异常昼夜节律通过降低心室机械强度加剧扩张型心肌病

心血管系统 医学
扩张型心肌病 昼夜节律 睡眠呼吸暂停 转录组 细胞骨架 纤维化

扩张型心肌病（Dilated Cardiomyopathy, DCM）是一种以心室扩张和收缩功能障碍为特征的心脏疾病，是全球范围内心脏移植的主要适应症之一。DCM的病因复杂，包括遗传因素、感染、药物、毒素和内分泌紊乱等。由于其病因的异质性，早期和精确干预变得非常困难。昼夜节律（Circadian Rhythm）是生物体内部的一种生理节律，调控着心脏的收缩、代谢、电生理和神经体液控制。异常的昼夜节律（Abnormal Circadian Rhythm, ACR）已被证明是心力衰竭（Heart Failure, HF）和心律失常的危险因素。然而，ACR在DCM发展中的具体作用尚未在临床样本中得到深入探讨。

睡眠呼吸暂停（Sleep Apnea, SA）是最常见的与ACR相关的疾病，SA患者通常伴有夜间低氧和睡眠质量下降，这可能导致昼夜节律的紊乱。尽管SA已被证明与心律失常和高血压有关，但其对DCM的具体影响尚未得到充分研究。因此，本研究旨在通过临床样本和单细胞测序技术，探讨SA相关的ACR对DCM的影响及其潜在的细胞生物学机制。

论文来源

本论文由Hao Jia、Hao Cui等来自中国医学科学院阜外医院心脏外科的研究团队撰写，并于2024年9月13日在《Cardiovascular Research》期刊上在线发表。该研究得到了中国国家自然科学基金的资助。

研究流程与结果

1. 研究设计与样本收集

本研究包括一个推导队列（n=105）和一个验证队列（n=65）。所有患者均为接受心脏移植的DCM患者。根据SA的诊断标准，患者被分为SA组和非SA组。此外，研究还纳入了6例健康心脏样本作为基线对照。

2. 昼夜节律基因表达分析

通过RT-qPCR技术，研究人员检测了DCM患者心脏样本中4个关键昼夜节律基因（NR1D1、NR1D2、ARNTL和CLOCK）的表达水平。结果显示，SA组患者的昼夜节律基因表达幅度显著降低，尤其是在早晨时段。此外，SA组患者的NR1D1和ARNTL基因表达呈现出相位偏移。

3. 单细胞核RNA测序（snRNA-seq）

研究人员对16例DCM患者的心脏样本进行了单细胞核RNA测序，以探索ACR对心脏细胞转录组的影响。通过无偏聚类和UMAP分析，研究人员将167,708个细胞核分为10个主要细胞群，包括心肌细胞（CM）、成纤维细胞（Fib）、内皮细胞（Endo）和周细胞（Peri）等。结果显示，ACR组患者的心脏细胞失去了早晨特有的转录模式，尤其是在CM和Fib细胞中。

4. 心肌细胞的表型变化

通过对44,386个CM细胞的分析，研究人员发现ACR组患者的CM细胞中肌动蛋白细胞骨架组织（Actin Cytoskeleton Organization）受到破坏，导致细胞肥大加重。此外，ACR组患者的CM细胞中脂肪酸代谢活性降低，这与DCM的病理进展密切相关。

5. 成纤维细胞的表型变化

通过对36,985个Fib细胞的分析，研究人员发现ACR组患者的激活成纤维细胞（Activated Fib）比例显著降低，导致心脏纤维化程度减弱。纤维化是心脏重塑的重要组成部分，其减弱可能导致左心室壁的结构强度下降。

6. 病理染色与机械实验

通过免疫荧光染色和原子力显微镜（AFM）实验，研究人员进一步验证了snRNA-seq的结果。结果显示，ACR组患者的CM细胞中肌动蛋白细胞骨架组织紊乱，细胞机械强度显著降低。此外，SA组患者的心脏纤维化程度较非SA组显著降低。

7. REV-ERBα/β基因敲除小鼠分析

通过对REV-ERBα/β基因敲除小鼠的RNA-seq数据分析，研究人员发现这些小鼠的心脏组织中肌动蛋白细胞骨架组织和纤维化相关基因的表达显著降低，进一步支持了人类样本中的发现。

结论与意义

本研究发现，SA相关的ACR通过破坏心肌细胞的肌动蛋白细胞骨架组织和减少成纤维细胞的激活，导致左心室壁的结构强度下降，从而加剧了DCM的病理进展。这一发现为DCM的病因提供了新的见解，并为精准治疗提供了潜在的靶点。

研究亮点

  1. 首次在临床样本中证实了SA相关的ACR对DCM的影响：通过RT-qPCR和单细胞测序技术，研究人员首次在DCM患者中证实了SA相关的ACR与心脏结构重塑的关联。
  2. 揭示了ACR影响DCM的细胞生物学机制：研究发现，ACR通过破坏心肌细胞的肌动蛋白细胞骨架组织和减少成纤维细胞的激活，导致左心室壁的结构强度下降。
  3. 为DCM的精准治疗提供了新思路：研究建议通过恢复昼夜节律基因表达模式或增强左心室壁的机械强度来治疗ACR相关的DCM。

未来展望

尽管本研究揭示了ACR对DCM的影响及其潜在的细胞生物学机制，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，未来研究可以探讨在纠正SA和ACR后，DCM患者的左心室扩张是否得到抑制。此外，研究人员计划构建前瞻性研究，以观察长期持续正压通气对DCM患者的临床结局的影响。

本报告详细介绍了《Cardiovascular Research》期刊上发表的关于异常昼夜节律加剧扩张型心肌病的研究。通过临床样本和单细胞测序技术，研究人员揭示了SA相关的ACR对DCM的影响及其潜在的细胞生物学机制，为DCM的精准治疗提供了新的思路。