在心髒病發作後，通過逆轉瘢痕組織產生健康的心肌組織將會引發心髒學和再生醫學領域的變革。在實驗室中，科學家們已證實將心髒成纖維細胞(瘢痕組織細胞)轉化為心肌細胞是可行的，但是梳理出這是如何發生的細節並不是件容易的事情，而且將這種方法用於臨床實踐或甚至其他的基礎研究項目中一直都是難以實現的。

        如今，在一項研究中，來自美國北卡羅來納大學的研究人員將微流體單細胞RNA測序與數學建模、遺傳方法和化學方法結合在一起，描述了從成纖維細胞到心肌細胞的細胞命運轉化期間逐步發生的分子變化。在北卡羅來納大學醫學院病理學與實驗室醫學助理教授Li Qian博士的領導下，這些研究人員不僅成功地重建了單個成纖維細胞在這個過程中選擇的路徑，而且還鑒定出在成纖維細胞轉化為心肌細胞期間發揮著重要作用的分子通路和關鍵性調節物。相關研究結果發表在Nature期刊上，論文標題為“Single-cell transcriptomics reconstructs fate conversion from fibroblast to cardiomyocyte”。

        Qian實驗室開創直接心髒重編程(direct cardiac reprogramming)方法，並且在過去幾年對這種方法進行優化。作為心髒再生和疾病建模的一種有前景的方法，它涉及將心髒中的非心肌細胞直接轉化為非常類似於內源性心肌細胞的誘導性心肌細胞(induced cardiomyocytes, iCM)。就像任何重編程過程那樣，接受重編程的很多細胞並不會同時發生重編程。這意味著這是一種“異步(asynchronous)”過程。轉化在不同的時間發生。因此，在這個過程的任何階段，細胞群體總是含有未轉化的細胞、部分重編程細胞和完全重編程細胞。換言之，細胞重編程是“異質的(heterogeneous)”，這就使得很難利用傳統方法開展分析。

        在這項新的研究中，通過利用微流體單細胞RNA測序技術，Qian實驗室解決了“異步”編程和異質細胞群體這兩個主要的問題。他們在從成纖維細胞到iCM的命運轉化期間分析了全局轉錄組變化。

        利用數學算法，這些研究人員在這種重編程過程中鑒定出具有不同分子特征的細胞亞群。隨後，他們基於模擬和實驗驗證，重建了iCM形成路徑。這些路徑為他們提供了前所未有的高分辨率路線圖，以便在未來研究這種細胞轉化機製。

        這些發現在臨床上很重要。比如，人們知道在心髒病發作後，受損區域周圍的心髒成纖維細胞會立即被激活，並且發生高度地增殖，但是這種增殖能力隨著時間的推移而減少。如何利用成纖維細胞在心髒病發作過程中和結束後的不同細胞周期狀態應當會擴大細胞重編程的應用範圍和優化細胞轉化結果。

        Qian團隊揭示出細胞增殖和細胞重編程之間的路徑。他們也提供實驗證據來證實改變初始的成纖維細胞的細胞周期狀態會改變新的心肌細胞形成結果。

        她的團隊發現成纖維細胞亞群的分子特征在重編程期間受到不同程度的抑製，這提示著細胞的重編程敏感性是存在差別的。

        令人關注的是，這種重編程敏感性與心髒發育期間的心肌細胞分化時間相符合。似乎在心髒發育較早階段出現的中間階段細胞群體似乎更強有力地抵抗這些變化。這提示著近期的細胞表觀遺傳記憶可能更加容易被擦除，因此更容易將具有這些表觀遺傳特征的成纖維細胞亞群轉化為心肌細胞。

        通過進一步分析重編程期間的全局基因表達變化，這些研究人員意料之外地鑒定出參與mRNA加工和剪接的因子發生下調。

        Qian團隊繼續對最優先考慮的候選因子---剪接因子Ptbp1---開展詳細的功能分析。有證據提示著它是成纖維細胞獲得心肌細胞特異性的剪接模式的一種關鍵的阻礙物。Qian團隊的研究證實剔除Ptbp1促進更多的iCM產生。

        進一步的定量分析揭示出每種重編程因子(即Mef2、Gata4、Tbx5和DsRed，讓成纖維細胞表達這四種重編程因子，會讓它們轉化為iCM)的表達與單個成纖維細胞的重編程過程進展存在著一種很強的關聯性，而且導致發現新的富集iCM的表麵標誌物。

        Qian說，“我認為這篇論文中的這種跨學科方法是非常強大的。它協助我們鑒定出之前未被識別的功能或機製，以及更好地理解細胞的性質和疾病的進展。最終，這種方法可能不僅讓心髒病患者受益，而且也造福於癌症、糖尿病、神經係統疾病和其他疾病的患者。”