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何愛(ài)彬牽頭北大北航跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)重構(gòu)小鼠心臟發(fā)育全時(shí)空細(xì)胞譜系

2020年3月2日，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所和北京航空航天大學(xué)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在Nature Cell Biology發(fā)表題為“Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution”的文章，首次報(bào)道哺乳動(dòng)物心臟早期發(fā)育過(guò)程的細(xì)胞譜系全景圖，揭示了從心管起源到心室建立，再到肌小梁形成的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)新機(jī)制。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-020-0475-2）

利用成像技術(shù)重構(gòu)具單細(xì)胞分辨率且時(shí)間上連續(xù)的全細(xì)胞譜系，是發(fā)育生物學(xué)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。心臟作為哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育中第一個(gè)形成的功能性器官，是其他組織器官發(fā)育的關(guān)鍵推動(dòng)力。連續(xù)追蹤心臟發(fā)育的全細(xì)胞譜系主要難點(diǎn)來(lái)自三個(gè)方面：其一，哺乳動(dòng)物胚胎體外培養(yǎng)條件下，如何保持心臟正常發(fā)育，同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程實(shí)時(shí)成像，避免光毒性對(duì)胚胎發(fā)育的影響；其二，胚胎的細(xì)胞異質(zhì)性高，成像深度和視場(chǎng)大，如何實(shí)現(xiàn)全胚成像（in toto imaging）、如何處理海量圖像數(shù)據(jù)（~2T/天）以精準(zhǔn)地識(shí)別細(xì)胞并追蹤譜系。其三，心臟成像還面臨一個(gè)更加特殊的挑戰(zhàn)—小鼠胚胎期心跳每分鐘達(dá)200次,需要有新技術(shù)新策略在跳動(dòng)的心臟上獲得單細(xì)胞分辨率的圖像。

本項(xiàng)研究全面突破了上述一系列挑戰(zhàn)。研究人員設(shè)計(jì)并優(yōu)化了新的胚胎培養(yǎng)體系，保證了胚胎體外正常發(fā)育；研發(fā)了一套適應(yīng)拍攝小鼠胚胎發(fā)育的垂直式雙側(cè)掃描光片顯微鏡（vSPIM），提供了單細(xì)胞分辨率、足夠大的視場(chǎng)和成像的靈活性（溫度、氣體、壓力控制及培養(yǎng)基循環(huán)）；與vSPIM一體化搭建的紅外心跳檢測(cè)模塊解決了胚胎心跳與高精度成像的矛盾。通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列適應(yīng)海量圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理程序和細(xì)胞識(shí)別算法，取得了前所未有的細(xì)胞識(shí)別精度（99.68%）。系統(tǒng)整合后（圖一），實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1.5天心臟全部心肌細(xì)胞的連續(xù)成像（從約300個(gè)到8000多個(gè)細(xì)胞，總細(xì)胞識(shí)別數(shù)約2百萬(wàn)個(gè)）和時(shí)間分辨率為3分鐘的全細(xì)胞譜系追蹤。

研究結(jié)果清晰地揭示了心室形態(tài)發(fā)生細(xì)胞動(dòng)力學(xué)與肌小梁的細(xì)胞起源與機(jī)制。在心室膨大過(guò)程中，最外層細(xì)胞具有遠(yuǎn)離心室中心，沿著外殼膨大方向遷移的特性。最外層細(xì)胞定向性遷移所造成的細(xì)胞空隙，可由其它層細(xì)胞的插入和最外層細(xì)胞的水平分裂來(lái)補(bǔ)充。首次發(fā)現(xiàn)肌小梁細(xì)胞有兩種起源，一類(lèi)是細(xì)胞命運(yùn)預(yù)先決定的肌小梁原始細(xì)胞：內(nèi)層細(xì)胞從開(kāi)始的心肌細(xì)胞分化就位于內(nèi)層，后續(xù)通過(guò)自我增殖不斷貢獻(xiàn)給肌小梁形成，另一類(lèi)則起源于外層細(xì)胞，但通過(guò)遷移或者有偏向性的細(xì)胞分裂定植于內(nèi)層（圖二）。

研究項(xiàng)目由何愛(ài)彬?qū)嶒?yàn)室牽頭，聯(lián)合程和平團(tuán)隊(duì)和北京航空航天大學(xué)肖文磊老師等完成。北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所博士生岳晏竹，宗偉健，李鑫，張幼東，吳潤(rùn)龍，軟件與微電子學(xué)院碩士生李京航為該論文的第一作者，何愛(ài)彬研究員，程和平教授和肖文磊副教授為論文的共同通訊作者。合作者還包括中科院生化與細(xì)胞所的周斌研究員和北航的趙罡教授。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委，國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。團(tuán)隊(duì)成員也承擔(dān)了由北京大學(xué)牽頭的十三五“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)任務(wù)。

圖一. 自主開(kāi)發(fā)的垂直式光片顯微鏡系統(tǒng)

圖二. 心室肌小梁譜系起源與形成機(jī)制

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視頻一. 小鼠胚胎原始心臟心管起源發(fā)生過(guò)程

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視頻二. 小鼠胚胎心臟心室發(fā)育過(guò)程