Tạo và mô tả đặc tính của hiPSC và hiPSC-CM dành riêng cho bệnh nhân
Các dòng hiPSC được thiết lập từ hai bệnh nhân TOF-DG, hai bệnh nhân TOF-ND và hai đối chứng khỏe mạnh với các dấu hiệu đa năng và các dấu hiệu lớp mầm đã được xác minh (Hình bổ sung. 1 và 2). Toàn bộ trình tự bộ gen đã xác nhận tương ứng, sự hiện diện và vắng mặt của việc xóa 22q11.2 trong các dòng hiPSC từ bệnh nhân TOF-DG và TOF-ND (Hình bổ sung. 3). Không có đột biến vô nghĩa hoặc vô nghĩa của các gen liên quan đến CHD được báo cáo trước đây được tìm thấy từ bất kỳ dòng hiPSC nào. Phân biệt tim được thực hiện thông qua APLNR+ quy trình phân loại được phát triển bởi phòng thí nghiệm của chúng tôi32. Tất cả các dòng hiPSC đều cho thấy hiệu quả biệt hóa đạt yêu cầu với trên 70% tế bào TNT2+. Vào ngày thứ 12 sau quá trình biệt hóa, hiPSC-CM đã được chế tạo thành hCAS và được phép trưởng thành thêm 10 ngày nữa trước khi đánh giá chức năng và phiên mã.
Các hiPSC-CM dành riêng cho bệnh nhân TOF-DG biểu hiện thông số kỹ thuật tâm thất bị lỗi
Trước tiên, chúng tôi xác định cấu hình phiên mã của các hiPSC-CM khác biệt với bệnh nhân và các biện pháp kiểm soát bằng scRNA-seq bằng cách sử dụng nền tảng Genomics 10X. Việc phân cụm 21,965 ô bằng cách sử dụng Phép chiếu và Xấp xỉ Đa dạng Đồng nhất (UMAP) đã xác định được 7 cụm Seurat riêng biệt (Hình XNUMX). 1A). Cụm Seurat A0, A1, A2, A5 biểu hiện mức độ gen tim tương đối cao bao gồm NKX2-5, chuỗi nhẹ/nặng myosin và troponin (Hình XNUMX). 1B), đã xác định các cụm này là tế bào cơ tim. Cụm A5 cũng biểu hiện mức độ gen phân bào cao hơn, cho thấy tính chất tăng sinh của tế bào cơ tim. Các cụm A3 và A4 biểu hiện mức độ gen tim tương đối thấp hơn (NKX2-5, TNT2) nhưng được làm phong phú trong sự biểu hiện của các gen liên quan đến việc tái cấu trúc ma trận ngoại bào (ECM) (Hình XNUMX). 1B), cấu hình của nó tương thích với các nguyên bào sợi tim. Các cụm A6 và A7 được xác định bởi dòng dõi nội bì (AFP, APOA1, APOA2) và nội mô (FLT1, ESAM, PLVAP) các điểm đánh dấu tương ứng (Hình XNUMX). 1B). Do đó, trong số các tế bào được giải trình tự, phần lớn là tế bào cơ tim (86%), một số là nguyên bào sợi tim (10%) và rất ít là các dẫn xuất nội mô (<1%) và nội mô (<1%).
Để tập trung vào việc kiểm tra bản sao tim, chúng tôi đã phân lập các hiPSC-CM (cụm A0, A1, A2, A5) và thực hiện phân cụm bằng UMAP (Hình XNUMX). 1C). Các cụm Seurat mới (B0, B1, B2, B3) đã được xác định (Hình XNUMX). 1C). hiPSC-CM có nguồn gốc từ bệnh nhân và đối chứng được phân bổ không đồng đều giữa các cụm (Hình XNUMX). 1D). Cụm B0 bao gồm các hiPSC-CM hầu như chỉ có (98%) có nguồn gốc từ bệnh nhân TOF-DG, cụm B1 bao gồm các tế bào chủ yếu từ đối tượng kiểm soát và các tế bào còn lại từ bệnh nhân TOF-DG, trong khi cụm B2 và B3 bao gồm các hiPSC-CM có nguồn gốc từ bệnh nhân và đối chứng TOF-ND.
Cụm B0 được phát hiện có biểu hiện điều hòa tăng của các gen không phải tế bào cơ, với 4 trong số 10 gen được điều hòa cao nhất hiếm khi được tìm thấy (<1%) trong các cụm khác (Hình XNUMX). 1E). Những gen không phải tế bào cơ này không liên quan đến nội tiết hoặc nội mô. Sự vắng mặt của sự làm giàu các gen liên quan đến việc tái cấu trúc ma trận ngoại bào cũng giúp phân biệt các tế bào cụm B0 với nguyên bào sợi tim. Cụm B1 đã được làm phong phú trong IRX họ gen (IRX1, IRX2, IRX3), trong khi cụm B2 được đánh dấu bằng LBH biểu thức (Hình. 1E). Các chỉnh hình của IRX gen và LBH đã được báo cáo là biểu hiện ở tế bào cơ tim chuột biệt hóa sớm in vivo33,34. Cụm B2, khi so sánh với cụm B1, có sự biểu hiện tăng lên của các dấu hiệu tế bào cơ tim tâm thất (MYH7, NPPB). Cụm B3 cho thấy biểu hiện cao nhất của dấu hiệu tế bào cơ tim tâm thất (MYL2) (Hình. 1E). Sự tồn tại của các cụm B1, B2 và B3 gợi ý đặc điểm kỹ thuật lũy tiến của hiPSC-CM hướng tới cấu hình phiên mã tâm thất.
Để nghiên cứu sâu hơn về những thay đổi về phiên mã trong quá trình xác định tâm thất, chúng tôi đã thực hiện phân tích thời gian giả trên các cụm B1, B2 và B3. Dựa trên sự làm giàu trong IRX họ gen, cụm B1 được chọn thủ công làm nút gốc để phân tích giả thời gian (Hình XNUMX). 2A). Theo quỹ đạo, TOF-DG-hiPSC-CM được phân phối chủ yếu ở phần đầu, trong khi TOF-ND-hiPSC-CM chủ yếu được phân phối ở giữa đến cuối. Control-hiPSC-CM có thể được tìm thấy trong suốt quỹ đạo (Hình XNUMX). 2A).
Các gen có kiểu biểu hiện tương tự được nhóm thành các mô-đun (Hình XNUMX). 2B) và chịu sự phân tích làm giàu Gene Onology (GO). Các thuật ngữ GO quan trọng đã được tìm thấy trong cả Mô-đun 1 và 2 (Hình XNUMX). 2C). Mô-đun 1, cho thấy điểm biểu hiện cao dọc theo quỹ đạo, đã được bổ sung thêm các gen liên quan đến hình thái tâm thất (TNNI3, MYL2, MYH7) và sự co cơ (ACTC1, CSRP3, TCAP). Mô-đun 2, cho thấy điểm biểu hiện giảm dần dọc theo quỹ đạo, đã được bổ sung thêm các gen liên quan đến việc tái cấu trúc ma trận ngoại bào (COL2A1, COL5A2, COL14A1). Các IRX Họ gen và LBH cũng được chỉ định cho mô-đun 2, hiển thị điểm biểu thức giảm dần dọc theo quỹ đạo.
Tóm lại, phân tích thời gian giả trên hiPSC-CM có nguồn gốc từ nền tảng hCAS đã xác định đặc điểm tâm thất tiến triển với biểu hiện gen tim tăng lên. Control- và TOF-ND-hiPSC-CM có thể so sánh được ở các thông số kỹ thuật nâng cao như vậy. Tuy nhiên, hầu hết các TOF-DG-hiPSC-CM đều giữ lại cấu hình biểu thức nguyên thủy hơn.
Một tập hợp con của hiPSC-CM dành riêng cho bệnh nhân TOF-DG cho thấy sự điều hòa giảm biểu hiện gen tim nhưng điều hòa lại biểu hiện gen thần kinh
Để phân tích sâu hơn biểu hiện gen không phải tế bào cơ trong cụm B0, các gen biểu hiện khác nhau (DEG) đã được xác định bằng cách so sánh cụm B0 với từng cụm khác. Hơn 200 DEG, được điều chỉnh tăng hoặc giảm, đã được xác định từ cụm B0 (Dữ liệu bổ sung 1). Phân tích làm giàu GO đã xác định một cách nhất quán các thuật ngữ GO quan trọng liên quan đến sự co cơ tim giữa các gen bị điều hòa quá mức và những thuật ngữ liên quan đến sự phát triển thần kinh giữa các gen được điều hòa trong cụm B0 (Hình XNUMX). 2D). Do đó, cụm B0 khác với các cụm còn lại ở chỗ biểu hiện gen tim bị điều hòa giảm cũng như biểu hiện gen thần kinh được điều hòa tăng. Tuy nhiên, không có DEG nào ở trên, bao gồm các gen tim được điều hòa quá mức và các gen thần kinh được điều hòa lên, có thể được ánh xạ tới vùng đủ đơn bội trong cả hai dòng TOF-DG hiPSC.
Chúng tôi tiếp tục cố gắng xác định các yếu tố phiên mã (TF) tương ứng và mạng điều hòa gen từ mỗi cụm thông qua việc triển khai Python của Phân cụm và suy luận mạng điều hòa đơn bào (pySCENIC). Trong số 10 TF hàng đầu có hoạt động cao hơn ở cụm B0, 4 TF tham gia vào quá trình phát triển thần kinh (TCF3, SO11, SO4 và ZEB1) và 2 trong sự phát triển tim và thần kinh (MEF2C và MYEF2) (Hình. 2E). Mức độ biểu hiện của năm TF thần kinh (SO11, SO4, ZEB1, MEF2C và MYEF2) đã được điều chỉnh lại trong cụm B0 so với các cụm trong các cụm khác (Hình XNUMX). 2F). Việc phát hiện biểu hiện điều chỉnh tăng của các TF thần kinh này phù hợp với sự biểu hiện gia tăng của các gen thần kinh trong cụm B0. Tương tự như các DEG, các TF thần kinh ở trên không được ánh xạ tới vùng đủ đơn bội trong cả hai dòng tế bào TOF-DG.
Do đó, một phần đáng kể của hiPSC-CM từ TOF-DG (cụm B0) cho thấy sự điều hòa quá mức của các gen tim và sự điều hòa của các gen thần kinh ngoài tử cung. Việc không thể ánh xạ các DEG và TF trong cụm B0 tới vùng 22q11.2 cho thấy rằng chữ ký phiên mã này có lẽ là hậu quả gián tiếp của khả năng đơn bội. Không giống như các hiPSC-CM từ nhóm đối chứng và nhóm TOF-ND, cho thấy sự liên tục trong đặc điểm tâm thất, cụm B0 tạo thành một cụm khác biệt với các hiPSC-CM còn lại từ TOF-DG (cụm B1). Nguồn gốc của cụm B0 đã được khám phá sâu hơn như mô tả dưới đây.
Phân biệt tim hai nhánh của tiền thân tim TOF-DG
Để hiểu được sự xuất hiện của TOF-DG-cụm B0, chúng tôi đã kiểm tra hồ sơ phiên mã của các tế bào tiền thân tim trong ống nghiệm. Dựa trên nghiên cứu trước đây của chúng tôi32, biểu hiện gen trường tim thứ hai (SHF) đạt cực đại vào Ngày sau biệt hóa (D) 7 và 8. Do đó, chúng tôi đã thực hiện scRNA-seq trên các tế bào tiền thân hiPSC-cardiac (hiPSC-CP) trên D7 và D8 và các hiPSC-CM chưa trưởng thành trên D11 từ 2 đối chứng (Kiểm soát 1 và 2) và 2 bệnh nhân TOF-DG (TOF-DG1 và 2) và 1 bệnh nhân TOF-ND (TOF-ND1) (Hình XNUMX). 3A, B). Tổng cộng, 87834 tế bào được giữ lại sau khi loại trừ ít hơn 1% các dẫn xuất nội bì và tế bào nội mô. Phân tích làm giàu giả thời gian và GO đã xác định sự điều hòa lên trong biểu hiện và điều hòa gen tim trong quá trình phiên mã, dịch mã và hoạt động chu kỳ tế bào dọc theo quỹ đạo (Hình bổ sung. 4A–D). Tương tự như nghiên cứu trước đây của chúng tôi32, biểu hiện gen SHF, bao gồm ISL1, MEF2C, HAND2 và FGF10, được tìm thấy trong các điểm thời gian được sắp xếp theo thứ tự (Hình XNUMX). 3C). TBX1, một trong những gen nằm trong vùng vi mất đoạn 22q11.2, cũng là một dấu hiệu của SHF. Trong số các điểm thời gian được sắp xếp theo thứ tự, TBX1 biểu hiện đã được tìm thấy vào Ngày thứ 7, với tỷ lệ thay đổi của TBX1+ hiPSC-CP (10–30%) được tìm thấy từ các dòng khác nhau (Hình XNUMX). 3D). Tuy nhiên, TBX1 mức độ biểu hiện có thể so sánh được giữa D7-TBX1+ hiPSC-CP từ các dòng khác nhau (Hình XNUMX). 3D).
So sánh khớp với thời gian với các biện pháp kiểm soát chỉ xác định được 20, 10 và 22 DEG từ D7-, D8- và D11-TOF-DG-hiPSC-CP/CM mà không tìm thấy thuật ngữ GO đáng kể nào. Không có DEG nào trong số này được ánh xạ tới các vùng vi xóa 22q11.2 trong hai dòng TOF-DG-hiPSC. Các biểu hiện gen ngoài tử cung từ TOF-DG-cụm B0 sau đó đã được kiểm tra trong các hiPSC-CP và hiPSC-CM chưa trưởng thành. Không giống như TOF-DG-cluster B0 (các hiPSC-CM biệt hóa), các gen liên quan đến thần kinh không được tìm thấy trong TOF-DG-hiPSC-CP (D7 và D8) và các hiPSC-CM chưa trưởng thành D11. Mặt khác, một tập hợp con các ô được đánh dấu bằng RGS13 biểu hiện, 1 trong 10 gen được điều hòa hàng đầu trong cụm TOF-DG B0 (Hình XNUMX). 1E), được tìm thấy nhất quán trong các ô có nguồn gốc TOF-DG ở tất cả các điểm thời gian được giải trình tự (D7, D8 và D11) (Hình XNUMX). 3E), nhưng không có trong TOF-ND1 và các nhóm kiểm soát.
Sự biểu hiện gen ngoại lai đã được báo cáo gần đây ở các tổ tiên từ Tbx1 có điều kiện null (Tbx1-cKO) chuột35. Để so sánh dữ liệu hiPSC-CP và hiPSC-CM chưa trưởng thành của chúng tôi với Tbx1-cKO chuột, chúng tôi đã thực hiện so sánh giữa các loài với gói R SingleCellNet36. Mười bốn cụm đã được xác định từ Tbx1Bộ dữ liệu chuột -cKO (Hình bổ sung. 5A) với biểu hiện gen được báo cáo trong ấn phẩm35 (Hình bổ sung. 5B), bao gồm bốn tế bào tiền thân tim khác nhau (tổ tiên đa dòng, MLP; SHF trước, aSHF; SHF sau, pSHF và proepicardium; PEO) và tế bào cơ tim. D7-hiPSC-CP của chúng tôi hầu hết tương tự như aSHF trong khi các tế bào cơ tim chưa trưởng thành D11-hiPSC hầu hết tương tự như tế bào cơ tim (Hình bổ sung. 5C). bên trong Tbx1-cKO tập dữ liệu chuột, Pax8, gen ngoài tử cung chính được báo cáo bởi Nomaru et al.35, chỉ được tìm thấy trong MLP và các tế bào tiền thân phổi nhưng không có trong aSHF và tế bào cơ tim (Hình bổ sung. 5D). Chúng tôi đã không xác định PAX8 biểu thức trong tập dữ liệu D7-D11 của chúng tôi. Cũng, RGS13, gen ngoài tử cung được tìm thấy trong bộ dữ liệu D7-D11 của chúng tôi, không được xác định trong Tbx1-chuột KO. Nói cách khác, trong khi biểu hiện gen ngoài tử cung được tìm thấy ở cả hai Tbx1-cKO chuột và DG-hiPSC-CP/CM của chúng tôi, danh tính và quần thể biểu hiện gen ngoài tử cung là khác nhau.
Các thông số điện sinh lý bị thay đổi và tăng khả năng gây rối loạn nhịp tim trong TOF-DG-hiPSC-CM
Ngoài việc lập hồ sơ phiên mã, chúng tôi đã khám phá tính chất điện sinh lý và rối loạn nhịp tim của các hiPSC-CM khác biệt bằng cách sử dụng nền tảng hCAS của chúng tôi để đưa ra đánh giá toàn diện hơn về hiPSC-CM. Các thông số điện sinh lý, bao gồm điện thế hoạt động (AP), khả năng xử lý canxi và thời gian trơ hiệu quả (ERP), được đo dưới tác động của nhịp điện ở tần số 1 Hz.
So với cả hai điều khiển, TOF-DG2-hCAS cho thấy thời lượng AP rút ngắn đáng kể (50 và 90% đối với quá trình tái cực, APD50 và APD90) (Hình XNUMX). 4A). Tương tự, khi so sánh với cả hai điều khiển, TOF-DG2-hCAS cho thấy thời gian tăng AP và thời gian phân rã giảm đáng kể (50 và 90% so với mức đỉnh) (Hình XNUMX). 4A). Do đó, các đặc tính AP khác nhau đáng kể giữa TOF-DG2 và các điều khiển.
Việc xử lý canxi được đánh giá bằng thời gian tăng dần của canxi (CaT) và thời gian phân rã (50 và 90% so với mức đỉnh). Đã thấy thời gian tăng CaT rút ngắn đáng kể ở TOF-DG2-hCAS, trong khi đó thời gian phân rã giảm đáng kể (50% so với mức đỉnh) được tìm thấy ở cả TOF-DG2-hCAS và TOF-ND1-hCAS khi so sánh với cả hai điều khiển ( Quả sung. 4B).
Chúng tôi đã đánh giá thêm ERP của hiPSC-CM, việc rút ngắn thời gian này có thể dẫn đến sự phát triển của rối loạn nhịp tim. Sự rút ngắn đáng kể của EPR đã được tìm thấy trong TOF-DG2-hCAS, trong khi sự kéo dài của ERP được tìm thấy trong TOF-ND2-hCAS (Hình XNUMX). 4C). Điều quan trọng là TOF-DG2-hCAS cho thấy tỷ lệ rối loạn nhịp tái vào cao hơn đáng kể trong quá trình tạo nhịp điện được lập trình (PES) (Hình XNUMX). 4D). Việc theo dõi AP đại diện với bản đồ isochron của rối loạn nhịp tim tái nhập từ TOF-DG2-hCAS được hiển thị trong Hình XNUMX. 4E.
Trong khi TOF-DG2-hCAS cho thấy thời lượng AP được rút ngắn đáng kể, thời gian tăng CaT và thời gian phân rã và ERP, TOF-DG1-hCAS tương tự như các biện pháp kiểm soát về các thông số điện sinh lý được đánh giá này (Hình XNUMX). 4A–D). Do đó, chúng tôi đã khám phá thêm về sự khác biệt về phiên mã giữa TOF-DG1 và TOF-DG2 trong cụm B0. So với cụm B0-TOF-DG1, cụm B0-TOF-DG2 cho thấy sự điều hòa giảm các gen tim liên quan đến sự co cơ (Hình XNUMX). 4F). Trong khi các gen tim này được điều hòa quá mức ở cả cụm B0-TOF-DG1 và cụm B0-TOF-DG2 khi so sánh với các cụm khác (B1, B2 và B3) (Hình XNUMX). 4F), mức độ điều chỉnh giảm của chúng nổi bật hơn trong cụm B0-TOF-DG2 (Hình XNUMX). 4F). Hơn nữa, PKP2, đột biến của nó được báo cáo là có liên quan đến chứng loạn sản RV gây rối loạn nhịp tim37, được phát hiện là một trong những gen điều hòa tim trong cụm B0-TOF-DG2 (Hình XNUMX). 4F). Do đó, mức độ điều hòa giảm khác nhau của các gen tim có thể giải thích cho sự khác biệt về chức năng được quan sát giữa các dòng tế bào từ các bệnh nhân khác nhau trong nền tảng hCAS.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nature.com/articles/s42003-023-05344-6