8月21日，国际学术期刊Science在线发表了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）周斌研究组与香港中文大学吕爱兰研究组合作完成的最新研究成果“Tracing the origins of de novo coronary collateral formation in cardiac repair”。该研究建立了多种新型遗传谱系追踪工具，系统解析了心肌梗死后新生冠状侧支动脉的细胞来源及形成机制。该研究重新定义了冠状动脉侧支循环形成的生物学基础，并为促进心脏缺血损伤修复提供了新的干预思路。
心血管疾病尤其是冠状动脉疾病仍是全球死亡和致残的重要原因。当冠状动脉发生堵塞时，下游心肌组织因缺血缺氧而发生心肌梗死。临床上常采用支架植入或冠脉搭桥等方式恢复血流供应，但这些治疗方式具有侵入性，并可能引发支架内再狭窄、血栓及桥血管再狭窄等。因此，如何激活机体自身的血管再生能力，实现缺血组织的自然再灌注，一直是心血管领域关注的重要问题。而冠状侧支动脉被誉为心脏天然的“旁路系统”，能够绕过阻塞血管，为缺血区域提供替代血流，并且与更好的临床预后密切相关。长期以来，研究认为侧支循环主要来源于既存小动脉的扩张重塑（arteriogenesis）。然而，越来越多研究发现，即使缺乏预存动脉分支，心脏仍能够在损伤后新生侧支动脉。而关于这些新生侧支动脉究竟来源于哪里，目前学界仍存在争议。
以往研究认为，新生侧支动脉通过“动脉重新装配（artery reassembly）”形成，即原有动脉内皮细胞迁移、增殖后重新排列组装成为新的侧支动脉。然而，该结论主要依赖于Cx40-CreER遗传示踪系统，而这一系统不仅同时标记部分毛细血管内皮细胞，而且受到诱导剂他莫昔芬残留效应及新形成的侧支动脉也表达Cx40进而直接被标记上的影响，从而导致谱系追踪结果的解释出现偏差。
为了准确解析侧支动脉的真实来源，研究团队首先以新生期小鼠心脏为研究对象。由于新生小鼠在心肌梗死后能够明显地形成连接左右冠状动脉的新生侧支动脉，而这些区域在损伤前并不存在动脉，因此成为追踪侧支动脉起源的理想模型。通过单细胞转录组测序和双同源重组酶谱系追踪技术，研究团队发现，传统意义上的动脉标志物Cx40不仅表达于动脉内皮细胞，还表达于一群具有动脉形成潜能的毛细血管内皮细胞中，并在损伤后参与新生侧支动脉的构建。这一发现表明，既往依赖Cx40-CreER系统开展的谱系示踪研究除了受到他莫昔芬持续活化效应的影响外，还可能受到标记细胞异质性的干扰。
为了避免传统谱系示踪系统带来的干扰，研究团队进一步开发了多套创新性的遗传追踪工具。其中包括基于双同源重组酶的高严格性谱系示踪系统，以及一种由细胞接触触发的synNotch遗传记录系统。该synNotch系统无需依赖他莫昔芬诱导，也不依赖任何动脉特异性标志物，利用成熟动脉内皮细胞周围有平滑肌细胞包裹的特性，能够准确记录与血管平滑肌细胞接触过的成熟动脉内皮细胞。利用这些新工具，研究团队重新评估了心肌梗死后侧支动脉的形成过程。结果显示，仅有少量新生侧支动脉来源于原有动脉内皮细胞，大多数侧支动脉来源于非动脉内皮细胞。
为了进一步明确不同血管内皮细胞对侧支动脉形成的贡献，研究团队开发了一套新型遗传谱系追踪系统。该系统能够实现原有动脉内皮细胞标记的同时，特异性记录由毛细血管转变而来的动脉内皮细胞，从而有效避免大量毛细血管信号的干扰，更加精准、直观地解析新生侧支动脉的细胞来源。利用该系统，研究人员发现，大多数新生侧支动脉来源于毛细血管内皮细胞，而仅有少量来源于既有动脉内皮细胞（包括部分Cx40阳性细胞）。这一结果有力证明，毛细血管是心脏损伤后新生侧支动脉形成的主要细胞来源，而非原有动脉。
研究团队进一步通过遗传学手段特异性清除毛细血管来源的新生侧支动脉。结果发现，侧支动脉缺失后，心肌纤维化程度明显加重，心肌损伤面积显著扩大，表明这些新生侧支动脉在恢复缺血区域血流灌注以及促进心脏修复与再生过程中发挥着关键作用。
研究团队进一步发现这种毛细血管向动脉转化的能力不仅存在于新生鼠心脏中，在成年小鼠心肌梗死后同样能够观察到。在机制研究方面，研究团队重点关注了VEGF信号通路在侧支动脉形成中的作用。研究发现，持续激活VEGF受体虽然能够促进毛细血管获得动脉特征，但会阻碍血管进一步成熟，无法显著改善心脏功能。相比之下，通过修饰mRNA（modRNA）技术短暂高表达VEGFA，则能够有效促进功能性动脉形成，显著减少心肌瘢痕面积并改善心功能。
为了进一步揭示其分子机制，研究团队发现转录因子YY1在心梗后的内皮细胞中显著上调，并受到VEGFA调控。遗传学实验证明，敲除YY1会明显削弱毛细血管向动脉转化的能力。随后，研究人员结合RNA测序、CUT&RUN、ChIP-qPCR等技术发现，YY1通过招募组蛋白甲基转移酶SETD1A，促进H3K4三甲基化修饰，从而增强Notch信号通路关键下游因子HES1转录活性，最终驱动毛细血管内皮细胞向动脉命运转变。研究由此描绘出一条VEGFA–YY1–SETD1A–H3K4me3–HES1调控侧支动脉形成的关键信号通路。
综上，该研究利用创新性的遗传谱系追踪技术，发现心肌缺血后新生冠状侧支动脉主要来源于毛细血管内皮细胞，而非原有动脉重排组装；同时揭示了VEGFA驱动毛细血管动脉化的关键表观遗传调控机制。该研究不仅重新定义了冠状侧支动脉形成的细胞学基础，也为促进心脏血运重建和缺血性心脏病的治疗提供了重要理论依据和潜在干预靶点。
分子细胞卓越中心周斌研究员和香港中文大学吕爱兰教授为该论文共同通讯作者。分子细胞卓越中心博士后张铭珺、副研究员韩茂莹，香港中文大学博士生侯杨峰，分子细胞卓越中心博士后刘子鑫、博士生王奕琏为该论文共同第一作者。该研究得到上海南方模式生物科技股份有限公司、江苏集萃药康生物科技股份有限公司、分子细胞卓越中心动物实验技术平台，细胞分析技术平台和分子生物学技术平台的大力支持。该研究得到中国国家重点研发计划、深圳医学研究基金、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院基础研究青年科学家项目、香港研究资助委员会、上海市基础研究特区计划、上海市自然科学基金、上海市市级科技重大专项、中国科学院—裘槎基金会联合实验室资助计划、新基石研究员项目的联合资助。
文章链接：https://doi.org/10.1126/science.ady3027
新生侧支动脉形成的细胞机制
