周斌組合作揭示心包腔巨噬細胞在心臟炎癥及修復中的細胞命運及功能

        文章來源:分子細胞科學卓越創新中心  |  發布時間:2022-05-02  |  【打印】 【關閉

          

          4月20日,國際學術期刊Circulation Research在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心周斌研究組、上海胸科醫院何奔研究組和南方醫科大學附屬奉賢醫院喬增勇研究組合作的研究成果“Genetic Lineage Tracing of Pericardial Cavity Macrophages in the Injured Heart ”。該研究利用前期建立的雙同源重組酶介導的遺傳譜系示蹤新技術,在小鼠體內高效率、特異性地標記心包腔巨噬細胞,發現在心臟受損后,心包腔巨噬細胞會立刻聚集在損傷表面,參與心外膜損傷后反應和炎癥過程,但不會滲透進入心肌層參與心肌層修復。該研究利用新的遺傳工具重新評估了心包腔巨噬細胞的功能,為深入清晰認識心包腔巨噬細胞的功能提供了強有力的遺傳學工具。

          心血管疾病一直是全球重要的死亡原因。在當今社會,其高發病率和高致死率成為威脅人類健康和生命的主要原因。大多數器官在細胞水平上都有一定程度的自我修復能力,但是由于成體心肌細胞自我增殖較低,同時不存在內源性心肌干細胞,導致心臟的自我修復能力非常有限。心肌缺血造成的心肌細胞大量死亡最終會導致心臟嚴重受損,心力衰竭直至死亡。盡管目前在認識和治療急性心肌梗死方面取得了重大進展,但其死亡率仍居高不下。因此找到新的治療靶點,創建新的療法顯得尤為迫切和重要。近年來大量研究表明巨噬細胞成為心肌損傷修復再生的關鍵,包括單核細胞分化形成的巨噬細胞和心臟駐留型巨噬細胞。

          近期,Paul Kubes研究組發現位于心包腔中的Gata6+巨噬細胞在小鼠結構性心臟重塑和心肌梗死(MI, Myocardial infarction)修復中發揮重要作用。在他們的研究中,通過改良小鼠冠狀動脈結扎模型,在維持心包膜腔完整的情況下,發現Gata6+心包腔巨噬細胞經心外膜進入心肌中,丟失GATA6表達,但持續發揮抗纖維化功能。利用Lyz2-Cre條件性敲除Gata6會造成這群巨噬細胞缺失,導致MI后心臟纖維化加重,心功能下降。他們的研究證明心包腔中Gata6+巨噬細胞促進心臟損傷修復,可以作為心臟免疫治療的一個潛在靶點。但是在這些研究中,研究人員主要是利用Gata6H2B-Venus, Lyz2-Cre等工具小鼠結合骨髓移植實驗標記示蹤心包腔巨噬細胞,無法做到原位特異性的標記心包腔中的Gata6+巨噬細胞。由于單基因示蹤系統的局限性和不特異性,之前的研究結果缺乏令人信服的遺傳學證據。這就造成心包腔巨噬細胞是否具有促進心臟損傷修復的能力存在巨大的科學爭議,需要建立新的特異性遺傳示蹤工具進行闡明。

          周斌組研究人員首先通過流式分析和細胞爬片免疫熒光實驗證明前期建立的雙同源重組酶介導的遺傳譜系新技術(CD45-Dre;Gata6-iCreER;R26-tdTomato工具小鼠)可以高效特異地標記心包腔巨噬細胞?;诖?,在對CD45-Dre;Gata6-iCreER;R26-tdTomato小鼠給予他莫昔芬誘導標記Gata6+巨噬細胞,靜置一周后進行心包膜完整的心肌梗死損傷模型,7天后收樣檢測。免疫熒光染色和流式實驗結果表明tdTomato陽性的細胞聚集在損傷區域的表面,并伴有增厚的心外膜間皮層,響應該處的炎癥反應。 但是在心臟心肌層中幾乎沒有發現tdTomato陽性的細胞。體內遺傳學證據表明在心包膜完整的心梗模型中tdTomato陽性的心包腔巨噬細胞雖然能響應炎癥反應聚集在損傷心臟心外膜層,但很少能進入心臟內部。

          為了進一步闡明心包腔巨噬細胞的功能,研究人員構建了白喉毒素介導的心包腔巨噬細胞清除小鼠CD45-Dre;Gata6-iCreER;R26-tdTomato/iDTR和Gata6條件性敲除小鼠CD45-Dre;Gata6-iCreER/flox;R26-tdTomato。在對CD45-Dre;Gata6-iCreER;R26-tdTomato/iDTR小鼠他莫昔芬誘導后注射白喉毒素,可以特異性清除GATA6+心包腔巨噬細胞。GATA6對心包腔巨噬細胞存活、增殖及功能至關重要。對CD45-Dre;Gata6-iCreER/flox;R26-tdTomato小鼠他莫昔芬處理敲除Gata6可以導致心包腔巨噬細胞大量減少。實驗結果表明無論是清除絕大部分GATA6+巨噬細胞還是條件性敲除Gata6,小鼠心梗后28天心功能(EF、FS和PV-loop)和對照組相比無明顯差異。同樣的,纖維化面積等也沒有顯著性差異。這說明心包腔巨噬細胞對心臟損傷后的心肌組織修復再生沒有顯著性影響。

          此外為了排除實驗模型產生的差異,研究人員還構建了骨髓移植模型進一步闡明心包腔巨噬細胞在心臟損傷中的功能。通過將CD45-Dre;Gata6-iCreER;;R26-tdTomato小鼠的骨髓細胞移植到輻照后的受體C57BL/6J小鼠中構建CD45-Dre;Gata6-iCreER;R26-tdTomato:C57BL/6J嵌合體小鼠。流式和免疫熒光染色實驗表明在移植8周后給予他莫昔芬誘導,受體小鼠心包腔巨噬細胞重組效率高達50%,同時不會標記心臟駐留型巨噬細胞。隨后給予嵌合體小鼠同樣的心包膜完整的心梗損傷,7天后免疫熒光染色和流式結果再一次證明,被標記的心包腔巨噬細胞不會遷移進心肌細胞,而只是大量的聚集在增厚的心外膜間皮層響應炎癥反應。

          綜上,研究人員利用建立的雙同源重組酶介導的譜系示蹤新技術可以特異性標記心臟巨噬細胞亞群-心包腔巨噬細胞。該系統突破了傳統的思維模式和技術局限性,不依賴于體外移植實驗,可以在小鼠體內直接遺傳標記心包腔巨噬細胞來研究其細胞遷移與功能。該研究與此前發現的GATA6+巨噬細胞作用不同,精準揭示了在心包膜完整的心臟損傷模型中,心包腔巨噬細胞聚集在損傷出參與心外膜的炎癥反應,但不遷移進入心肌層參與心臟修復與再生。不同于以往的技術手段和方法,新構建的遺傳譜系示蹤技術可以深入精準的標記心包腔巨噬細胞,在小鼠體內得到更為精確的實驗結果。該研究為心包腔巨噬細胞研究領域提供了重要的遺傳工具,對探索心包腔巨噬細胞在心臟炎癥和修復中的作用提供了更可靠的技術手段,為心臟病患者提供新的治療靶點。

          中國科學院分子細胞科學卓越創新中心周斌研究組博士后金恒薇和中國科學院杭州高等研究院博士后劉擴為該論文共同第一作者,分子細胞卓越中心周斌研究員、上海胸科醫院何奔教授和南方醫科大學附屬奉賢醫院喬增勇教授為該論文共同通訊作者。該研究得到了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心動物平臺和細胞平臺、國家蛋白質中心(上海)的大力支持,并得到來自中科院、基金委、科技部、上海市科委等部門的經費支持。

          文章鏈接:https://www.ahajournals.org/doi/abs/10.1161/CIRCRESAHA.122.320567

          游離于心包腔中的巨噬細胞在心臟受到損傷的情況下會響應炎癥反應大量聚集在增厚的心外膜間皮層,但不能滲透進入心肌層參與損傷修復。

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