综述

2020年中国心血管领域主要基础研究回顾

王怡玫 张岩

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引用格式： 王怡玫，张岩 . 2020 年中国心血管领域主要基础研究回顾 [J/OL]. 中华心血管病杂志(网络版),2021,4:e1000079(2021-06-30). http://www.cvjc.org.cn/index.php/Column/columncon/article_id/247. DOI:10.3760/cma.j.cn116031.2021.1000079.

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发布日期： 2021/06/30    浏览量： 4918 次

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2020年中国心血管领域主要基础研究回顾
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2020年中国心血管领域主要基础研究回顾
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引言


心血管疾病是一种较为常见且严重威胁着人类健康的疾病，连续多年位居中国居民死亡构成的首位 [1]。世界卫生组织（World Health Organization，WHO）发布报告显示，从 2000 年起，缺血性心脏病造成的死亡显著上升。全球因缺血性心脏病造成的死亡人数由 2000 年 的 200 余万升至 2019 年的近 900万。2020 年，因罹患缺血性心脏病导致死亡的人数占全球死亡人口的 16%，是最主要的致死因素 [2]。2020 年 Lancet 杂志发布的全球疾病负担研究中显示，缺血性心脏病为影响 50 岁以上人群寿命的最主要原因 [3]。2020 年是不平凡的一年，新型冠状病毒引发的肺炎疫情的发现和防治进一步证明，只有把基础科学研究、临床研究和公共卫生研究等紧密结合，才是征服疾病的最有效的手段。基础研究提供科学猜想和合理论证，临床研究和公共卫生研究则积累海量病例和实践经验，各方面相辅相成，才能为各类疾病的预防、诊断和治疗提供创新空间。

本文旨在回顾 2020 年我国大陆地区心血管领域基础研究方面发表的重要成果，以期为今后相关研究提供思路。我们利用科学引文索引（science citation index expanded，SCI-EXPANDED）和社会科学引文索引（social sciences citation index，SSCI）数据库，在标题、摘要和关键词字段检索包含 heart、cardiac、vascular、cardiovascular 及其类似词语的文章（检索式：heart* OR cardiac* OR vascular* OR cardio*）。筛选其中发表在权威期刊且通信作者来自中国大陆地区的基础研究论文（不包含临床研究、流行病学研究和公共卫生研究）作为分析对象，归纳总结 2020 年取得的进展。本文所指的权威期刊为当前影响因子大于 20 的期刊，总计筛选得到权威期刊发表的重要论文共 39 篇（表1）。此外，在影响因子介于 15~20 之间的期刊中同样筛选出 44 篇相关主题论文供读者参考阅读，由于篇幅限制，在此未做深入讨论（表2）。

本文重点讨论的 39 篇在权威期刊发表的相关论文，共涉及 11 种期刊（表 3）。其中，影响因子在 20~30 的期刊有 9 种，影响因子在20~25 的期刊有 7 种，而影响因子在 20~21 的期刊有 5 种。

统计2010—2019年间发表在11种权威期刊中符合本文检索式（heart* OR cardiac* OR vascular* OR cardio*）的论文。如图 1 所示，2011—2015 年中国大陆地区相关文章发文量较为恒定，2016 年之后，中国大陆地区相关文章总量呈现出明显的增长趋势。特别是 2017—2019年，发表在心血管领域知名期刊 Circulation 上的相关文章数量均超过 30 篇。

本文将从心脏保护与修复、心肌肥厚与心力衰竭、血管生物学与高血压、其他疾病和病理过程以及新技术和新材料等方面分别对 2020 年取得的研究进展进行阐述。

心脏保护与修复


成年哺乳动物的心肌细胞是终末分化细胞，增殖能力非常有限，因此死亡的心肌细胞很难得到有效补充，造成心脏功能单位的永久性丧失，引起心肌梗死、心力衰竭等一系列心脏疾病。因此心肌细胞的损伤与死亡是多种心血管疾病的核心病理生理机制。心脏病理损伤，包括氧化应激、儿茶酚胺过度刺激、炎症和心脏过度负荷等，都会引起心肌细胞的死亡 [4-5]。因此，如何在损伤发生时，一方面保护心肌细胞，减少心肌细胞的死亡，另一方面提升心肌细胞的增殖能力，促进新生心肌细胞的产生，是防治心脏损伤相关心血管疾病的重要策略。


一、心脏保护
心脏炎症在包括心肌梗死、心力衰竭、心肌炎等多种心脏疾病中都发挥着重要作用 [6-9]。调节性 T 细胞（regulatory T cells，Tregs），尤其是CD4+Foxp3+ Tregs 亚群，对免疫稳态的维持和疾病的发生发展非常重要。Tregs 主要发挥抑制免疫反应的作用。最新的一系列研究表明某些组织局部存在的 Tregs——“组织 Tregs”，可直接作用于实质细胞，维持组织稳态，在包括脂肪、胰腺、皮肤、脑、肺脏和器官移植中发挥重要的调节作用 [10-12]。华中科技大学同济医学院附属协和医院程翔教授研究团队对心脏中 Tregs 的组织特异性功能进行了研究，发现心脏损伤后心肌组织局部Tregs 具有典型的“组织 Tregs”特征，其主要来 自外周循环的招募，在心脏组织局部富集，局部的维持依赖于白细胞介素（interleukin，IL）-33/ST2轴 [13]。同时心脏 Tregs 具有独特的转录组和 T 细胞受体特征，呈现促进损伤修复的表型，通过高表达富含半胱氨酸的分泌型酸性蛋白（secreted protein acidic and rich in cysteine，SPARC）等分子增加梗死区胶原蛋白含量并促进胶原成熟 [13]。该研究首次揭示了心脏局部组织特异性 Tregs 的表型和功能特征，为以 Tregs 为基础的心脏免疫治疗提供了新的思路和靶点。

活性氧（reactive oxygen species，ROS）一般被认为是有氧代谢的副产物，是引起生物大分子损伤的重要原因，进而在肿瘤、心血管和神经系统疾病中发挥重要作用 [14-16]，除此以外，越来越多的证据表明 ROS 还是重要的信号分子，能够调节多种生理过程 [17-18]。在心脏中，ROS 同样具有重要的信号调节功能，尤其是在心肌缺血再灌注损伤中，可控地产生适量的 ROS 能保护心脏减小损伤 [19-20]。但是对于 ROS 保护心脏的具体机制，还不是非常明确。

北京大学肖瑞平教授课题组报道了 ROS 介导心脏保护的新机制，发现在心脏缺血预适应过程中，心肌细胞 ROS 水平增加，激活蛋白激酶 C-δ （protein kinase C-δ，PKC-δ），诱导 MG53 蛋白分泌，介导心脏保护作用，为缺血性心脏病的防治提供了新策略 [21]。MG53 又称为 TRIM72，主要在心肌和骨骼肌中表达。肖瑞平教授十余年的系列工作证实，MG53 在心血管和代谢疾病中发挥着多重病理生理作用 [22-26]。一方面，MG53 通过促进细胞膜修复和介导细胞生存信号的激活，保护心脏 [22-23]，以及骨骼肌、肺脏、肾脏、皮肤、角膜和脑等多种器官的损伤 [27-31]；另一方面，MG53 还能够作为 E3 泛素连接酶降解胰岛素受体（insulin receptor，IR）和胰岛素受体底物 1（insulin receptor substrate 1，IRS1），引起骨骼肌和心肌的胰岛素抵抗，造成局部组织和全身的代谢异常 [25,32]。2019 年，肖瑞平教授的研究发现，除了细胞内的功能以外，MG53 还能够进行分泌，在细胞外与 IR 结合，阻断胰岛素信号，引起胰岛素抵抗和代谢紊乱 [33]。分泌出来的 MG53除了损害代谢，是否还具有其他的功能呢？据此，该课题组又开展了后续的研究工作。缺血预适应是一种通过数次短暂、无创伤的心脏缺血和再灌注过程，对后续长时间、致命的心脏缺血产生保护作用的现象，是目前已知的最强大的心脏内源保护机制之一 [34-35]。肖瑞平课题组证明了缺血预适应刺激能够在不引起心脏损伤的情况下，促进 MG53 蛋白的分泌。分泌过程依赖心脏释放的过氧化氢（H2O2）（细胞中最丰富和稳定的活性氧类型）适度增加，H2O2 通过介导 PKC-δ 的第311 位酪氨酸磷酸化激活进一步诱导 MG53 的分泌。分泌的 MG53 反过来又能参与到缺血预适应介导的心脏保护作用。即使在没有缺血预适应的情况下，外源给予 MG53 重组蛋白仍能保护心脏抵抗缺血再灌注损伤。课题组进一步发现，在胚胎干细胞诱导分化的人的心肌细胞中，适度的氧化应激也能引起 MG53 分泌，并对心肌细胞的损伤产生保护作用，从而证实了人体心脏中 MG53蛋白的保护功能。综上所述，肖瑞平课题组发现了在动物和人的心肌细胞中均发挥重要作用的“H2O2/PKC-δ/MG53分泌/心脏保护”信号通路，为缺血性心脏病的防治提供了新靶点与新机制[21]。


二、心肌细胞再生
为了达到减少心脏损伤进而改善其预后的目标，一方面通过保护心肌细胞与减少细胞死亡实现，另一方面还可以通过促进心肌细胞增殖与替换死亡的心肌细胞来实现。目前的观点认为，心脏的再生，尤其是新生心脏的再生，主要来源于已有心肌细胞的增殖，而不是心脏干细胞的分化 [36-37]。成年哺乳动物的心脏是最难再生的成体组织之一，虽然新生动物的心脏在损伤以后能够再生 [36-38]，但是这种再生能力会在出生后迅速消失。目前治疗心脏损伤的研究热点之一是探索心脏再生的调节机制，针对性地研究如何能够增强成年心脏的再生能力，以期更好地修复损伤的心脏。

2020 年，我国大陆地区的科研工作者从以下几个方面对心肌细胞增殖的机制进行了探索，几篇文章都利用动物模型结合组学方法探索调控心肌细胞增殖的靶点。首先，中国医学科学院阜外医院胡盛寿院士 / 聂宇教授团队揭示了免疫反应调控心肌再生机制，发现巨噬细胞在调节哺乳动物心肌再生中起到了重要的作用 [39]。巨噬细胞可以通过分泌炎症因子，激活 gp130 受体，促进心肌细胞增殖和心脏再生，为心血管疾病的治疗提供了新的干预靶点。该研究通过构建新生小鼠的心尖切除心脏再生模型，发现心肌损伤后有大量的巨噬细胞浸润。利用条件基因敲除小鼠等技术发现，巨噬细胞是小鼠心脏再生的必要条件，敲除巨噬细胞的小鼠心肌细胞增殖能力和心脏再生能力明显受损。随后他们对小鼠心尖切除术后心脏组织进行 RNA-seq 转录组测序，发现抑瘤素 M （oncostatin-M，OSM）是术后表达变化最显著的细胞因子，而 OSM 主要由巨噬细胞合成分泌。并且通过一系列研究，探索 OSM 在巨噬细胞中促进小鼠心肌细胞的增殖和心脏的再生的作用和机制，结果证实 gp130-Yap-Notch 通路在心肌细胞增殖中发挥了重要作用。尤其重要的是，为了推动相关发现的临床转化，作者通过注射腺相关病毒 (adeno-associated virus，AAV) 9-gp130，激活心肌细胞上的 gp130 受体，促进了成年小鼠心肌梗死后的心脏再生修复，并且这一过程是通过促进成年心肌细胞增殖实现的，这为缺血性心脏修复的再生干预提供了可能的作用靶点。

其次，另一项来自上海同济大学陈义汉院士和梁丹丹教授课题组的研究发现胚胎心脏发育所必需的低密度脂蛋白受体相关蛋白 6 （low density lipoprotein receptor related protein 6，LRP6）通过调节心肌细胞增殖，在心脏修复中发挥作用 [40]。

研究者发现 Lrp6 基因缺失增加了新生、幼年和成年小鼠的心肌细胞周期活性。小鼠心脏中 Lrp6 基因的心肌细胞特异性缺失在心肌梗死后引起强烈的再生反应，导致心肌梗死面积减少和左心收缩功能改善。通过体内遗传谱系追踪显示，心肌梗死后 Lrp6 基因缺陷小鼠心脏中新形成的心肌细胞主要来自常驻心肌细胞。该研究进一步发现 Lrp6基因缺乏的促增殖作用是由 ING5/P21 信号通路介导的。与上一篇研究类似，研究者也使用 AAV9 miRNAi-Lrp6 构建体的基因治疗促进了小鼠心脏损伤的修复。最后，研究者还证实 Lrp6 基因缺乏诱导了人类诱导的多能干细胞衍生的心肌细胞（iPSC-CMs）的增殖。该研究揭示 LRP6 是控制心肌细胞周期再进入的新型分子开关，并有望成为心脏再生的干预目标。

来自浙江大学医学院附属第二医院、转化医学研究院陈静海教授的研究，揭示了抑制磷酸酶及张力蛋白同源基因（phosphate and tension homology，Pten）促进心肌梗死后心肌细胞的增殖与修复并保护了心肌梗死后的心脏功能 [41]。陈静海教授的前期研究发现，miR-17-92 基因簇和miR-19a/ miR-19b 都能够促进心肌增殖再生并改善心肌梗死后心脏功能，其作用很可能都是通过抑制其靶基因 Pten 实现的 [42-43]。基于以上工作，研究人员利用心肌细胞特异性 Pten 抑制模型，揭示 Pten 的抑制能够促进心肌细胞增殖再生并改善心肌梗死后鼠的心脏功能。通过冠状动脉左前降支永久结扎发现，心肌梗死手术 2 周后 Pten 敲除组小鼠相比于对照组小鼠呈现持续性心功能保护现象，并显著降低了心脏纤维化损伤。而 Pten 基因的敲除能够显著提高心肌梗死小鼠心肌细胞的增殖水平。进一步，研究人员还通过遗传谱系示踪技术追踪 Pten 基因心肌特异性敲除小鼠心肌细胞的谱系命运，同样证实了 Pten 基因敲除后小鼠心肌细胞发生增殖分裂事件明显增加。在机制研究方面，研究人员通过转录组分析，发现心肌特异敲除 Pten 基因后显著提升了心肌梗死后心脏的收缩能力，提高多条能量代谢相关通路的基因表达水平，降低了炎症及细胞外基质等通路相关基因的表达水平。同样为了促进临床转化，研究人员在小鼠心肌梗死后给予 PTEN 特异性蛋白活性抑制剂（VO-OHpic）， 同样显著促进了心肌细胞的增殖再生，并改善了术后小鼠的心脏功能，减少了纤维化损伤面积，表明该研究具有较高的临床转化价值。

上面的 3 项研究均利用了转录组学进行研究，而南京医科大学王连生教授、沙家豪教授和郭雪江教授的合作研究则利用定量磷酸化蛋白质组学技术对新生小鼠心肌梗死边缘区心脏组织进行了分析，揭示了新生小鼠心肌梗死后的蛋白激酶 - 底物调控网络，验证了细胞周期检测点激酶 1（checkpoint kinase 1，CHK1）在心肌梗死后发生活化，具有促进体内、体外新生心肌细胞的内源性增殖能力，而抑制 CHK1 表达后体内、体外新生心肌的再生程序启动受损 [44]。CHK1 是通过激活 mTORC1-P70S6K 轴增强成年小鼠心脏心肌梗死后的心肌再生，这为临床治疗心肌梗死研究提供了更多的靶标。同样为了促进临床转化，研究者利用水凝胶包裹心肌特异性活性蛋白激酶CHK1，实现蛋白激酶持续释放，起到促进心肌梗
死后心肌再生从而改善长期临床预后的目的。

除以上研究以外，2020 年，我国大陆地区学者还基于外泌体、组织工程、多种来源的干细胞以及多种技术的整合等多个方面推动损伤心脏的修复和相关心脏疾病的防治，取得了一系列重要的研究成果 [45-52]。

心肌肥厚与心力衰竭


慢性心肌肥厚及相关的心肌重塑是引起心脏功能障碍的主要因素，会导致严重的心力衰竭。心力衰竭是目前非常重要的公共健康问题，对总人口的1%~3%和10%的70岁以上人群造成影响[53]。目前对心力衰竭缺乏有效的治疗手段，预后很差，几乎 50% 的心力衰竭患者在诊断后 5 年内死亡，其治疗费用占总医疗预算的 1%~2%[54]。因此探索心肌肥厚、心脏重构和心力衰竭的发病机制和防治策略，一直是心血管研究领域的重要命题之一。通过预防与治疗病理性心肌肥厚，可以延缓甚至逆转心肌生物学的功能降低，遏制心力衰竭，提高患者生存率和生活质量。


一、心肌肥厚
2020 年的几项研究，分别从表观遗传学、翻译后修饰、单细胞测序和动物模型等角度，对心肌肥厚的发病机制与防治措施进行了研究。

信使 RNA（message RNA，mRNA）的表观遗传学修饰在心血管疾病的发病过程中发挥重要作用 [55-57]。而 N6-甲基腺苷（N6-methyladenosine， m6A）是哺乳动物中最重要的 mRNA 转录后修饰，对于转录本（transcriptome）的剪切、稳定、转位和翻译都非常重要 [58]，在心脏的生理和病理过程中发挥重要调节作用 [59-61]。但是目前对 m6A修饰过程在心肌肥厚中的作用尚缺乏了解。青岛大学王昆教授团队的研究发现，在心脏肥大过程中，一类与 PIWI 蛋白相互作用的非编码核酸（PIWI-interacting RNAs，piRNA）大量表达，并且确定了与心肌肥大相关的 piRNA（CHAPIR），可通过靶向甲基转移酶样蛋白 3（methyltransferaselike 3，METTL3）介导的 Parp10 mRNA 的 m6A甲基化来促进病理性肥大和心脏重塑 [62]。CHAPIR 缺失可明显减轻心脏肥大并恢复心脏功能，而 CHAPIR 模拟物的给药可增强压力超负荷小鼠的病理性肥大反应。机制上，CHAPIR 通过CHAPIR-METTL3-PARP10-NFATC4 信号转导轴调节病理性心肌肥厚和适应不良的心脏重塑靶标。该文章首次系统地研究了 piRNA 在调节病理性肥大中的功能，揭示了 piRNA 介导心肌肥大的调控机制。

在另外一项研究中，南京医科大学季勇教授团队对 LIM 结构域肌蛋白（muscle lim protein，MLP）在心肌肥厚中的作用与机制进行了研究 [63]。MLP 特异性分布于骨骼肌与心肌中，研究者利用基质辅助电离激光解吸 - 飞行时间 - 串联二级质谱法检测小鼠和大鼠心肌肥厚模型的心肌组织中可发生巯基亚硝基化（S-nitrosylation，SNO）修饰的蛋白质，两组样本均发现 MLP 的巯基亚硝基化修饰水平明显增高。在多种动物模型中发现，MLP 半胱氨酸 79 位点发生 SNO 修饰后能促进心肌肥厚的进程，而心肌肥厚过程中 MLP 的 SNO增加是由于谷胱甘肽还原酶（S-nitrosoglutathione reductase，GSNOR）的表达降低导致的。发生巯基亚硝基化修饰的 MLP 能促进其与 TLR3 和RIP3 的结合进而激活下游 P65/NLRP3 信号通路以及 IL-1β 的分泌，促进心肌肥厚。从而证实了一种能发生巯基亚硝基化修饰的蛋白质对心肌肥厚的调控作用，同时发现了 TLR3/RIP3 及下游p65/NLRP3 可能成为潜在药物新靶标。因此利用IL-1β 的中和性抗体可缓解压力超负荷引起的心肌肥厚，为临床治疗心肌肥厚提供了更多的可能性。

中国医学科学院阜外医院王利教授团队建立了国际领先的心肌细胞单细胞测序平台，利用此平台在心肌细胞单细胞研究方面取得了系列重要成果，从新的维度对多种心血管疾病的发病机制与临床防治提供了新策略 [64-66]。其中的一项研究利用单细胞测序技术重建了病理性心肌肥大进程中的细胞轨迹，从独特的角度对心肌肥厚的发病机制进行了探索，提出治疗心肌肥大的新策略：精确干预心肌肥大的特定阶段和特异细胞类型，可以有效延缓疾病进展 [65]。王利教授通过对压力超负荷诱导的心肌肥厚过程中不同时间点的 11 492个单细胞（包括心肌细胞和非心肌细胞）的转录组进行分析，并根据它们的分子特征鉴定主要细胞类型，包括心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞，研究各自亚型的动力学。发现在疾病进程的不同阶段，不同类型的非心肌细胞亚群（成纤维细胞，巨噬细胞和内皮细胞）驱动了疾病进展，而且不同类型的非心肌细胞表现出独特的参与顺序。其中巨噬细胞的激活和亚型转换是疾病进程中心脏功能失调的关键事件，需要特别关注。为了进一步验证其发现，研究者选择在不同时间窗口应用钠葡萄糖共转运蛋白 2 抑制剂达格列净（Dapagliflozin）和两种抗炎药（TD139 和阿格拉宾，Arglabin）来精确治疗心脏疾病，发现阶段特异性靶向巨噬细胞可以保留心脏功能并减轻纤维化，证明了精确干预在治疗心肌肥大中的重要性。更加重要的是，在人类肥厚型心肌病和心力衰竭患者样本中，也观察到了类似的分子模式。本研究描绘了病理性心肌重塑的细胞和分子蓝图，确定了病理性心肌肥大进程中特定阶段主要参与的细胞亚群，从而为疾病进程的特定阶段和特异细胞类型提供了候选干预基因，为相关心脏疾病的防治提供了新方法。

前面几项研究，采用的动物模型都是压力超负荷模型，模仿临床中常见的高血压和主动脉瓣狭窄等疾病。但同时，反流性瓣膜损伤引起的容量负荷增加同样是临床上的常见疾病 [67]，目前对其相关的心肌肥厚和心脏重构机制的报道非常少。二尖瓣反流是最常见的瓣膜相关心脏疾病 [68]，但是此前尚无二尖瓣反流的小鼠模型。广州中山大学的李淑娟教授与其合作者，首次建立了二尖瓣反流的小鼠模型，并且利用此模型，发现二尖瓣反流引起的左心室功能异常是一种失代偿的偏心性心肌肥厚，并且发现细胞极性调控和蛋白合成的空间定位之间的相互作用，这种相互作用决定了心肌细胞的定向生长 [69]。

另外，肥厚型心肌病也是引起心肌肥厚的重要原因，是最常见的遗传性心脏病 [70-71]。中国医学科学院阜外医院的宋雷教授和王继征教授合作，利用全外显子测序，发现了非孟德尔遗传模式的肥厚型心肌病发病形式，颠覆了“肥厚型心肌病是由罕见变异导致的单基因遗传性疾病”的传统理论，为遗传性肥厚型心肌病发病机制和临床诊治提供了新的思路与线索的认识 [72]。


二、心力衰竭
现代生物学和医学研究已经进入到了单细胞乃至单分子的时代，绘制单细胞图谱的前提是能够高质量、高通量地分离出单个细胞。目前，针对哺乳动物及人的神经、血液、肺脏、肝脏和胰腺等多个组织和器官，已经开展了单细胞图谱的大规模绘制工作。但因成体心肌细胞体积大（长杆状，长 100~150 μm, 宽 20~30 μm），远超过常规体细胞（近球形，直径 <30 μm），目前主流的商用单细胞平台都难以捕获此类大细胞，大大增加了成体心肌细胞单细胞测序的难度。上一节已经介绍了，中国医学科学院阜外医院胡盛寿院士和王利教授通过其建立的独特平台在心肌细胞单细胞测序领域取得了一系列重要的开拓性进展 [64-66]，除了前面介绍的小鼠心肌肥厚领域的成果以外，胡盛寿院士和王利教授成功实现了人类心肌细胞的高通量捕获。通过对 21 422 个心脏组织细胞进行单细胞测序和分析，在世界上首次系统绘制了成年人心脏的单细胞图谱，并且对心肌病和心力衰竭的发病机制进行了探索，为世界心血管疾病研究同行提供了一份宝贵的基础研究资源 [64]。

研究人员首先对来自左心房和左心室组织的细胞进行了比较，发现非心肌细胞在心房、心室组织的差异无统计学意义，而心肌细胞则表现出显著差异。心房肌细胞高表达收缩相关蛋白 MYH6、MYL4、MYL7 和 TNNI1 等，而心室肌细胞则高表达另外一组蛋白 MYH7、MYL2、MYL3 和 TNNI3 等。另外心房肌细胞相对高表达分泌蛋白（如 NPPA、NPPB 和 DKK3 等）和膜蛋白（如 PAM、KCNJ3 和 KCNK1 等），这提示心房组织可能通过旁分泌作用对心脏发挥重要调节功能。通过进一步聚类分析，将心房和心室肌细胞各分为 5 个亚类（subtype），分别表达特异的指示基因及参与特定生物学过程，从而证明心肌细胞有很大的异质性，打破了常规认为只有一种心肌细胞的观点，对了解心脏功能及未来精准治疗均具有极大的价值。在此基础上，研究人员又对3类主要的非心肌细胞：内皮细胞，成纤维细胞，巨噬细胞进行了亚型鉴定，并且根据细胞特异表达的分泌蛋白及膜蛋白，预测了整个心脏组织内的细胞相互作用网络。
此外，研究团队利用扩张型和肥厚型 2 种心肌病的心脏进行了单细胞研究。在心肌细胞内发现两种疾病有各自独特的表达模式：扩张型高表达，如 NPPA、NPPB、DKK3、MSRB3 等，而肥厚型则表达 S100A6、PDK4、NEAT1 等。这些基因可能作为临床分型的候选基因；通过对转录调控网络分析，预测了多个在肥厚型和扩张型心肌病中特异高表达的转录因子基因，作为可能的候选治疗靶点。

为了进一步解决临床问题，研究者还利用单细胞测序对心力衰竭患者应用左心室辅助器械治疗获得不同治疗效果的机制进行了探索。安装左心室辅助器械是一种常见的心力衰竭治疗方法，但有些患者接收手术的治疗效果不佳，其中原因尚不明确。研究者以正常心脏的单细胞作为参照，比较使用左心室辅助器械前后各种细胞与正常细胞的相似度水平，定义了一个手术效果衡量指标——恢复系数。术后恢复良好患者的心肌细胞和非心肌细胞的恢复系数都显著优于术后恢复不佳的患者，该系数可用于以后类似研究的评估工作。并且发现术后恢复较差的患者具有一簇特异性高表达的基因，可能作为治疗的靶点。

另外一项工作，从另一个角度对缺血性心脏病引起的心力衰竭的防治提出了新的思路。心肌缺血会造成心肌梗死，心肌梗死则会诱发许多血管生成因子，这表明心脏的自然反应能够诱导新的冠状动脉的形成，然而，冠状血管内皮细胞（vascular endothelial cell，VEC）没有足够的血管生成潜力来有效地重新填充所有缺血区域，并且在缺血后通过递送促血管生成分子来诱导血管再生的临床试验最终都失败了。上海科技大学张辉教授发现心内膜过表达 Kdr 基因能够在心脏稳态和心肌梗死后，将成人内膜转化为冠状血管，从而改善缺血后的心脏功能 [73]。研究通过建立诱导型的小鼠心内膜中特异性 Kdr 基因过表达系统，发现长时间心内膜 Kdr 基因过表达有助于冠状 VEC 的生成，并且减少了心肌梗死引起的心肌纤维化和心肌细胞凋亡，增加血管密度，改善心脏功能。更加重要的是，虽然在临床以往研究中已报道给予重组血管内皮生长因子 α（vascular endothelial growth factor α，VEGFα）蛋白或病毒介导的 VEGFα 过表达可促进心血管形成或改善心脏功能，然而 VEGFα 的临床试验尚未显示出任何临床益处 [74-75]，这可能是由于 VEGFα 治疗的不良反应、VEGFα 蛋白的寿命短以及转染不足或其他原因所致。在本研究中，梗死区域内源性 KDR 蛋白配体足以诱导心内膜新生血管，而无需额外供应 VEGF 蛋白，提升了相关研究的临床应用潜力。

血管生物学与高血压


血管生物学一直是心血管研究的重要方向，我们已经连续 3 年对相关领域进行了介绍。血管负责向全身各个器官输送氧气和营养物质，带走二氧化碳和代谢废物。血管结构包括最里层的内皮细胞、中层的平滑肌和外膜的成纤维细胞以及细胞外基质。研究血管的生理和病理变化，是心血管疾病防治的重要方向。2021 年，我国大陆地区科研工作者在动脉粥样硬化、动脉瘤、高血压（包括肺动脉高压）、脑血管疾病和凝血调控等研究方面取得了多项优秀成果。


一、动脉粥样硬化
动脉粥样硬化是引发冠心病、脑梗死以及外周血管病的最重要原因之一。它以脂质代谢障碍为病变基础，其特点是受累动脉病变从内膜开始，一般先有脂质和复合糖类积聚、出血及血栓形成，进而纤维组织增生及钙质沉着，并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化，导致动脉壁增厚变硬、血管腔狭窄等。

非酒精性脂肪肝（ non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）是心血管疾病的独立危险因素，能够增加动脉粥样硬化和心血管疾病的发病率，值得注意的是，NAFLD 的此项作用独立于肝功能的恶化程度 [76-77]，但是目前对其中的机制并不明了。复旦大学附属中山医院夏朴教授的研究发现，肝细胞来源的细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）通过微小 RNA-1（microRNA-1，miR-1）促进内皮炎症和动脉粥样硬化 [78]。研究者进一步发现与对照肝细胞释放的 EVs 相比，脂肪肝细胞释放更多的 EVs，与脂肪肝细胞共培养的内皮细胞（或用肝细胞释放的 EVs）中表达的促炎性分子明显更多，并可增加核因子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）活性和降低 KLF4 表达。通过 miRNA 表达谱分析，发现 miR-1 发生明显改变，下调或抑制 miR-1 可预防 EV 诱导的内皮炎症。进一步的，miR-1 抑制剂不仅能在体外减少内皮细胞的炎症，而且还能减弱 ApoE 缺陷小鼠的动脉粥样硬化。因此脂肪肝细胞衍生的 EVs 通 过 miR-1 递送、KLF4 抑制和 NF-κB 活化来促进内皮炎症和动脉粥样硬化的形成，揭示了肝细胞衍生的 EVs 在肝脏与血管系统间的远距离通讯中的重要作用。

另外一项重要工作是从遗传病角度对家族性高胆固醇血症（familial hypercholesterolemia，FH）的治疗提出新策略。FH 是一种常染色体显性遗传病，由编码低密度脂蛋白受体（low-density lipoprotein receptor，LDLR）、载脂蛋白 （apolipo-protein B, APOB）或枯草溶菌素转化酶 9（PCSK9）的基因突变引起，其特点是低密度脂蛋白胆固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C） 水平显著升高和过早发生严重的动脉粥样硬化和心血管疾病。90％的 FH 是由 LDLR 突变导致的。LDLR 的突变导致功能性 LDLR 的表达水平较低，肝脏对血液循环中 LDL-C 的清除能力下降，进而使血液循环中的 LDL-C 过量，从而导致动脉粥样硬化斑块的发生和发展。动脉粥样硬化的严重程度与肝组织中 LDLR 的水平和活性密切相关。纯合子 FH 的发病率为百万分之一，在婴幼儿时期就迅速发展为严重的动脉粥样硬化和心血管疾病，并导致早死。杂合子 FH 患者具有功能性 LDLR 蛋白，因此目前的 FH 药物治疗，例如MG-CoA 还原酶抑制剂（他汀类）通常只对杂合子 FH 患者有效，而高强度他汀类药物和 PCSK9抑制剂对纯合子 FH 的治疗效果非常有限。中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周斌教授与交通大学国际妇幼保健院黄荷凤院士合作，利用AAV-CRISPR/Cas9 系统对携带 Ldlr 基因突变的小鼠进行的 Ldlr 基因校正能够部分地修复 LDLR 表达并有效改善 LDLR 突变体中的动脉粥样硬化，为 FH 患者的治疗提供潜在的治疗方法 [79]。

研究人员首先在因 Ldlr 基因中含有无义突变而患有家族性高胆固醇血症的个体的基础上，构建了小鼠品系 LdlrE208X，在 Ldlr 基因的第 4 外显子中含有无义突变，在高脂饮食喂养后，肝脏中无LDLR 蛋白表达，发生严重的动脉粥样硬化，建立了 FH 动物模型。CRISPR/Cas9 系统是一种有效的基因编辑工具，能够在 DNA 水平上对病理突变进行校正，是治疗基因缺陷引起的人类疾病的一种有希望的疗法。AAV 由于具备高安全性以及稳定长效表达的特点，被视为最有前景的基因治疗载体。本研究把两者进行了结合，通过使用AAV-CRISPR/Cas9 系统在 LdlrE208X 小鼠体内进行基因编辑，校正了一部分肝细胞的 Ldlr 基因突变，并部分恢复 LDLR 蛋白表达，进而降低血清中的总胆固醇、总甘油三酯和 LDL-C 水平，同时主动脉粥样硬化斑块和巨噬细胞浸润程度也得到了减轻，从而表明，通过 AAV-CRISPR/Cas9 系统进行的体内基因编辑可能是一种有前途的 FH治疗方法，同时可能有助于改善当前降脂药物的疗效。


二、动脉修复与动脉瘤
血管平滑肌细胞是构成血管壁组织及维持血管张力的主要细胞成分，正常情况下，血管平滑肌细胞保持着一定的增殖和更新速率，从而能够维持血管的生理功能。而血管平滑肌的结构和功能的改变会影响血管的正常功能，引起血管壁弹性下降和管腔狭窄等病理改变，引发动脉瘤、冠心病和高血压等心血管疾病。成体情况下，血管平滑肌细胞有多种来源，例如定居的平滑肌细胞自身增殖，循环中造血干细胞和血管外侧基质层干细胞的转分化等 [80]。已有报道证明，血管外层的 Sca1+ 细胞是干细胞，并且在动脉粥样硬化斑块等特定的血管疾病模型中可以转分化成平滑肌细胞 [81]，但缺乏体内直接实验证据。因此是否存在 Sca1+ 血管平滑肌干细胞以及它在血管损伤重塑中的作用有待进一步研究。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心 / 生物化学与细胞生物学研究所周斌教授、高栋教授以及浙江大学医学院张力教授合作，利用谱系示踪系统发现血管外侧基质层中的 Sca1+ 细胞在血管严重损伤的情况下，可以转分化血管平滑肌细胞。进一步利用双同源重组谱系示踪系统，证明是 Sca1+PDGFRa+ 亚群细胞具有转分化潜能，并阐明 YAP 基因在转分化中起到了重要的作用，为血管损伤重塑研究提供了新的研究方向及理论基础 [82]。

主动脉瘤是由于压力或损伤因素造成动脉壁损伤，进而引起的主动脉病理性扩张，是一类极为凶险、致死率极高的心血管急危重症，若不实时干涉，病患死亡率超过 80%，并且缺乏有效的治疗手段，因此寻找其针对性的防治靶点一直是心血管研究中的热点和难点。2020 年，我国大陆地区两个团队分别从遗传和炎症角度，对动脉瘤的机制和防治进行了探索。首先，山东大学齐鲁病院急诊科陈玉国传授和徐峰教授发现乙醛脱氢酶 2（aldehyde dehydrogenase 2，ALDH2）突变有效预防主动脉夹层 / 瘤发生的新机制，为主动脉夹层 / 瘤的防治提供了新的分子靶点 [83]。ALDH2是常说的脸红基因，是人体内乙醇代谢通路重要酶，其突变普遍存在于中日韩等东亚人群，突变率高达 30%~50%[84-85]，与酒精相关性疾病（肝炎、肝硬化等）、心肌梗死、高血压、卒中等密切相关 [86-89]。研究者发现，ALDH2 基因突变型（GA/AA）携带者动脉夹层 / 瘤发病风险显著低于野生型（GG），进一步在动物水平证实抑制 ALDH2能够降低小鼠主动脉夹层 / 瘤发病风险、主动脉扩张水平及血管病理转变，机制上，是通过上调转录因子 Max 表达，负性调节 miR-31-5p 表达，最终对主动脉夹层 / 瘤发挥保护作用。另外一项研究中，海南医学院郭峻莉教授与合作者探索了腹主动脉瘤的炎症机制 [90]。发现 Na-Cl 共转运体（Na-Cl co-transporter，NCC）是一种 IL-18 的新型受体，和 IL-18 受体共同定位于血管巨噬细胞、内皮细胞和平滑肌细胞等，在腹主动脉瘤发生发展过程中与 IL-18 受体发挥协同作用。脂肪细胞通过释放瘦素（leptin）介导 IL-18 与其两种受体的表达及其相互作用，阐明血管周围脂肪组织在腹主动脉瘤病变中新的作用与功能。


三、高血压
高血压是最常见的慢性病，也是心血管疾病的重要危险因素之一，且可伴有心、脑、肾等器官的功能或器质性损害。2020 年，我国大陆地区科研工作者的两项研究对 T 细胞相关的机制在高血压中的作用进行了探索。首先，天津医科大学的余鹰教授对 T 细胞前列腺素 D2/DP1 轴在老年性高血压中的作用进行了研究，发现 T 细胞 DP1受体可能是老年性高血压的一个重要的治疗靶点 [91]。研究发现老年人和小鼠的 CD4+ T 细胞的前列腺素 D2/DP1 轴下调，通过增加 Th1 细胞因子的分泌、血管重构、CD4+T 细胞浸润及血管 /肾脏中过氧化物的产生进一步升高老年性高血压；相反的，在 T 细胞中外源性表达 DP1 可延缓年龄相关性高血压的发生。机制上，前列腺素 D2/DP1轴通过泛素化增加 NEDD4L 介导的 T-bet 降解来抑制与年龄相关的 Th1 激活和随后的高血压进程。另外一项工作中，中国医学科学院阜外医院耿彬教授和蔡军教授与其合作者联合研究了 CD4+T 细胞内源性关键酶胱硫醚 γ 裂解酶（cystathionine gamma lyase，CSE）/ 硫化氢（hydrogen sulfide， H2S）在高血压发展中的作用与机制 [92]。研究者发现从高血压患者或自发性高血压大鼠中分离出的外周血淋巴细胞中，CSE 合成的 H2S 会因血压的变化而变化，但半胱氨酸 β 合成酶则不变，而且 H2S 合成与收缩压 / 舒张压无关，但与 IL-10 的血清水平成正相关。CSE 催化生成的 H2S 对肝激酶 B1 的组成性硫化作用激活其靶激酶，腺苷一磷酸（adenosine monophosphate，AMP）活化蛋白激酶，促进 Tregs 分化和增殖，从而减轻血管和肾脏的免疫炎症，进而预防或缓解高血压。

除了体循环动脉高压以外，肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）也是严重危害人类健康的世界性问题。PAH 是一种致死性的慢性疾病，主要是由于持续性肺血管收缩、向心性肺血管重构以及原位的血栓形成引起的肺动脉压力升高造成的 [93-94]，尽管针对 PAH 的药物治疗取得了巨大进步，一定程度上延缓了肺高压的病程发展，但患者长期预后仍不理想。由于靶向药物价格昂贵，患者较难负担长期治疗，甚至成为家庭和社会沉重的负担。因此，积极寻找并探索治疗肺动脉高压的新型药物及策略具有重大社会及经济意义。西安交通大学附属第一医院袁祖贻教授与其合作者发现E3 连接酶鼠双微体基因 2（murine double minute 2，MDM2）能够通过引起血管紧张素转换酶 2 （angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）的泛素化和降解引起 PAH，联合干预 AMP 激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）和MDM2 能够作为 PAH 的防治策略 [95]。研究者发现，在特发性 PAH 患者来源的肺组织和肺动脉内膜细胞以及 PAH 的小鼠模型中，MDM2 的表达水平增加， ACE2 的表达水平降低。在小鼠中抑制MDM2 可逆转 PAH，而 ACE2 磷酸化突变会加重PAH，而泛素化位点突变会减轻 PAH。


四、其他血管相关疾病
血小板是动脉粥样硬化血栓形成的重要参与者，也是临床心血管病防治的重要靶点 [96]。血小板是哺乳动物特有的血细胞，没有细胞核，但有大量膜糖蛋白，线粒体和颗粒体等。已有研究表明，代谢综合征或 2 型糖尿病患者的血小板通常处于高活性状态，这可能与氧化低密度脂蛋白和晚期糖基化终产物增加、胰岛素水平降低以及血小板线粒体功能障碍相关 [97-98]。支链氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）是一类必需氨基酸，包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，具有为长时运动提供能量、促进肌肉蛋白合成和抑制肌肉分解等作用 [99]，也有研究显示代谢综合征导致的 BCAA 代谢障碍与心脑血管疾病密切相关 [100]，但 BCAA 代谢紊乱与血小板高活性和易栓倾向之间的关系尚不清楚。上海交通大学医学院刘俊岭教授与孙海鹏教授合作，首次将 BCAA代谢与血小板功能和血栓风险建立紧密联系，提示临床应用 BCAA 及其下游代谢产物可能存在潜在的促栓风险，而针对 BCAA 分解代谢途径或控制饮食中 BCAA 摄入量有可能成为血栓性疾病治疗和预防的新方法 [101]。研究者通过分析 2 型糖尿病患者临床样本，发现患者血小板中 BCAA 水平和调控 BCAA 分解代谢的关键基因表达水平，都与患者血小板高反应性显著相关。而降低 BCAA摄入能够显著降低瘦素基因纯合突变 ob/ob 小鼠的血小板活性。而口服 BCAA 能显著促进人和小鼠血小板活性，促进小鼠大动脉和微动脉血栓的形成。进一步的研究发现，BCAA 中的缬氨酸及其分解代谢产物 α- 酮异戊酸和丙酰辅酶 A，对于血小板活化具有最强的促进作用，是 BCAA 促进血栓形成的主要成分。机制上，通过原肌球调节蛋白 3（tropomodulin-3，TMOD3）K255 位 的丙酰化调控的整合素 αⅡbβ3 介导的细胞骨架重构，是 BCAA 代谢尤其是缬氨酸代谢调控血小板活化和血栓形成的主要机制。

近年来，以肥胖为代表的代谢性疾病群已成为全球性的公共卫生问题。肥胖会引起一系列的血管结构和功能的改变，包括血管壁增厚、纤维化和内皮功能紊乱等 [102-106]。已有研究报道，肥胖，尤其是其相关的内皮功能紊乱，与多种心血管疾病密切相关，包括冠心病、心力衰竭和高血压等 [107-109]。同样，肥胖也是多种脑血管疾病，如缺血性卒中等疾病的重要危险因素，但其原因尚不明确。脑血管与其他部位血管的组成和结构有所不同，例如脑血管周围脂肪组织偏少；中枢神经系统里的主要细胞，如神经元、胶质细胞和周细胞等，通过与血管壁中的细胞相互作用，从而调节血管功能等。华中科技大学张果教授、美国爱因斯坦学院蔡东升教授与南京医科大学李聚学教授合作发现小胶质细胞内炎症信号通路的过度活化与肥胖伴随的脑血管功能异常相关，阻断该炎症信号通路能够显著改善肥胖小鼠脑血管的病理改变和缺血性卒中的预后，揭示了肥胖与脑血管功能紊乱之间的联系与机制 [110]。研究者发现，肥胖小鼠的脑干部位出现小胶质细胞增生，以及小胶质细胞中的转化生长因子 β 活化激酶 -1（Tak1）的异常活化，提示发生了炎症反应。另一方面，肥胖小鼠的基底动脉（向大脑供血的主要动脉之一）发生了病理性重构和功能性障碍。机制上，在小胶质细胞中 Tak1 持续活化，会导致其脑血管发生结构异常和功能紊乱。通过分析多种细胞因子和趋化因子，发现肥胖小鼠脑干小胶质细胞中促炎症细胞因子 IL-18 的产生显著增加，并且参与脑血管的病理性变化和功能障碍。最后，研究者还发现小胶质细胞特异性敲除 Tak1 基因的小鼠缺血性卒中的预后要明显优于对照组，说明小胶质细胞中 Tak1 和 IL-18 炎症信号的异常活化在肥胖相关的脑血管功能性障碍中具有重要作用，靶向 Tak1 和 IL-18 对于相关疾病的防治可能具有重要意义。

面向临床需求，把临床诊治中发现的问题和难题，经过基础研究，延伸到药物筛选，通过机制探索和疗效确认，最后回归到临床治疗是转化研究的最佳模式。索拉非尼（Sorafenib）是一种多激酶抑制剂，靶向作用于与肿瘤发展、肿瘤血管生成有关的酪氨酸受体和丝氨酸 / 苏氨酸激酶 [111-114]，在许多国家（地区）已被批准作为晚期肝细胞癌、转移性甲状腺癌及晚期肾细胞癌患者的一线治疗药物。对于大多数此类患者，索拉非尼可以产生良好治疗效果。但是临床应用过程中发现，索拉非尼会引发严重的手足皮肤反应，主要特征是手掌和足底区域过度角化，发病率高达30％~ 76％，对于严重手足皮肤反应的患者，需要降低药物剂量甚至中断治疗，这严重影响索拉非尼的治疗效果，甚至会导致肿瘤进展危及患者的生命 [115-118]。浙江大学马胜林教授、杨波教授、何俏军教授合作研究发现，血管内皮细胞和角质形成细胞之间的交互作用，血管内皮细胞可以释放可溶性肝素结合表皮生长因子（soluble heparin-binding epidermal growth factor，s-HBEGF），稳定了角质形成细胞中必不可少的角化诱导剂细胞沉默调节蛋白 1（sirtuin 1，SIRT1）并最终引起手足皮肤反应。而经典的 SIRT1 抑制剂尼克酰胺可以逆转索拉非尼诱导的手足皮肤反应。从体外细胞实验到动物实验，再到临床研究，研究人员成功应用 SIRT1 抑制剂尼克酰胺显著改善了 10 余例服用索拉非尼导致手足皮肤反应的患者，揭示了血管内皮细胞促进角质形成细胞角质化的机制，并为索拉非尼诱导的手足皮肤反应提供了潜在的有前景的治疗策略 [119]。

其他疾病和病理过程


2020 年，我国大陆地区科研工作者在心肌炎、心律失常和心血管衰老领域也都做出了重要发现。但是每个部分纳入分析的文章较少，在此统一进行介绍。


一、心肌炎
心肌炎是一种复杂的心脏炎症反应，心肌炎可能会发展成为扩张型心肌病，而扩张型心肌病则需要通过心脏移植才能治疗。心肌炎在临床和组织学上表现为异常的免疫过程，心肌炎发展成为心肌病会经历急性炎症期、亚急性炎症期和慢性心肌病期，但是由于研究技术所限，心肌炎发生过程中浸润的免疫细胞的复杂程度尚未得到充分研究，参与炎症反应的免疫细胞亚群尚属未知。

北京生命科学研究所 / 清华大学生物医学交叉研究院张昱教授、中国医学科学院阜外医院宋江平教授和宾夕法尼亚大学 Mingyao Li 教授合作，在单细胞水平对实验性自身免疫心肌炎（experimental autoimmune myocarditis，EAM）小鼠模型不同时期心脏组织中的免疫细胞进行了综合分析 [120]。通过对 34 665 个免疫细胞的测序，鉴定了 EAM 各个时期的免疫细胞亚群，发现随着疾病进展，免疫细胞的组成发生了巨大的变化。进一步研究发现，Hif1a 表达水平与炎症程度显著相关，通过调控免疫细胞的活性来参与炎症反应，抑制 Hif1a蛋白可以缓解 EAM，提示了心肌炎的一种潜在临床治疗策略。Hifla 在急性自身免疫心肌炎患者中较扩张型心肌病患者和健康对照者表达增加，在人类心脏样本中同样得到了验证。


二、心律失常
致心律失常型右心室心肌病（arrhythmogenic right bentricular cardiomyopathy，ARVC）是一种罕见遗传病，主要表现为心肌组织的灶性或弥漫性脂肪化或纤维化，以及右心室功能的异常，患者常会发生致命性心律失常以及猝死 [121]。但部分发生致命性心律失常以及猝死的 ARVC 患者，早期无任何临床症状，心脏结构也未改变，并不能单纯以脂肪或纤维脂肪组织浸润来解释。因此目前对于 ARVC 相关心律失常发生的机制及其防治措施的了解还非常有限。中国医学科学院阜外医院心血管核磁共振科赵世华教授和美国爱荷华大学医学院宋龙生教授合作发现整合素蛋白β1D 的显著降低增加了 ARVC 患者室性心律失常的风险，为其提供了新的治疗靶点 [122]。研究者首先通过质谱技术分析了 ARVC 患者心肌组织中离子通道及其相关蛋白的含量，发现整合素蛋白 β1D 出现显著性降低。进一步的，研究者发现纯化的整合素蛋白 β1D 能够有效稳定心肌细胞肌浆网上的钙释放通道 RyR2 的功能。在特异性敲除心肌整合素蛋白 β1D 小鼠中，发现微量儿茶酚胺可以诱导多形室性心动过速，证明整合素蛋白 β1D 蛋白下调是 ARVC 所伴发的儿茶酚胺易感型室性心动过速的重要危险因素，而整合素蛋白 β1D 的下调是由于 ARVC 相关的标志性蛋白之一桥粒斑蛋白（DSP）的丢失，进而激活“ERK2-Fibronectin”通路造成的，最终导致了RyR2离子通道的过度磷酸化以及心律失常的发生。


三、心血管衰老
衰老是许多主要的慢性疾病和传染病的危险因素，是这些疾病导致的住院、死亡或花费高额治疗费用的最重要的原因 [123-126]。探索心肺系统衰老的机制是防治老年群体心肺系统疾病的重要措施 [127-128]，但是，目前围绕人类心肺系统稳态维持和衰老的细胞分子机制研究还存在诸多挑战。一方面，常用的啮齿类动物模型的解剖、病理生理、药理以及衰老规律与人类存在较大差异，难以作为可靠研究模型；另一方面，基于伦理等多方面因素的限制，研究者们难以获得不同年龄段健康个体的临床样品用于相关研究。而非人灵长类动物与人类亲缘关系最近，生理和病理生理等各方面与人类更为类似，以非人灵长类为模型研究心肺衰老的细胞分子机制具有重要的科学意义。

特别是在 2020 年，新型冠状病毒（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）席卷全球，导致新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease-19，COVID-19）及系列严重并发症，严重威胁人类的生命健康。据统计，住院死亡病例中，65 岁以上的老年人超过 70%。与年轻群体相比，老年群体对 SARS-CoV-2 更加易感，且更易发展为重症，甚至死亡，进一步突出了衰老机制与干预研究的重要性。已有系列研究发现，COVID-19不仅会直接引起心血管损伤，同时也会加重已有的心血管疾病 [129-132]，因此研究 COVID-19 与心血管衰老之间的联系，具有非常重要的意义。

中国科学院动物研究所刘光慧教授及其合作者，近年来在衰老研究领域取得了一系列重要发现，从多个角度揭示了血管、骨关节、卵巢、免疫细胞、视网膜、皮肤、多系统以及整体衰老的分子机制及其潜在的干预策略 [133-149]。2020 年，基于心血管系统衰老在COVID-19中的重要作用，刘光慧教授、宋默识教授以及中国科学院北京基因组研究所张维绮教授合作，以食蟹猴为研究对象，基于高通量单细胞核转录组测序技术，首次绘制了年轻和年老非人灵长类心肺组织的单细胞核转录组图谱，并对呼吸系统和心血管系统衰老的细胞分子变化规律进行了解析 [150]。研究发现，细胞特异性的炎症反应增加和病毒防御功能受损是非人灵长类心肺衰老的重要特征。具体表现为肥大细胞、浆细胞和 CD8+ T 细胞等炎症相关细胞类型在年老个体的肺组织中积累。另外衰老的心肺系统（尤其是肺组织）中的驻留免疫细胞发生过度活化，并且免疫细胞与基质细胞的炎性相互作用增强。接下来，研究者还发现随着年龄的增加，新型冠状病毒受体 ACE2 阳性细胞数目或 ACE2表达量在肺泡上皮细胞、心肌细胞和血管内皮细胞中均有增加，为衰老引起的新型冠状病毒易感性升高提供了科学依据。进一步的，为了探索本发现的临床应用价值，研究者发现近期被报道的新型冠状病毒相关细胞因子风暴的重要成分之一IL-7 在老年个体的心、肺和血管组织中均表达上调，进而刺激人动脉内皮细胞中 ACE2 的表达升高。而利用衰老干预药物维生素 C 能够抑制 IL-7诱导的 ACE2 表达上调，为针对老年群体新型冠状病毒感染的精准防治提供全新思路和策略。

新技术和新材料


新技术和新材料的进步一直是科学新发现的最重要的推动力量之一，了解新技术和新材料，促进其与医学研究的整合，将其应用于心血管疾病的基础研究、临床诊断和疾病防治成为重要的发展趋势。


一、成像研究
“眼见为实” “百闻不如一见”。成像研究是科学研究的重要手段，很多重要的科学发现都依赖于成像技术的进步。近年来，成像技术快速发展，为包括心血管在内的多个领域的研究提供了有力的支持。活体、动态、高分辨、无创，是目前生物成像领域的几个主要发展趋势，2020 年，我国大陆地区科学家在生物成像领域取得了一系列重要发现。

利用成像技术实时观察哺乳动物胚胎发育过程，建立单细胞分辨率的全细胞谱系历史，是发育生物学的难点和热点。重要的难点包括：缺乏有效的体外培养系统，光毒性与光漂白性对胚胎发育的影响，哺乳动物胚胎或器官的大成像深度与视场，以及细胞异质性造成难以进行细胞识别与谱系追踪。尤其是由于心脏是跳动的，使单细胞分辨率的心脏成像面临更大的挑战。北京大学何爱彬教授、程和平院士以及北京航空航天大学肖文磊教授以小鼠胚胎心脏为研究对象，首次实现了单细胞分辨率的、不间断的全细胞数字谱系，对哺乳动物器官发育进行实时追踪和还原，揭示了心脏发育过程从心管起源到心室建立，肌小梁形成的高精度细胞动力学新机制 [151]。研究者利用其自主开发的垂直式光片显微镜（vertical light-sheet fluorescence microscope，vLSFM），达到了大视场、大深度、高分辨率的成像。另外，研究者还设计了一款 V 型中空琼脂柱，结合无菌的小鼠胚胎培养系统，为小鼠胚胎提供充足的发育空间与营养供给，保障其正常发育。最后，研究者还利用红外门控技术，实现了对小鼠胚胎跳动的心脏进行实时的、稳定的单细胞级别成像。利用前面多项技术突破，研究者实现了对小鼠胚胎心脏进行长达数天的单细胞谱系动态追踪，获取了哺乳动物器官动态发育的首套数据库，拍摄到了心脏发育过程中的多个关键形态发生过程，涵盖了心脏从新月形发展到心管，以及整个心室建成的过程，全面地解析了心室建成的细胞学机制。

另外，程和平院士还发现了一种在生理条件下对心肌细胞肌质网（sarcoplasmic reticulum，
SR）钙信号高精度实时观测的新策略 [152]。内质网是由生物膜形成的具有纳米管和纳米囊结构、三维联通并弥漫于整个胞浆的单一细胞器，贮存高浓度钙离子，是细胞内最重要的钙库，对细胞内钙离子浓度和生物功能具有重要调节作用。心肌细胞内质网对其功能尤其重要，正常内质网钙释放驱动心脏搏动。内质网钙库超载可导致钙波及心律失常，而内质网钙库贮存不足不仅影响心脏收缩功能，还可诱发内质网应激及细胞死亡。由于相关染料难以实现内质网的精准定位，直接观测内质网钙动态是心脏领域的一大瓶颈。研究团队采用了内质网定位的羧酸酯酶（endoplasmic/SR targeted expression of carboxylesterase 2，srCES）策略来实现钙染料的定向富集，并结合腺病毒递送实现了内质网钙动态的高分辨率捕捉，验证了钙波传播的多个假说，为“钙致钙释放”（calcium-induced calcium release，CICR）机制提供了直接的实验证据，并定量测定了 CICR 的阈值，为揭示心力衰竭和心律失常伴随的钙信号紊乱的成因提供了新的研究技术和思路。程和平院士一直致力于心肌细胞内钙信号的研究，自1993年发现“钙火花”[153]（calcium spark）以来，在钙信号领域取得了一系列重大发现，具体研究内容可以参阅相关综述 [154-160]。另外，近年来，程和平院士及其合作者在生物成像领域也取得了系列重要发现[161-163]，并且作为首席科学家，领衔建立“十三五”国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施，未来将对生命体结构与功能进行跨尺度可视化描绘与精确测量，从而破解生命与疾病的奥秘。

另外，西安交通大学第二附属医院黄强教授的合作研究利用前期开发的胚胎完全培养基，通过不同发育阶段的“腹窗”，结合高分辨成像观察实现了直视下观察哺乳动物胚胎发育，以高分辨成像活体观察胚胎发育的动态过程，并进行细胞谱系分析，为活体直接观察，高保真的准确研究胚胎发育过程中的各种科学问题提供了强大的工具 [164]。而中国科学院神经科学研究所王凯团队利用共聚焦光场显微镜，选择性地从聚焦体积中收集荧光信号，并提供光学切片功能，在小鼠和斑马鱼脑中实现高速体积动态成像，实现在自由游泳的斑马鱼幼虫中全脑钙瞬态的记录，并观察到猎物捕获期间单个神经元的行为相关活动 [165]。

而在临床诊断方面，北京大学郑乐民教授研发了一种高灵敏的光声纳米探针，在分子水平实现了对动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）不稳定斑块非侵入性在体光声成像，为心血管疾病诊断技术的发展提供了一种新方法。该研究团队设计并合成了一种高灵敏的纳米探针骨桥蛋白（osteopontin，OPN）Ab/Ti3C2/ICG，该探针可通过对泡沫细胞表面 OPN 抗原的特异识别作用，靶向富集到不稳定斑块局灶部位，从而实现对不稳定斑块的非侵入性在体光声成像 [166]。


二、单细胞测序
人体大多数器官的细胞组成比较复杂，传统的转录组测序，无法区分不同的细胞组分，尤其是对数量较少但发挥重要作用的细胞类型，会造成重要的信息缺失。单细胞测序能够从单细胞层面对组织的转录组进行解析，不仅能够区分、发现和定量不同的细胞群和亚群，而且能够对其转录组特征进行分析，能够极大延伸和深化对组织器官的生理状态和病理改变的理解。心血管系统，无论是心脏和血管，都具有非常复杂的细胞组成，因此单细胞测序也被广泛应用于心血管研究中。

前面介绍的研究中，多位研究者利用单细胞测序技术，在心脏中对心肌肥厚 [65]、心力衰竭 [64]、心肌炎 [120] 和心脏衰老 [150] 等疾病进行了系统研究。除此以外，还有多项研究对其他系统进行了单细胞分析。其中，中山大学李旭日教授与其合作者利用单细胞转录组技术分析了小鼠 11 个组织的内皮细胞，收集得到超过 32 000 个单细胞转录组数据集，鉴定出 78 个内皮细胞亚群，揭示了不同组织中内皮细胞的相似性和异质性 [167]。内皮细胞（endothelial cell，EC）遍布血管，是氧气和营养物质输送、免疫细胞运输以及清除远组织废物的重要管道。不同组织中的 EC 具有异质性，可以满足每种组织的独特生理需求 [168-169]。虽然传统 RNA-seq 揭示了组织之间的 EC 异质性，然而单个组织内的 ECs 在单细胞水平上是否以及在何种程度上出现表型不同仍然未知。研究者从比目鱼肌、趾长伸肌、心脏、小肠、结肠、肾脏、肺脏、脾脏、肝脏、睾丸和脑 11 个成年小鼠组织中，富集了 ECs 后，对 39 182 个细胞进行了单细胞RNA（single cell RNA，scRNA）测序，进而通过分析揭示内皮细胞图谱、血管内皮细胞的组织间异质性、转录因子网络分析、组织内血管床的异质性分析、组织内分析揭示特定 EC 表型和分化轨迹等。研究者同时也提供了可视化网站 https://www.vibcancer.be/software-tools/ec-atlas 用以探索本文中的数据集。

在另外一项研究中，深圳华大基因研究院罗永伦教授与其合作者使用 scRNA 测序研究了人类和小鼠非小细胞肺癌的肿瘤内皮细胞表型，探究了不同表型之间的功能以及跨物种的保守性，发现特定的内皮细胞表型与抗血管生成治疗的预后和反应有关，并通过实验验证了特定的抗血管生成物与保守的内皮细胞表型关系 [170]。研究者使用scRNA-seq 结合正交多组学方法，针对人类、小鼠以及培养细胞株进行表皮细胞的深入分析，确定了不同模型中的内皮细胞的异质性以及保守性，研究者还引入了多个外部数据集对于相关结论进行验证。而后研究者聚焦抗血管生成的研究，鉴定了在研究中不同模型最保守的内皮细胞亚型，并对该亚型进行保守基因的计算，进而验证了保守基因中胶原相关酶靶点，证明了胶原羟基化及交联酶在肺癌内皮细胞相关的血管生成的重要性。

暨南大学兰雨研究员、解放军总医院第五医学中心刘兵研究员以及北京大学汤富酬研究员，基于其前期研究 [171]，从转录组（transcriptome）、免疫表型（immunophenotype）和功能（function） 3 个层面重新规范定义了生血内皮细胞，实现了具有造血干细胞潜能以及较以往研究提高近 20 倍富集效率的生血内皮细胞的捕获和分离，并成功构建了更加敏感和特异性标识该生血内皮细胞的荧光报告小鼠。首次在单细胞水平证实生血内皮细胞具有内皮和造血双向分化潜能，进一步在单细胞转录组水平揭示了从原始内皮细胞到靶向造血干细胞命运的生血内皮细胞的两步特化路径，为造血干细胞体内发育及体外再生研究提供了重要的理论基础、数据库资源和小鼠模型 [172]。


三、心血管相关结构生物学研究
继去年在综述《2019 年中国心血管领域主要基础研究回顾》中对心血管相关结构生物学进行了初步介绍以后 [173]，今年我们继续对这个方向进行简单的介绍。结构生物学是分子生物学中最精确和最有成效的一个分支，目前采用的手段包括X 射线晶体衍射、核磁共振波谱、电镜等对于疾病机制和药物筛选等相关研究具有重要意义。

G 蛋白偶联受体是最大的膜受体蛋白家族，在人类基因组中有 800 多个成员，调控人体多种重要的生理功能，是目前最重要的药物靶点。β 肾上腺素受体属于 G 蛋白偶联受体家族，受交感神经系统调控，参与调节心跳、呼吸等关键的生理过程，是研究 G 蛋白偶联受体的经典模型。β 肾上腺素受体抑制剂是目前心血管系统最重要的药物之一，广泛应用于高血压、心力衰竭等疾病的治疗。β 肾上腺素受体最重要的两个内源配体去甲肾上腺素与肾上腺素的分子式十分相似，只有一个甲基的不同。而 β1 和 β2 肾上腺素受体结合天然配体的所有氨基酸都是一样的，但是去甲肾上腺素对于 β1 肾上腺素受体亲和力比β2 肾上腺素受体高了 10 倍左右，其机制仍然未知。清华大学药学院刘翔宇课题组与 2011 年诺贝尔化学奖获得者 Brian Kobilka 教授合作 [174]，首次解析了人源 β1 肾上腺素受体在非激活态和激活态的晶体结构，包括结合内源配体去甲肾上腺素和肾上腺素的结构，并将人源 β1 和 β2 肾上腺素受体的胞外区互换，构建了两个嵌合受体，通过动力学结合实验发现配体结合受体的结合途径决定了去甲肾上腺素对 β 肾上腺素受体的亚型选择性，决定去甲肾上腺素对人源 β 肾上腺素受体亚型选择性的主要影响因素是配体进入受体口袋的速度。


四、新材料与心血管疾病
材料科学的进步，也同样是心血管研究与诊疗新发现的重要增长点。可穿戴生理信号检测设备被广泛地应用于健康监测、疾病早期诊断、运动管理等领域。现有的商用产品可检测多种体征信号，包括心电等电生理信号，并实现日常生活或运动中的实时监测，然而这些商用产品以及研究中所报道的可拉伸电极都未考虑在水下使用的情况。天津大学杨辉教授与新加坡南洋理工大学陈晓东教授合作，利用疏水的可拉伸的金 / 聚二甲基硅氧烷 [Au/poly（dimethylsiloxane），Au/PDMS]作为基底，设计合成了可水下黏附且离子导电的高分子黏附层，得到了防水的可拉伸电极 [175]。这些电极具有稳定的水下黏附能力和电学性质，可在皮肤上实现水下心电信号的长时间实时监测，在使用过程中无需保护，可直接暴露于水环境中，与可穿戴设备结合后可用于游泳过程中的实时心电监测，所得数据可用于对心脏状况进行监测，对运动情况进行评估和管理等。

软压电纳米材料的制造对于可穿戴和可植入生物医学设备的开发至关重要，另外一项工作中，南京理工大学冯章启教授利用一步法制备具有高 β 相含量和自对准极化特性的核 / 壳聚偏二氟乙烯 [poly（vinylidene fluoride），PVDF]/ 多巴胺（dopamine，DA）纳米纤维（nanofibers，NFs），得到的 PVDF/DA NFs 具有显著增强的压电性能、优异的稳定性和生物相容性的全纤维的软传感器，并在人体皮肤和小鼠体内进行了测试 [176]。该装置对检测膈肌运动和血液脉动产生的微弱生理机械刺激具有较高的灵敏度和准确性。综上所述，这种感应功能为心血管疾病和呼吸系统疾病的早期评估和预防提供了巨大的诊断潜力。

利用磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术评估血管解剖结构和功能对于医学诊断至关重要，而临床常用的低场MRI系统（≤ 3 T）的空间分辨率较低，而超高场 MRI（≥ 7 T）能够显著提高分辨率和信噪比，在血管成像方面具有十分可观的应用前景。然而，目前超高场 MRI技术在血管成像的实际应用中受到单模（T1 或T2）造影剂的低灵敏度和准确性的限制。浙江大学凌代舜教授和白瑞良教授合作，提出一种超高场 T1-T2 双模态磁共振血管成像策略，并首次设计合成基于超小氧化铁纳米粒子的 T1-T2 双模态超高场磁共振造影剂，能够在超高场下具有高效的磁共振对比能力，可以通过对比增强磁共振血管造影对血管结构进行实现高分辨率的成像，并且基于该造影剂的 T1-T2 双模态超高场动态对比增强磁共振成像能够对肿瘤血管通透性进行准确、灵敏的评估，对肿瘤、脑血管疾病和神经退行性疾病等血管相关疾病的诊断、预后、治疗效果评价具有重要意义 [177]。

皮肤再生一直是医学上的难点和热点，南京工业大学陈苏教授和东部战区总医院王革非教授合作，开发了一种可用于通过 3 个阶段形成大面积强健皮肤的方法，利用生物降解密封剂负载纳米纤维支架（sealant-loaded nanofiber scaffold，SNS）的制造、皮肤组织重建和皮肤再生，提供了一种简便的途径来再生大规模坚固的皮肤，这在腹壁缺损修复中显示出巨大的潜力 [178]。

小结


对于高水平研究论文的一般规律，我们在前2 年的《2018 年中国心血管领域主要基础研究回顾》[179] 和《2019 年中国心血管领域主要基础研究回顾》[173] 中都进行了初步的论述，包括重视转化价值、采用新技术和新材料以及注重学科的交叉等。2020 年，需要进一步强调的，仍然是“组学”和“成像”技术的广泛应用，基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学等多组学，在高水平的研究中得到了越来越广泛的应用。尤其是基于单细胞代谢组学甚至单细胞质谱的快速发展，大大推动了我们对疾病机制和防治策略的认识。这些组学技术，不仅应用于机制的发现，还被广泛应用于指标的分析。目前组学技术在医学研究中的应用，面临的瓶颈已经不是技术本身，而是海量数据的生物信息学分析。如何从大量的组学数据中合理地应用生物信息学技术、结合生物和医学知识进行梳理和分析，找出规律，讲出“故事”，并最终应用于临床疾病的诊疗，是今后基础研究的重要方向之一。无论是基础科研工作者还是临床研究者，都应积极和深入了解这些“组学”技术和生物信息学技术，并且找准生物和医学问题，合理地与这些领域的专家进行合作，为临床疾病的发病机制研究与诊断防治探索的提升提供强有力的手段。

  • 作者： 王怡玫 1    张岩 2   

  • 作者单位： 北京大学图书馆协同服务中心 1    北京大学基础医学院心血管研究所 分子心血管学教育部重点实验室 2   

  • 通信作者： 张岩，Email：zhangyan9876@pku. edu.cn

  • 关键词： 心血管疾病；基础研究；高水平论文

  • DOI： 10.3760/cma.j.cn116031.2021.1000079

  • 基金项目： 国家自然科学基金（31671177）； 科技部国家重点研发计划（2018YFA0800501）

  • 利益冲突： 无

  • 收稿日期： 2021-04-19

  • 录用日期： 2021-06-18

  • 本文编辑： 史红

    • 摘要中文

    无

    摘要英文

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    本研究主要材料与器材

    无

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      本文是年度基础研究系列综述，重点回顾了2020年国内研究团队发表在5年影响因子大于20分期刊上的39篇原创研究，作者按照研究方向进行了汇总、分析和讨论，为后续的心血管基础研究提供了参考和借鉴。综述对入选的文章准确而凝练的进行了总结，并通过充分的背景介绍将不同文章的内容相联系，能够体现出作者对各项研究的深入理解和融会贯通。尤其是对先进技术部分的论述，详细分析了当前研究技术的优势和应用领域，生动形象，具有很强的启发意义。
      第三军医大学第三附属医院 曾春雨
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