高等生物的细胞、组织具有很高的空间异质性，细胞在组织样本中的相对位置，及基因表达的空间信息对于研究疾病的病理学及生物发育都是非常重要的。
单细胞测序技术分辨率和检测通量的大幅度提高，使得研究者能够在单细胞分辨率上得到细胞之间的异质性，而空间转录组则为研究者提供了组织中细胞所处的空间信息，及组织中不同区域的细胞构成和基因表达状态，但由于最新的空间转录组技术还达不到单细胞的分辨率，因此目前比较常见的是空间转录组联合单细胞测序技术一起应用。
研究背景
冠心病导致的心肌梗死myocardialinfarction(MI)是心血管疾病死亡率的最大贡献者，也是全世界人口死亡的主要原因。目前在心肌梗死的治疗方面已经取得了巨大进展，经皮冠状动脉介入治疗使得心肌梗死的死亡率大幅度下降。然而，心肌梗死后左心室重构引起的发病率和死亡率仍然高得不可接受。心肌梗死后的心脏重构涉及免疫细胞的招募和梗死区域的划分，然后是组织消化、吞噬、肌成纤维细胞激活、瘢痕形成和新血管生成。在空间背景下了解从急性缺血事件到慢性心脏瘢痕形成的心脏重构过程的确切细胞核分子机制是开发新疗法的关键。最近，德国亚琛大学荷兰鹿特丹伊拉斯谟医学中心RafaelKramann教授等在预印本bioRxiv上发表了题为Spatialmulti-omicmapofhumanmyocardialinfarction的研究成果。研究利单细胞核转录组snRNA-seq、单细胞核染色质可及性scATAC-seq和空间转录组Visium技术首次定位了处于稳态和心肌梗死后不同阶段的人类心肌组织，并生成了心脏重构的多组学高分辨率整合图谱。研究思路
作者选取4例心肌梗死患者、1例健康供者，8例左心室组织标本；分为缺血坏死区、边界区、远端区、纤维化区，每个区各2个样本做snRNA-seq、scATAC-seq和空间转录组测序，然后进行联合分析生成了心脏重构的多组学高分辨率整合图谱。研究结果
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单细胞测序揭示人类心脏细胞类型的异质性
snRNA-seq共获得个核转录组，平均每个核个基因；scATAC-seq共检测到个核的开放染色质，平均每个核个片段(n=7)；空间转录组平均每个样本包含.5个spot，每个spot包含个基因。进一步对scRNA-Seq进行细胞类型注释共鉴定到10种主要的细胞类型和几个亚群(总共n=24个簇)，而scATAC-seq能够鉴定到在snRNA-seq数据中确定的10种主要细胞类型中的8种细胞类群。空间样本的差异分析及富集分析能清晰地反映心肌梗死后生物过程的已知区域。图1：人健康与疾病类心脏的多组学分析2
健康人心脏的多组学综合分析
研究者从健康人心脏样本的snRNA-seq(n=8,)和snATAC-seq(n=3,)数据中鉴定到12种细胞亚群。snATAC-seq数据的转录因子(TF)足迹分析发现许多已知的细胞特异性TF的结合活性。对同一左心室组织的空间转录数据聚类，得到11个不同的细胞类群。差异基因表达分析表明，心肌细胞是独立空间簇的主要转录贡献者。接下来，作者整合了snRNA-seq和snATAC-seq数据，并将细胞类型映射到相应的空间转录组数据上。结果显示，在三个不同的区域(空间簇1、6和7)观察到三种不同的内皮细胞群体(内皮细胞1-3)，可能与空间动脉信号生态位，心内膜起源等有关。图2：健康人心脏的多组学分析
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不同基因表达调控对缺血区划分的可视化研究
研究者在急性人类心肌梗死组织缺血区标本的snRNA-seq和snATAC-seq数据中鉴定到4种不同的细胞类群。研究者在空间标本中心确定了一个核心缺血区（cluster3），对该区域及周边的基因表达分析发现其表达特征与病理分区一致。snATAC-seq与空间转录组联合分析表明，对缺血相关细胞死亡的反应有明显的空间基因调控，而基因调控驱动着急性心脏损伤反应。图3：人心肌缺血组织的空间基因表达分析
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交界区心肌细胞亚群的空间分布特征
交接区的空间重构与心功能的恢复有着千丝万缕的联系，研究者在样本的中心(簇1)确定了一个特定的空间过渡区。该区域的snRNA-seq(n=6,)数据中鉴定出13种细胞类型，从snATAC-seq(n=3,)中鉴定出8种细胞类型，两组数据都确定了两个不同的心肌细胞群体(心肌细胞1和2)，心肌细胞1仅位于移行区(损伤区)以下，心肌细胞2主要位于移行区之上。交界区有不同的基因表达和调控，心肌细胞亚群位于不同的损伤、炎症和重塑区域。
图4：心脏边缘区基因调控变化分析5
心肌梗死后的心肌重构
心肌梗死后瘢痕的形成对心脏组织的完整性很重要。空间转录数据的聚类显示，这两个瘢痕排列成不同的簇(簇2和簇9)，并被反映新血管生成的更大面积的内皮细胞分开。我们从snRNA-seq(n=2,)和snATAC-seq(n=1,)中鉴定出不同的成纤维细胞和内皮细胞亚群，它们在这两个瘢痕上显示了有趣的空间分布。snRNA和snATAC与空间转录的整合分析结果表明两个瘢痕区域之间存在时间上的差异，表现为较年轻的瘢痕(右上)具有强烈的缺氧信号和明显的成纤维细胞亚群，中心有一个较老的慢性大型瘢痕，涉及FOS、Smad2/3、NRF1和RUNX1的高基质产生。图5：人心肌纤维化的瘢痕差异分析6
RUNX1是人类心脏肌成纤维细胞分化的调节因子
我们从整合的snRNA-seq数据集中对所有成纤维细胞进行了重新聚类，并确定了9个亚类，这表明心脏间质存在未被认可的异质性。拟时序分析推测SCARA5+细胞向POSTN+细胞分化，对拟时序轨迹基因、通路和Go-Term(基因本体)进行了分类，证明了整合素信号和ECM通路的晚期富集与成纤维细胞到肌成纤维细胞的分化是一致的。我们的数据表明RUNX1是肌成纤维细胞分化的重要驱动因子，并且通过放大TGFβ信号发挥作用。结合已知的RUNX1在心肌细胞中的作用，该转铁蛋白可能成为治疗心肌梗死后心脏重塑的一个非常有前景的靶点。
图6：心肌成纤维细胞分化的轨迹分析
综上所述
单细胞测序是近年来生命科学领域最热门的新技术之一，结合单细胞测序及空间转录组测序能够在时空维度上了解样本的基因表达模式，这对于肿瘤及发育生物学等领域的研究都具有非常重要的意义。在本研究中，作者通过多组学联合的方法，提高细胞类型组成的空间分辨率，并通过识别损伤、修复和重塑的不同细胞区域，提供对心脏转录组和表观基因组的空间分辨率洞察力。鉴定并验证了成纤维细胞向肌成纤维细胞分化从而驱动心脏纤维化的机制。提供了一个完整的人类心肌梗死分子图谱，为进一步研究心脏病的机制和治疗提供了参考。博奥晶典空间转录组测序
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