Nature Medicine：猪心脏异种移植到人体后的多组学分析

2024年5月，麻省理工学院与哈佛大学Broad研究所、东芬兰大学、纽约大学朗格尼医学中心等单位的科研人员在《Nature Medicine》（IF：82.9）发表了“Integrative multi-omics profiling in human decedents receiving pig heart xenografts”的研究论文，揭示了两名人类受者对猪心脏异种移植的不同反应，为异种移植后早期分子和免疫反应提供了新见解。

  研究背景：

供体器官的严重短缺仍然是人类异体器官移植的主要限制因素，等待器官移植的人数大大超过了可用供体的数量。转基因猪的器官为人类移植提供一些优势，可能有助于缓解目前合适器官短缺的问题。利用最近去世的人类脑死亡供体（受者）和关键异种抗原基因敲除模型（包括α-1,3-半乳糖基转移酶（α-1,3-Gal））进行的研究进展，使异种移植从临床前灵长类动物实验过渡到人类。

纵向多组学分析已成为生物学和疾病背景下发现新的生物标志物的有力工具。单细胞和空间转录组学的最新进展可以实现详细的RNA表达分析并了解细胞间的相互作用，为复杂的生物过程提供重要见解。

在2022年6月16日和7月6日，研究人员将两颗猪心脏分别移植到人类受者1（男性，D1）和受者2（女性，D2）体内。为了了解异种移植后的详细分子情况，研究人员进行了纵向多组学分析。先将26个纵向血液scRNA-seq的时间点（D1 14个，D2 12个）整合到二维（2D）空间中，并使用Leiden聚类来归纳外周血单个核细胞（PBMC）类型，发现T细胞和自然杀伤（NK）细胞在D1的后期显著增加。在早期，D1中观察到B细胞群的大量增加。在D2中，细胞类型分布没有大的变化。

研究人员利用Bulk RNA-seq、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学分析猪心脏异种移植后受者血浆中PBMCs的时间差异表达，在移植前0h~66h对D1和D2每隔6h处理一次多组学数据。结果发现异种移植后42h的D1的RNA-seq、蛋白质、脂质、细胞因子和代谢物的变化开始增加，富含代谢过程（糖酵解和丙酮酸代谢），脂质代谢（过氧化物酶体和脂肪酸降解），肝损伤以及免疫反应（抗原递呈和处理）和坏死。这些发现反映两种手术的临床过程，伴随着肝功能异常的多种临床生物标志物（国际标准化比率（INR，一种凝血时间指标）、丙氨酸转氨酶（ALT）和天冬氨酸转氨酶（AST））的变化轨迹，代表了器官衰竭的发生，与坏死通路激活的检测结果一致。因此，多组学整合呈现出与免疫反应和代谢变化相关标志物的显著增加，这些标志物是D1特有的而D2不存在，这加强并验证了上文所述的免疫细胞反应。

为了比较正常和缺血再灌注损伤（IRI）条件下体内猪心脏的组成和转录信号，研究人员将异种移植snRNA-seq数据与最近发表的猪心脏公开snRNA-seq数据集进行整合，其中包括5种不同条件下的15个样本：缺血0、1和7 h，体外膜肺氧合（ECMO），OrganEx再灌注。同时观察猪主要的心脏细胞类型，包括心肌细胞（CMs）、血管内皮细胞（VECs）、成纤维细胞（FBs）、免疫细胞、平滑肌细胞（SMCs）、周细胞（PERs）和施万细胞。与公开的猪心脏snRNA-seq数据集相比，异种移植样本中观察到FBs比例较高，VECs细胞核比例较低，这可能是由于活检位置的差异。接着，研究人员对异种移植样本中两种最丰富的细胞类型CMs和FBs进行了富集分析，CMs中表现出与D1特异性相关的信号，在FBs中，D1中最富集的通路也在D2中富集，这些通路大多是复制和细胞分裂相关的信号。

研究人员通过空间转录组学和组织学分析，发现异种移植中存在除缺氧信号外的血管损伤和血管重塑过程。之前的一项研究探讨了猪到灵长类动物移植过程中的整体转录变化，描述了与围手术期心脏异种移植物功能障碍（PCXD）相关的基因，将这些基因映射回空间转录组学和snRNA数据显示，发现在PCXD过表达的几个基因如CXCL14和PHLDA2，在异种移植（尤其在D1）中表达更为显著，血管相关细胞类型引起的差异表达模式也证实了D1的转录特异性。VECs和PERs的Pseudobulk水平差异表达揭示D1特异性重塑（血管生成中的整合素）和分裂（E2F靶点）途径。通过进一步分析表明，VEC炎症主要发生在VEC-4和VEC-9亚群，在再灌注样本和D1中富集。同样，在PER-SMC群体中也观察到类似的模式，即PER-SMC-3。此外，PER-SMC-6是基于其细胞周期评分的分裂细胞群，并且特异性存在于异种移植模型中，在D1中更普遍。

总之，该研究通过多组学分析描绘了两名人类受者对猪心脏异种移植的不同反应，首次报道了猪心脏移植到人类模型中的PCXD病例。这些发现可能有助于开发有针对性的治疗方法，以限制缺血再灌注损伤相关表型并改善预后。