Cardiac Reprogramming and Gata4 Overexpression Reduce Fibrosis and Improve Diastolic Dysfunction in Heart Failure With Preserved

該篇文章于2024年發表于《Circulation》，文章的核心內容是研究心臟重編程和Gata4過表達在射血分數保留的心理衰竭（HFpEF）中的作用。

一、     研究背景

射血分數保留的心力衰竭（HFpEF）是一個嚴峻的全球性健康問題，其患者約占全球心力衰竭患者的一半，患病率持續上升，死亡率與射血分數降低的心力衰竭相近。目前，針對 HFpEF 的有效治療手段極為有限。

HFpEF 的發病機制涉及多個方面，是多種病理生理過程相互作用的結果。心臟纖維化在 HFpEF 的發生和發展中起著關鍵作用，它既是多種病理變化的原因，也是其結果，進而形成疾病進展的前饋循環 。

心臟成纖維細胞（CFs）作為心臟間質的主要細胞類型，與心肌細胞、內皮細胞、免疫細胞和平滑肌細胞等多種細胞密切相互作用。在 HFpEF 的病理狀態下，CFs 被激活，這種激活狀態的改變會導致細胞外基質（ECM）的過度沉積，最終引發間質和血管周圍纖維化。然而，目前對于 HFpEF 中纖維化的具體細胞和分子機制仍未完全明確，這也成為開發有效治療策略的一大障礙。

在探索 HFpEF 治療方法的過程中，心臟重編程技術展現出了一定的潛力。該技術通過過表達轉錄因子Mef2c/Gata4/Tbx5/Hand2（MGTH）將 CFs 轉化為誘導心肌細胞（iCMs），在心肌梗死中顯示再生和抗纖維化作用，為心肌梗死的治療帶來新的希望。

二、     研究結果

1.       心臟重編程逆轉了射血分數保留的HFpEF中的舒張功能障礙

研究人員為探究心臟重編程在HFpEF中的作用，使用新開發的Tcf21^iCre/Tomato/MGTH2A三轉基因（TTg）小鼠系統，給予他莫昔芬誘導心臟成纖維細胞（CFs）發生心臟重編程，且他莫昔芬處理能誘導CFs中MGTH和番茄紅素（Tomato）表達，同時證實TTg小鼠心臟中Tomato+細胞中MGTH顯著上調，且單獨MGTH表達不誘導小鼠表型變化。接著，將對照小鼠和TTg小鼠構建“雙打擊”HFpEF模型，5周后部分小鼠用他莫昔芬誘導心臟重編程。實驗分Ctrl-chow組、TTg-chow組、Ctrl-HFpEF組和TTg-HFpEF組進行分析，發現MGTH過表達不影響小鼠食物攝入，Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF組小鼠15周內保持肥胖、高血壓且心臟收縮功能保留。而TTg-HFpEF小鼠在10周和15周時，經超聲心動圖評估左心室舒張功能顯著改善，15周時左心室壁肥厚和舒張速度（E'波）也有所改善，心臟導管插入術顯示其左心室舒張末期壓力和舒張末期壓力 - 容積關系得到改善，跑步機測試表明運動耐量也有所提高。綜上，心臟重編程可逆轉HFpEF小鼠左心室舒張功能障礙，改善心臟功能。

2.       心臟重編程改善了射血分數保留的HFpEF患者的心臟肥大、纖維化、微血管稀疏以及炎癥狀況

研究人員分析了15周時Ctrl-chow、TTg-chow、Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF小鼠心臟病理變化，發現Ctrl-HFpEF小鼠心臟肥大、纖維化、炎癥細胞增多、毛細血管密度降低，而TTg-HFpEF小鼠這些情況得到改善，且MGTH過表達抑制心臟肥大、減輕纖維化。10周齡Ctrl-HFpEF小鼠心臟纖維化與舒張功能障礙相關，TTg-HFpEF小鼠經他莫昔芬處理后纖維化減輕、舒張功能改善。此外，TTg-HFpEF小鼠約1%的Tomato陽性細胞轉化為iCMs ，部分為成熟型且無不良影響，表明MGTH過表達通過改善多種心臟問題并誘導iCMs生成來改善HFpEF。

3.       心臟重編程上調了射血分數保留的HFpEF中與心肌相關的基因，并抑制了纖維化和炎癥相關的特征

研究人員為探究心臟重編程在HFpEF中誘導的分子變化，對15周齡的Ctrl-chow、Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF小鼠心室進行bulk RNA-seq分析，發現Ctrl-HFpEF小鼠相比Ctrl-chow小鼠，纖維化和炎癥相關基因簇上調、心臟功能相關基因簇下調，而TTg-HFpEF小鼠則相反，說明體內心臟重編程可改善心臟功能。此外，利用單細胞RNA-seq分析TTg-HFpEF心室的心臟間質細胞分子特征，獲得36786個單細胞轉錄數據集，聚類出9種細胞群，Tcf21和Tomato僅在CF簇表達，且CFs與其他間質細胞通過多種途徑相互作用，影響毛細血管密度和炎癥 。

4.       心臟重編程抑制了射血分數保留的HFpEF中多個CF簇的促纖維化特征

研究人員運用單細胞 RNA 測序研究 HFpEF 和心臟重編程時 CFs 的變化，發現 CF 群體可分 6 個簇，各有不同功能特點。Ctrl-HFpEF小鼠與Ctrl-chow 小鼠相比，部分 CF 簇比例有變化，但與TTg-HFpEF 小鼠差異不顯著，CF5 比例在三組中無差異。進一步分析基因表達發現，Ctrl-HFpEF小鼠多個 CF 簇中與纖維化相關基因上調，TTg-HFpEF小鼠則抑制這些基因，且兩組 ECM 評分變化趨勢相反。總之，多個 CF 簇的促纖維化轉錄變化是 HFpEF 纖維化主因，心臟重編程可逆轉該變化。

5.       在射血分數保留的HFpEF中，CF簇對間質纖維化和血管周圍纖維化有著不同的影響

單細胞RNA-seq無法提供 CF 簇空間信息，研究人員開展空間轉錄組學分析。結果顯示，HFpEF 使纖維化相關基因表達分布不均，CF1-4 中 Col3a1和 Sparc 在Ctrl-HFpEF 小鼠心室彌漫性上調，CF5 中 Postn 和 Ccn2 局灶性上調。整合分析表明，CF1 和 CF3 主要促成彌漫性間質纖維化，CF4-6 與血管周圍纖維化有關，且 Postn 在Ctrl-HFpEF 小鼠血管周圍高表達，在TTg-HFpEF 小鼠中減少，說明不同 CF 簇在 HFpEF 心肌纖維化中作用不同。

6.       在CFs中過表達Gata4改善了射血分數保留的HFpEF患者的心臟纖維化和舒張功能障礙

研究人員為探究單個重編程因子對 HFpEF 心臟功能的影響，構建轉基因小鼠分別表達 Gata4、Mef2c、Tbx5 和 Hand2。體外實驗發現，僅 Gata4 過表達能誘導抗纖維化作用且不產生新的 iCMs。體內實驗通過構建他莫昔芬誘導型雙轉基因小鼠并誘導 HFpEF，結果顯示，Gata4 過表達可改善心臟功能，減輕纖維化，下調纖維化相關基因，減少增殖性 CFs，恢復毛細血管密度，表明 Gata4 過表達足以改善 HFpEF 。

7.       Gata4通過抑制Meox1來抑制CF的活化

研究人員發現 Gata4 在 HFpEF 中的抗纖維化機制，發現 HFpEF 心室中 Meox1 上調，過表達 Gata4 可抑制其表達。體外實驗表明 Gata4 主要通過抑制 Meox1 抑制 CF 激活，且 Gata4 可直接結合 Meox1 增強子區域抑制其表達。此外，CFs 可旁分泌影響心肌細胞功能，Gata4 過表達在人 CFs 中也有抗纖維化作用。

三、     研究結論

該篇文章系統性地證實了心臟重編程(特別是Gata4過表達)通過抑制Meox1減輕纖維化、改善HFpEF的療效。研究創新性地揭示了HFpEF中不同CF亞群對纖維化類型的特異貢獻。雖然在臨床轉化方面仍存在障礙，但該研究為HFpEF治療提供了新的思路和靶點。