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何愛彬牽頭北大北航跨學科團隊重構小鼠心臟發(fā)育全時空細胞譜系

2020年3月2日，北京大學分子醫(yī)學研究所和北京航空航天大學跨學科團隊在Nature Cell Biology發(fā)表題為“Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution”的文章，首次報道哺乳動物心臟早期發(fā)育過程的細胞譜系全景圖，揭示了從心管起源到心室建立，再到肌小梁形成的細胞動力學新機制。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41556-020-0475-2）

利用成像技術重構具單細胞分辨率且時間上連續(xù)的全細胞譜系，是發(fā)育生物學的難點和熱點。心臟作為哺乳動物胚胎發(fā)育中第一個形成的功能性器官，是其他組織器官發(fā)育的關鍵推動力。連續(xù)追蹤心臟發(fā)育的全細胞譜系主要難點來自三個方面：其一，哺乳動物胚胎體外培養(yǎng)條件下，如何保持心臟正常發(fā)育，同時實現(xiàn)長時程實時成像，避免光毒性對胚胎發(fā)育的影響；其二，胚胎的細胞異質性高，成像深度和視場大，如何實現(xiàn)全胚成像（in toto imaging）、如何處理海量圖像數(shù)據(jù)（~2T/天）以精準地識別細胞并追蹤譜系。其三，心臟成像還面臨一個更加特殊的挑戰(zhàn)—小鼠胚胎期心跳每分鐘達200次,需要有新技術新策略在跳動的心臟上獲得單細胞分辨率的圖像。

本項研究全面突破了上述一系列挑戰(zhàn)。研究人員設計并優(yōu)化了新的胚胎培養(yǎng)體系，保證了胚胎體外正常發(fā)育；研發(fā)了一套適應拍攝小鼠胚胎發(fā)育的垂直式雙側掃描光片顯微鏡（vSPIM），提供了單細胞分辨率、足夠大的視場和成像的靈活性（溫度、氣體、壓力控制及培養(yǎng)基循環(huán)）；與vSPIM一體化搭建的紅外心跳檢測模塊解決了胚胎心跳與高精度成像的矛盾。通過開發(fā)一系列適應海量圖像數(shù)據(jù)預處理程序和細胞識別算法，取得了前所未有的細胞識別精度（99.68%）。系統(tǒng)整合后（圖一），實現(xiàn)了長達1.5天心臟全部心肌細胞的連續(xù)成像（從約300個到8000多個細胞，總細胞識別數(shù)約2百萬個）和時間分辨率為3分鐘的全細胞譜系追蹤。

研究結果清晰地揭示了心室形態(tài)發(fā)生細胞動力學與肌小梁的細胞起源與機制。在心室膨大過程中，最外層細胞具有遠離心室中心，沿著外殼膨大方向遷移的特性。最外層細胞定向性遷移所造成的細胞空隙，可由其它層細胞的插入和最外層細胞的水平分裂來補充。首次發(fā)現(xiàn)肌小梁細胞有兩種起源，一類是細胞命運預先決定的肌小梁原始細胞：內層細胞從開始的心肌細胞分化就位于內層，后續(xù)通過自我增殖不斷貢獻給肌小梁形成，另一類則起源于外層細胞，但通過遷移或者有偏向性的細胞分裂定植于內層（圖二）。

研究項目由何愛彬實驗室牽頭，聯(lián)合程和平團隊和北京航空航天大學肖文磊老師等完成。北京大學分子醫(yī)學研究所博士生岳晏竹，宗偉健，李鑫，張幼東，吳潤龍，軟件與微電子學院碩士生李京航為該論文的第一作者，何愛彬研究員，程和平教授和肖文磊副教授為論文的共同通訊作者。合作者還包括中科院生化與細胞所的周斌研究員和北航的趙罡教授。感謝國家自然科學基金委，國家科技重大專項，科技部重點研發(fā)計劃和生命科學聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。團隊成員也承擔了由北京大學牽頭的十三五“多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像”國家重大科技基礎設施建設任務。

圖一. 自主開發(fā)的垂直式光片顯微鏡系統(tǒng)

圖二. 心室肌小梁譜系起源與形成機制

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視頻一. 小鼠胚胎原始心臟心管起源發(fā)生過程

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視頻二. 小鼠胚胎心臟心室發(fā)育過程