Исследование транскриптомики одиночных клеток выявило генотип-специфичные особенности сердечной недостаточности

С помощью одноядерного транскриптомного профилирования международная группа исследователей под руководством учёных из США и Германии изучила характерные для различных форм сердечной недостаточности особенности клеток и экспрессии генов, в том числе связанные с кардиомиопатией и специфическими патогенными вариантами. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

«Полученные нами данные содержат огромный потенциал для переосмысления методов терапии сердечной недостаточности. Важно понимать основные причины развития этого заболевания, в том числе необходимо изучать мутации, приводящие к изменениям, способным нарушить работу сердца», — сообщает Кристин Сейдман (Christine Seidman), директор Центра генетики сердечно-сосудистых заболеваний в больнице для женщин им. Брайэм (Cardiovascular Genetics Center at Brigham and Women's Hospital) и профессор Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School).

Исследователи применили одноядерное секвенирование РНК для профилирования транскриптомных паттернов почти 881 100 отдельных клеток, обнаруженных в тканях левого и правого желудочков сердца 61 пациента с сердечной недостаточностью, и сравнили их с такими же образцами, полученными от 18 контрольных участников.

Учёные отметили, что часть пациентов с сердечной недостаточностью имела патогенные варианты риска в генах, способствующих развитию таких заболеваний, как дилатационная или аритмогенная кардиомиопатии, а другие случаи были классифицированы как идиопатические кардиомиопатии, не имеющие установленных генетических вариантов, связанных с повышенным риском.

«Это фундаментальное исследование, но оно выявляет мишени, которые могут быть экспериментально использованы для создания будущих терапевтических средств, — пояснила Сейдман. – Наши результаты также указывают на важность генотипирования. Оно не только расширяет возможности исследований, но и способствует более эффективному персонализированному подходу к терапии пациентов».

Проведённый анализ — часть более масштабной работы по созданию Атласа клеток человека (Human Cell Atlas) — выявил 71 транскрипционное состояние, а также по меньшей мере 10 кластеров клеток с особенностями экспрессии, которые включали в себя кардиомиоциты, гладкомышечные клетки, фибробласты, иммунные и другие типы клеток.

«Клетки одного типа имеют общий транскрипционный профиль, но при этом могут по-разному экспрессировать отдельные гены, что обуславливает биологические различия», — объяснили авторы.

Несмотря на признаки фиброза, выявленные в тканях сердца при сердечной недостаточности, исследователи не обнаружили увеличения количества клеток фибробластов у пациентов с данным заболеванием. Скорее, результаты указывали на изменение транскрипционных состояний, характерных для этого типа клеток, включая расширенное ремоделирование внеклеточного матрикса.

«Количество этих клеток остается неизменным, — пояснил в своем заявлении соавтор исследования Эрик Линдберг (Eric Lindberg), исследователь из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка (Max Delbrück Center for Molecular Medicine). – Однако они становятся более активными и производят больше внеклеточного матрикса, который заполняет пространство между клетками соединительной ткани».

С другой стороны, исследователи заметили снижение количества кардиомиоцитов в образцах пациентов с сердечной недостаточностью, а также увеличение числа эндотелиальных и иммунных клеток.

Когда команда обратилась к методам машинного обучения для изучения связей между кластерами клеток, их транскрипционными состояниями и генотипами пациентов, она обнаружила, что известные варианты риска заболевания могут влиять на всё — от состава клеточных типов до точных путей и процессов, происходящих в сердечной ткани при сердечной недостаточности.

Увеличение внеклеточного матрикса, обнаруженное в клетках фибробластов, особенно часто встречалось у людей с изменениями в гене RBM20, связанных с дилатационной кардиомиопатией, и они, как правило, коррелировали с более ранней трансплантацией сердца в выборке пациентов с данным диагнозом. Мутации RBM20 также были связаны с расширением левого желудочка, сопровождаемым пониженной активностью систолического сокращения.

Аналогичным образом в подгруппе пациентов с сердечной недостаточностью с мутациями ассоциированного с аритмогенной кардиомиопатией белка плакофилина-2 (PKP2 — protein plakophilin-2) было обнаружено повышение активности фактора некроза опухоли. Учёные отметили, что мутации PKP2 коррелировали со снижением функции правого желудочка сердца, но почти не затронули работу левого желудочка.

Наряду с попытками сузить круг биомаркеров заболевания, имеющих отношение к лечению, команда продемонстрировала возможность использования искусственного интеллекта для работы в обратном направлении на основе транскрипционных состояний и данных экспрессии генов в одной клетке. Это поможет ответить на вопрос: являются ли пациенты носителями патогенных герминальных изменений в определённых генах, связанных с кардиомиопатией.

«Поскольку наши результаты указывали на обогащённые генотипами транскрипты и состояния клеток, мы использовали машинное обучение для разработки сети внимания графа (нейронные сети на основе данных в виде графа — совокупности точек, соединённых линиями) для мультиномиальной классификации генотипов, — объяснили авторы. – Эта сеть показала удивительно высокое прогнозирование генотипов для каждого образца, тем самым подкрепляя наш вывод о том, что генотипы активируют очень специфические пути развития сердечной недостаточности».