前言
年8月，德国亚琛工业大学的RafaelKramann团队和德国海德堡大学的JulioSaez-Rodriguez团队合作在Nature上发布了一篇题为“Spatialmulti-omicmapofhumanmyocardialinfarction”的研究论文。该论文采用单细胞转录组测序snRNA-seq、snATAC-seq和空间转录组分析stRNA-seq数据整合分析的方法，从多个层面对心肌梗死后不同时间点和不同部位的样本进行了比较，详细描述了心肌梗死后心脏重塑过程的细胞和分子特征。
研究背景
在世界范围内，心肌梗死是引起死亡的主要原因。尽管目前在紧急治疗方面取得了进步，但由于对心脏重塑过程的了解不完全，限制了相关疗法降低晚期死亡率的有效性。本研究作者使用心肌梗死病人和正常人在不同时间节点的心肌层样本，进行了多个生理区域的单细胞核基因表达分析（snRNA-seq），染色质开放度分析（snATAC-seq）和空间转录组分析（stRNA-seq），构建了心肌梗死后心脏重塑过程的整合高分辨率图谱。
多模态数据的整合能够以更高分辨率评估心脏细胞类型的组成，通过鉴定不同组织结构的损伤、修复和重构过程，从而研究心脏转录组和表观基因组水平的变化。作者鉴定了心脏主要细胞类型的疾病特异性细胞形态，并在其空间环境中进行了分析，评估了它们对其他细胞类型的依赖性。作者的数据阐明了人类心肌组织的分子原理，并重点概括了心肌损伤后心肌细胞和髓样连续体的特征变化。总之，该研究提供了人类心肌梗死的整合分子图谱，为该领域提供了重要参考。
研究结果
1、心肌梗死的多组学图谱
作者总计从23个人中获得了31个样本用以分析，其中包括4个对照组样本以及出现临床症状后不同时间点的12个缺血区域（IZ）样本、3个邻近区域（BZ）样本、6个偏远区域（RZ）样本和6个心肌梗死后期的纤维化区域（FZ）样本（图1a，b）。
作者使用细胞核荧光分选技术（FANS）获取用于snRNA-seq和snATAC-seq的细胞核样本（图1c）。过滤掉低质量细胞核后，用于snRNA-seq的细胞核共有个，平均每个细胞核有个基因；用于snATAC-seq的细胞核共有个，平均每个细胞核个片段；空间转录组数据集中共有个spots，平均每个样本有个spots，每个spot有个基因，组织学定量检测到平均每个spot中含有4个细胞核。
作者分别对snRNA-seq和snATAC-seq数据进行细胞类型的鉴定。在对snRNA-seq数据去除批次效应后进行样本间整合，使用文献中已知的marker基因对整合数据的聚类结果注释，最终鉴定了10个主要的心脏细胞类型以及1个富含细胞周期marker基因MK的细胞群（图1d和图1e）。同样，作者对snATAC-seq数据进行了样本间整合和聚类分析，注释细胞类群的marker基因与snRNA-seq一致，最终鉴定到了8个主要的细胞类型，与snRNA-seq数据中除了肥大细胞和脂肪细胞外的其余细胞类型保持一致（图1f和图1g）。这证实了在snRNA-seq和snATAC-seq大多数样本中以上8个主要细胞类型的存在，以及他们之间细胞组分的高度相关性。
图1-1
研究样本示意图与snRNA-seq、snATAC-seq细胞类型注释图
图片说明：
a)研究区域示意图，RZ：偏远区域；BZ：邻近区域；IZ：缺血区域；FZ：成纤维区域；b)样本时间点，P表示病人编号，星号表示仅用于验证的snRNA-seq样本(P21-P23)；c)取样方式：GEX表示基因表达;
d)所有样本snRNA-seq数据的的UMAP图。vCMs表示心室心肌细胞，vSMCs表示血管平滑肌细胞;
e)z-score转换后的marker基因平均表达热图,其中横坐标颜色与d图表示的细胞类型颜色一致;
f)所有样本snATAC-seq数据的的UMAP图;g)z-score转换后的marker基因染色质开放度，其中横坐标颜色与f图表示的细胞类型颜色一致。
2、空间细胞类型的分子定位
通过使用空间高变基因，作者首次鉴定了主要组织形态学区域中过表达的生物学过程，包括对照组和偏远区域的心肌细胞收缩、缺血区域和邻近区域的自适应免疫过程、以及纤维化区域的生成过程。由于空间转录组的每个spot中都捕获了一些细胞，作者根据来自同一样本的snRNA-seq注释数据对每个spot进行解卷积（图1h），并使用了PROGENy对每个spot的信号通路活性进行了评估（图1i），通过对空间局部通路与对应位置细胞丰度的比较，能够将空间细胞组成的信息与细胞功能联系起来。
作者又通过将snATAC-seq数据映射到空间，获得了基于空间分辨率的转录因子结合活性印迹，例如与心肌细胞相关的MEF2C基因、髓样细胞相关的CEBPD和ATF1基因等、成纤维细胞相关的FOS-JUNB基因、血管平滑肌相关的SRF基因等（图1j）。
图1-2
其他组学在空间转录组数据中的表征
图片说明：
h-j)其他组学在空间转录组数据中的表征。h为细胞类型；i为通路活性；j为转录因子结合活性。
从上至下依次为对照样本、邻近组织样本、缺血组织样本和成纤维组织样本。
3、心脏组织的空间结构
作者对空间转录组所有样本spots的细胞组成类型采用无监督聚类，鉴定得到了9个细胞类群并定义为主要的细胞类型生态位（niches）（图2a），并通过将这些niches在空间中可视化，发现一些niches与所在的样本状况非常相近，例如niche8在对照样本玻片平均分布，而niche5则定位于缺血区域的特定位置（图2b）。然后作者在所有niches中检测了来自于snRNA-seq的细胞类型注释信息，并观察到了4个肌源性细胞niches（1,7,8,9），其中主要包含心肌细胞、内皮细胞和周细胞，以及1个纤维化细胞niche（niche4），其中主要包含成纤维细胞、髓样细胞和淋巴细胞，和1个炎症细胞niche（niche5）。niche4包含更高比例的成纤维细胞，而niche5则包含更高比例的髓样细胞和淋巴细胞。最后，作者还观察到了跟部分罕见细胞类型关联的niches，例如，血管平滑肌细胞与niche3和6，脂肪细胞、淋巴细胞和周期细胞与niche2等等（图2c）。
为了探究spots内主要细胞类型的丰度是否可以用附近空间背景中的细胞类型组成进行预测，作者使用MISTy评估了三种不同相邻区域其它细胞类型的重要性（importance）：（1）在同一个spot中（图2d）；（2）在邻近区域（半径为1个spot）；（3）在延伸区域（半径为15个spots）。作者观察到内皮细胞对其所有spots内的vSMC，周细胞，脂肪细胞和心肌细胞的丰度最具预测性，可能反映了脉管系统细胞类型之间的依赖性(图2d)。淋巴细胞和髓样细胞表现出强烈的相互依赖性，与免疫细胞浸润和炎症的区域一致ーー类似地被niche5捕获(图2c，d)。此外，作者还观察到髓样细胞和成纤维细胞之间的强烈依赖性，二者在niche4中强烈共富集。
图2-1
心脏组织的细胞类型聚类和注释结果
图片说明：
a)基于细胞类型组成的空间转录组学spots的细胞类型niche定义和UMAP示意图;
b)对照和缺血区域样品中细胞类型niche的映射。箭头显示niche8(左)和niche4(右);
c)每个niche中细胞类型组成比例归一化中值。星号表示与其他niche相比，该niche中细胞类型的组成增加(单侧Wilcoxon秩和检验，padj0.05)。加粗星号和轮廓为文中主要讨论的组织模块;
d)细胞类型丰度预测spots内其他细胞类型丰度中的重要性中值。
4、心脏组织的结构变异
为了确定心肌梗死重塑过程中的总体组织差异，作者在分子和组成水平上比较了不同组织形态区域、时间点和个体的样本。作者定义了三个主要样本分组:肌源性富集(包括对照，邻近和偏远区域样本)，纤维化富集(包括所有纤维化区样本，除了一个)和缺血性富集(包括所有缺血区样本)样品，并在UMAP图中表现（图2e）。
然后作者分析了样本分组之间的细胞类型组成变化是否也反映为空间转录组学中主要细胞类型之间空间依赖性的变化。为此，他们比较了先前使用MISTy计算的每种主要细胞类型在三个不同样本分组之间的三种不同邻域类型(共定位，邻近和延伸邻域)中预测其他细胞类型的重要性。其中，与组织瘢痕形成过程存在更为广泛的缺血性富集样本和纤维化富集样本相比，成纤维细胞的分布仅在包围脉管系统的肌源性富集的样本中才能更好的被存在于邻近区域的vSMC预测（图2f）。
图2-2
不同样本分组之间细胞类型的差异
图片说明：
e)来自空间转录组学的所有患者样品的UMAP图。包括肌源性(对照，邻近区域和偏远区域)，缺血性和纤维化分组中主要细胞类型丰度的可视化;
f)左上角为vSMC丰度在肌源性，缺血性和纤维化分组中预测邻近区域成纤维细胞丰度的重要性(显示为双侧Wilcoxon秩和检验的P值),其余为肌源性样本（右上）和缺血性样本（下）中的解卷积的vSMC和成纤维细胞丰度。
5、心肌梗死后的分子变异
为了无差别研究样品间相似组织结构之间的分子差异，作者基于基因表达的spots聚类产生了一组分子生态位（niches）(图3a，b)，鉴定得到了与炎症和纤维化过程(niche3,6和9)，vSMC(niche11)和肌源性区域(niche1,2,4,5和12)相关的分子生态位(图3c)。富含心肌细胞的分子niches在缺血性富集的样品中减少，而纤维化和炎症的分子niches在富含肌原性的样品中减少(图3d)。此外，作者还观察到在心肌细胞中均有富集的分子niche1,2和4具有不同的分子特征（图3c）。总体而言，分子niche1在对照和偏远区域样品中富集，niche2在邻近区域样品中的受损组织区域富集(图3e，f)，表明这些组之间也可能存在心肌细胞表型的差异。
图3
心脏组织的分子聚类和细胞类型注释结果
图片说明：
a)基于基因表达的空间转录组学spots的分子niche定义和UMAP示意图；
b)分子niches的空间映射。箭头突出显示被分子niche3（富含PDGFRA+成纤维细胞）包围的分子niche11（富含MYH11+vSMC）；
c)每个niche中细胞类型组成比例归一化中值。星号表示与其他niches相比，该niche中细胞类型的组成增加（单侧Wilcoxon秩和检验，P0.05）；
d)分子niches在三个不同患者组中的分布。主要