医学前沿：心脏重编程与 Gata4，HFpEF 治疗的新方向

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

该篇文章于2024年发表于《Circulation》，文章的核心内容是研究心脏重编程和Gata4过表达在射血分数保留的心理衰竭（HFpEF）中的作用。

一、     研究背景

射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）是一个严峻的全球性健康问题，其患者约占全球心力衰竭患者的一半，患病率持续上升，死亡率与射血分数降低的心力衰竭相近。目前，针对 HFpEF 的有效治疗手段极为有限。

HFpEF 的发病机制涉及多个方面，是多种病理生理过程相互作用的结果。心脏纤维化在 HFpEF 的发生和发展中起着关键作用，它既是多种病理变化的原因，也是其结果，进而形成疾病进展的前馈循环 。

心脏成纤维细胞（CFs）作为心脏间质的主要细胞类型，与心肌细胞、内皮细胞、免疫细胞和平滑肌细胞等多种细胞密切相互作用。在 HFpEF 的病理状态下，CFs 被激活，这种激活状态的改变会导致细胞外基质（ECM）的过度沉积，最终引发间质和血管周围纤维化。然而，目前对于 HFpEF 中纤维化的具体细胞和分子机制仍未明确，这也成为开发有效治疗策略的一大障碍。

在探索 HFpEF 治疗方法的过程中，心脏重编程技术展现出了一定的潜力。该技术通过过表达转录因子Mef2c/Gata4/Tbx5/Hand2（MGTH）将 CFs 转化为诱导心肌细胞（iCMs），在心肌梗死中显示再生和抗纤维化作用，为心肌梗死的治疗带来新的希望。

二、     研究结果

1.       心脏重编程逆转了射血分数保留的HFpEF中的舒张功能障碍

研究人员为探究心脏重编程在HFpEF中的作用，使用新开发的Tcf21iCre/Tomato/MGTH2A三转基因（TTg）小鼠系统，给予他莫昔芬诱导心脏成纤维细胞（CFs）发生心脏重编程，且他莫昔芬处理能诱导CFs中MGTH和番茄红素（Tomato）表达，同时证实TTg小鼠心脏中Tomato+细胞中MGTH显著上调，且单独MGTH表达不诱导小鼠表型变化。接着，将对照小鼠和TTg小鼠构建“双打击"HFpEF模型，5周后部分小鼠用他莫昔芬诱导心脏重编程。实验分Ctrl-chow组、TTg-chow组、Ctrl-HFpEF组和TTg-HFpEF组进行分析，发现MGTH过表达不影响小鼠食物摄入，Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF组小鼠15周内保持肥胖、高血压且心脏收缩功能保留。而TTg-HFpEF小鼠在10周和15周时，经超声心动图评估左心室舒张功能显著改善，15周时左心室壁肥厚和舒张速度（E'波）也有所改善，心脏导管插入术显示其左心室舒张末期压力和舒张末期压力 - 容积关系得到改善，跑步机测试表明运动耐量也有所提高。综上，心脏重编程可逆转HFpEF小鼠左心室舒张功能障碍，改善心脏功能。

2.       心脏重编程改善了射血分数保留的HFpEF患者的心脏肥大、纤维化、微血管稀疏以及炎症状况

研究人员分析了15周时Ctrl-chow、TTg-chow、Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF小鼠心脏病理变化，发现Ctrl-HFpEF小鼠心脏肥大、纤维化、炎症细胞增多、毛细血管密度降低，而TTg-HFpEF小鼠这些情况得到改善，且MGTH过表达抑制心脏肥大、减轻纤维化。10周龄Ctrl-HFpEF小鼠心脏纤维化与舒张功能障碍相关，TTg-HFpEF小鼠经他莫昔芬处理后纤维化减轻、舒张功能改善。此外，TTg-HFpEF小鼠约1%的Tomato阳性细胞转化为iCMs ，部分为成熟型且无不良影响，表明MGTH过表达通过改善多种心脏问题并诱导iCMs生成来改善HFpEF。

3.       心脏重编程上调了射血分数保留的HFpEF中与心肌相关的基因，并抑制了纤维化和炎症相关的特征

研究人员为探究心脏重编程在HFpEF中诱导的分子变化，对15周龄的Ctrl-chow、Ctrl-HFpEF和TTg-HFpEF小鼠心室进行bulk RNA-seq分析析，发现Ctrl-HFpEF小鼠相比Ctrl-chow小鼠，纤维化和炎症相关基因簇上调、心脏功能相关基因簇下调，而TTg-HFpEF小鼠则相反，说明体内心脏重编程可改善心脏功能。此外，利用单细胞RNA-seq分析TTg-HFpEF心室的心脏间质细胞分子特征，获得36786个单细胞转录数据集，聚类出9种细胞群，Tcf21和Tomato仅在CF簇表达，且CFs与其他间质细胞通过多种途径相互作用，影响毛细血管密度和炎症 。

4.       心脏重编程抑制了射血分数保留的HFpEF中多个CF簇的促纤维化特征

研究人员运用单细胞 RNA 测序研究 HFpEF 和心脏重编程时 CFs 的变化，发现 CF 群体可分 6 个簇，各有不同功能特点。Ctrl-HFpEF小鼠与Ctrl-chow 小鼠相比，部分 CF 簇比例有变化，但与TTg-HFpEF 小鼠差异不显著，CF5 比例在三组中无差异。进一步分析基因表达发现，Ctrl-HFpEF小鼠多个 CF 簇中与纤维化相关基因上调，TTg-HFpEF小鼠则抑制这些基因，且两组 ECM 评分变化趋势相反。总之，多个 CF 簇的促纤维化转录变化是 HFpEF 纤维化主因，心脏重编程可逆转该变化。

5.       在射血分数保留的HFpEF中，CF簇对间质纤维化和血管周围纤维化有着不同的影响

单细胞RNA-seq无法提供 CF 簇空间信息，研究人员开展空间转录组学分析。结果显示，HFpEF 使纤维化相关基因表达分布不均，CF1-4 中 Col3a1和 Sparc 在Ctrl-HFpEF 小鼠心室弥漫性上调，CF5 中 Postn 和 Ccn2 局灶性上调。整合分析表明，CF1 和 CF3 主要促成弥漫性间质纤维化，CF4-6 与血管周围纤维化有关，且 Postn 在Ctrl-HFpEF 小鼠血管周围高表达，在TTg-HFpEF 小鼠中减少，说明不同 CF 簇在 HFpEF 心肌纤维化中作用不同。

6.       在CFs中过表达Gata4改善了射血分数保留的HFpEF患者的心脏纤维化和舒张功能障碍

研究人员为探究单个重编程因子对 HFpEF 心脏功能的影响，构建转基因小鼠分别表达 Gata4、Mef2c、Tbx5 和 Hand2。体外实验发现，仅 Gata4 过表达能诱导抗纤维化作用且不产生新的 iCMs。体内实验通过构建他莫昔芬诱导型双转基因小鼠并诱导 HFpEF，结果显示，Gata4 过表达可改善心脏功能，减轻纤维化，下调纤维化相关基因，减少增殖性 CFs，恢复毛细血管密度，表明 Gata4 过表达足以改善 HFpEF 。

7.       Gata4通过抑制Meox1来抑制CF的活化

研究人员发现 Gata4 在 HFpEF 中的抗纤维化机制，发现 HFpEF 心室中 Meox1 上调，过表达 Gata4 可抑制其表达。体外实验表明 Gata4 主要通过抑制 Meox1 抑制 CF 激活，且 Gata4 可直接结合 Meox1 增强子区域抑制其表达。此外，CFs 可旁分泌影响心肌细胞功能，Gata4 过表达在人 CFs 中也有抗纤维化作用。

三、     研究结论

该篇文章系统性地证实了心脏重编程(特别是Gata4过表达)通过抑制Meox1减轻纤维化、改善HFpEF的疗效。研究创新性地揭示了HFpEF中不同CF亚群对纤维化类型的特异贡献。虽然在临床转化方面仍存在障碍，但该研究为HFpEF治疗提供了新的思路和靶点。