心力衰竭通过先天免疫记忆促进多病共存

研究背景

尽管医学取得了巨大进步，但心力衰竭（HF）的死亡率依然很高，且急需新的治疗目标。HF患者常常经历急性失代偿，并发展成慢性肾病和衰弱综合征等共病。这表明这些共病之间存在病理互动，但目前还不清楚具体机制。慢性炎症现在被认为是多病共存中大多疾病的共同病理特征。先天免疫记忆不仅与宿主防御感染有关，还涉及非传染性疾病的发展。我们近期发现组织驻留的巨噬细胞在维持心脏健康方面起关键作用，但在心脏压力下，巨噬细胞会表现出多样的功能和表型变化。然而，HF是否会促使免疫系统在多个器官内的慢性炎症，以及其潜在机制尚待研究。

论文来源

此研究论文由Yukiteru Nakayama、Katsuhito Fujiu 等人撰写，主要作者来自东京大学的心血管医学系、先进心脏病学系等研究单位。论文发表在2024年5月24日的《Science Immunology》（sci. immunol. 9, ade3814 (2024)）。

研究流程

实验设计

为了研究心脏事件如HF是否会改变造血干细胞（HSCs）及其后代对心脏功能的影响，我们使用横向主动脉缩窄（TAC）技术诱导小鼠HF，并在4周后从HF小鼠和对照组小鼠收集骨髓（BM），然后移植到年轻、经过致死照射、但健康的小鼠中。4个月后，来自HF小鼠的BM移植到受体小鼠中，受体小鼠表现出心脏功能下降和纤维化增加，这些异常在6个月后更为明显。

HSC分化潜力的改变

为了探讨TAC是否会影响HSCs的分化潜能，我们进行了长期HSCs（CD45+Lin−Sca1+cKit+CD34−Flt3−CD150+CD48−）的共移植实验。流式细胞术显示，与对照HSCs相比，TAC HSCs后代的单核细胞和中性粒细胞比例增加，且心脏Ly6Clow CCR2+ 巨噬细胞数量增加，而 Ly6Clow CCR2− 巨噬细胞数量没有显著变化。此结果表明，TAC经历过的HSCs更易于分化为CCR2+巨噬细胞。

HSCs和BM潜能的竞争性移植

为了进一步分析TAC对HSCs的影响，我们进行了一系列竞争性移植实验。使用增强型绿色荧光蛋白（EGFP）标记的小鼠、野生型小鼠以及CD45.1/CD45.2同基因型小鼠进行实验，均观察到TAC HSCs倾向于向髓系细胞偏斜，而在心脏巨噬细胞的分化效率较低。

转录组和染色质可及性分析

通过全局染色质可及性分析和单细胞RNA测序（scRNA-Seq），发现TGF-β信号通路在TAC HSCs中被抑制。这与骨髓交感神经活动的减少相对应。进一步的实验表明，TGF-β-抑制的小鼠HSC移植后也加剧了心脏功能失调，表明TAC通过抑制TGF-β信号改变了HSCs的表观基因组，进而改变其生成心脏巨噬细胞亚群的能力。

HSC变异的位点追踪

我们还使用DNA条形码技术追踪HSCs的后代，发现个体HSC克隆在血液和组织巨噬细胞的占比存在明显差异，表明不同的HSC亚群在分化潜能方面表现出异质性。由于TAC HSC衍生的细胞更倾向于重新填补循环单核细胞，而不是心脏或肾脏巨噬细胞，TAC经历过的HSCs可能含有相对较小和/或受损的能产生组织巨噬细胞的亚群。

HSC的“应激记忆”

研究还发现，心脏压力过载引发HSC增殖和向髓系偏斜的现象，与TGF-β激活受抑制有关。通过对骨髓进行活体三维成像（CLARITY）和酶联免疫吸附测定（ELISA）表明，TAC后交感神经去神经作用减少了骨髓中的活性TGF-β水平。随后的实验进一步证实交感神经系统在介导TAC对骨髓影响中的重要性，并表明TAC引起的HSC改变可持续存留，并在HSC中留下应激记忆。

骨髓移植诱导肾脏和骨骼肌脆弱性

我们还研究了TAC导致的HSC变化是否会增强其他器官的病理反应。通过单侧输尿管堵塞（UUO）模型观察到，TAC后移植的骨髓小鼠比对照组表现出更显著的肾小管损伤和间质纤维化。此外，TAC HSC衍生的细胞也加剧了骨骼肌伤后愈合和再生的缺陷。

方法与材料

研究使用了C57BL/6J小鼠，在东京大学动物设施的无病原体环境下饲养。所有实验均获得东京大学伦理委员会批准并严格遵守相应指南。研究的目的是探讨HF诱导的HSC和先天免疫记忆的作用，并了解HF对HSC及其后代分化模式的影响。

研究结论

这项研究展示了心力衰竭通过改变造血干细胞的表观基因组和分化潜能，进而影响心脏、肾脏和骨骼肌的细胞及其应激响应机制。由于组织驻留的巨噬细胞在维持器官健康和响应压力方面至关重要，这些发现揭示了HSC在心脏压力下可能承载“应激记忆”，从而成为反复HF事件和多病共存的关键驱动因素。

研究价值

这项研究不仅在理论上深化了我们对HSCs在心力衰竭机制中的认知，还可能为治疗心力衰竭及其相关共病提供了新的潜在靶点。通过调节骨髓中的TGF-β信号通路，或许能够在一定程度上抑制或逆转由HF引起的组织损伤和功能失调。这为未来的心血管疾病治疗带来了新的希望。