心肌梗死与心脏再生的心脏祖细胞研究

Regenerative medicine holds the promise of fully restoring cardiac function following Myocardial Infarctions. By using the zebrafish model that achieves innate cardiac regenerative capacity, we identified a small, endogenous nkx2.5+ cardiac progenitor cells (CPCs) population in the adult heart and found that they play a vital role in the injuried heart. Our preliminary studies show that Notch signaling may regulate the equilibrium of regeneration and scarring in a novel way so as to direct the fate of nkx2.5+CPCs. Building on our preliminary data, we propose to characterize the activity of nkx2.5+ CPCs during homeostasis and regeneration using new fluorescent reporters and inducible Cre/loxP lineage tracing systems. We also plan to determine the fate map of endogenous and post-injury nkx2.5+ CPCs to CM regeneration. In this study, we will determine how experimental decreases and increases in Notch signaling affect heart regeneration and scarring using inducible transgenic lines, and characterize and lineage trace Notch-responsive cells in homeostatic and regenerating hearts，as well as the change of cardiac electrophysiology. In the meantime, using small molecule screening, novel genetic programs orchestrating the nkx2.5+ CPCs fate will be uncovered and fully characterized. We anticipate that this study can illustrate the source and genetic regulation of newly produced cardiomyocytes, advance our fundamental understanding of heart repair and regenerative mechanisms, and potentially lead to new therapeutic strategies for treating heart disease.

再生医学蕴含着能完全修复心肌梗死损伤后心脏功能的希望。使用具有天然心脏再生能力的斑马鱼模型，我们发现了一组新的内源性nkx2.5+心脏祖细胞群，在心脏受损后发挥重要功能；初步结果显示，Notch信号可能通过新颖的机制调节再生和疤痕形成平衡，指导了nkx2.5+心脏祖细胞命运。本项目在此基础上，通过新的荧光报告子和可诱导的cre/loxp转基因系统，探究nkx2.5+心脏祖细胞在稳态和再生心脏中的活动规律；建立心脏损伤后内源性的nkx2.5+心脏祖细胞命运谱系。揭示Notch信号调变如何影响心脏的再生/疤痕；以及稳态和再生的心脏中Notch响应细胞的命运及心电传导改变。同时，通过小分子化合物筛选确认新的能够调控nkx2.5+细胞命运的通路并深入分析。本研究有望阐明新生心肌的细胞来源和基因调控，深入认识心脏再生修复机制，建立一种激发内源性的心脏再生潜能的新的治疗模式。

心肌梗死是世界上居于首位的成年人致死性疾病，起因于心肌局部缺血引起临近心肌坏死，导致不可逆的心肌丢失，影响了心脏功能。炎症和愈合进程被激活，富纤维化的疤痕最终替代了损伤的心肌。剩余CMs必须超负荷提供心脏收缩力，由于这一补偿无法长期满足心脏输出需求，随后诱发了有害的心脏重塑和神经激素激活，最终导致充血性心力衰竭。目前治疗的主要手段是通过溶栓和手术再灌注处理梗死区域。然而，这些治疗措施仅可延缓疾病进程。再生医学领域被寄予厚望于能彻底修复MI后的心脏功能，其面临的主要临床和科学挑战在于发现新方法以使用新生的健康CMs有效替代丢失的CMs。探究人体心肌再生激活的一个重要途径是分析较低等脊椎动物是如何完成这一过程的。疤痕的形成与心肌再生是一种竞争关系。那些具有高度心肌再生能力的脊椎动物有一个默认的疤痕形成机制。我们乐观的相信，可以建立一种在人体MI发生后能够激活心肌再生同时抑制疤痕形成治疗手段。研究中，我们首先确定了心脏损伤修复中nkx2.5+CPCs对新生CMs的贡献，揭示了一个更加准确的心脏修复细胞谱系图；使用新颖的转基因体系揭示Notch信号通路在成体心肌再生中的作用；完成了2个通路在心脏生成和再生中的作用分析，完成了化合物筛选及新通路确认；完成了转基因确定心脏损伤前后Notch响应细胞的命运谱系。本研究对于发展成人急性心肌梗死等干细胞再生性治疗手段方面提出了创新性理论，相关成果可作为临床诊断潜在靶点进行转化。在课题资助下培养了一支高水平的科研的队伍，包括多名博士生。取得了具有国际影响的原创性成果。在国际一流学术刊物上发表SCI论文4篇，获国家发明专利授权2项。