1046 领域前沿中国 [3] 脉的研究对此提出了质疑最近, 逆转录病毒标记腺病毒细胞谱系示踪和鸡鹌鹑嵌合体 (chimera) [4-6] 研究提出 PEO 是冠状动脉血管的来源 PEO 是一个短暂的心外间皮细胞群, 位于鸡的静脉窦和肝脏 [7] 之间, 小鼠的横隔表面 PEO 细胞迁移到

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础马
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1 中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2014, 36(8): DOI: /cjcb 领域前沿中国周斌, 中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所研究员 2002 年毕业于浙江大学医学院, 获学士学位 ; 2006 年毕业于中国医学科学院协和医科大学, 获博士学位 ; 2006~2010 年在美国哈佛大学医学院波士顿儿童医院从事博士后研究 2009 年担任哈佛大学医学院讲师和助理研究员 2010 年受聘于中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所担任研究员和研究组长 2011 年入选中国科学院百人计划获择优支持, 同年获得上海市浦江人才和赛诺菲安万特中国科学院上海生命科学研究院优秀青年人才奖, 2012 年获得国家基金委首批优秀青年科学基金, 2013 年获得中央组织部首批万人计划青年拔尖人才支持, 2014 年获得中国科学院上海分院第四届杰出青年科技创新人才奖周斌研究员主要从事心脏发育与再生过程中心脏干细胞的起源及命运揭示先天性心脏病及成体心血管疾病的分子调控机制以及新一代遗传谱系示踪技术的建立及应用等研究工作, 并致力于推动心脏干细胞在心脏损伤修复和再生医学中的应用周斌研究组利用已建立的多种转基因小鼠模型结合遗传谱系示踪技术揭示了冠状动脉起源之谜, 发现心内膜是大部分冠状动脉血管的起源, 新生小鼠心脏具有新生血管的能力 (Tian et al. Science, 2014) 近期的研究论文发表在 Nature Science Cell Stem Cell Cancer Cell J Clin Invest Circ Res Cell Res Proc Natl Acad Sci USA J Biol Chem 等学术期刊上揭示冠状动脉起源之谜心内膜田雪莹周斌 * ( 中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所, 上海 ) 冠状动脉是为心肌供应血液的血管, 在医学上具有非常重要的意义当冠状动脉较大的分支发生堵塞时, 下游心肌因缺血缺氧导致急性心肌梗死随后, 受损的心脏通过瘢痕组织替代损伤的心肌, 以维持心室壁的完整性, 而心脏的泵功能却受到了不可逆的影响, 最终导致心力衰竭 [1] 冠心病引起的心梗是全世界因疾病死亡的首要原因冠状动脉是如何发育的, 这是一个对于人类健康和疾病具有重要意义的基础生物学问题冠状动脉血管的发育以及冠状动脉干连接到胚胎封闭的血管系统, 是胚胎持续生长和存活的基础随着 * 通讯作者 Tel: , zhoubin@sibs.ac.cn *Corresponding author. Tel: , zhoubin@sibs.ac.cn 网络出版时间 : :09 URL: 心脏发育生长和腔室壁增厚, 氧气和营养物质的被动扩散被重构扩大形成的成熟冠脉系统血管丛所替代尽管心脏血管发育这一课题已经相对密集地研究了一个多世纪, 关于冠状动脉血管的细胞起源和组织来源问题仍在不断地争论明确冠状动脉起源的发育过程, 将为先天性心脏病和成年心血管疾病 [2] 冠状动脉血管损伤修复和再生提供重要信息最近, 围绕冠状动脉发育起源和心血管细胞的组织来源以及决定其命运和功能的特异性信号开展了许多讨论目前认为, 前体心外膜结构 (pro-epicardial organ, PEO)/ 心外膜静脉窦 (sinus venosus, SV) 和心内膜为冠状动脉内皮潜在的细胞来源早期的解剖学观察证明, 冠状动脉血管仅仅是主动脉的分支, 但是后来观察到冠状动脉伸入主动

2 1046 领域前沿中国 [3] 脉的研究对此提出了质疑最近, 逆转录病毒标记腺病毒细胞谱系示踪和鸡鹌鹑嵌合体 (chimera) [4-6] 研究提出 PEO 是冠状动脉血管的来源 PEO 是一个短暂的心外间皮细胞群, 位于鸡的静脉窦和肝脏 [7] 之间, 小鼠的横隔表面 PEO 细胞迁移到正在发育的心脏, 形成包裹在表面的心外膜心外膜来源的祖细胞亚群从原始上皮分层而来, 经过上皮间质转变 (epithelial-mesenchymal transition, EMT) 产生一群间质细胞, 迁移到下面的心肌层并形成血管平滑肌 [4,8-10] 细胞周细胞成纤维细胞和心肌细胞冠状动脉来源于心外膜的观点是有争议的不是所有的 [11] 血管内皮细胞都是由心外膜参与形成的诱导小鼠前体心外膜中的 Cre 重组酶表达, 标记一部分 (Scx- Cre 和 Sema3d-Cre) [12] 或很少的 (Wt1-Cre 和 Tbx18- Cre) [9-10,13] 冠状动脉内皮细胞目前, 越来越多的研究表明, 几乎没有冠状动脉内皮是 PEO 心外膜来源的在鸡鹌鹑嵌合体研究中, 内皮免疫组化显示冠状动脉内皮是由肝窦通过 PEO 延伸到静脉窦腔内而来的, 随后提出肝脏是内皮祖细胞最初的来源在小鼠发育期间, 利用谱系示踪 (lineage tracing) 和命运图谱 (fate mapping) 技术, 研究人员很少观察到心外 [14-15] 膜来源的内皮细胞最近, 在小鼠的研究中表明, 冠状动脉来源于静脉窦的血管生成萌芽, 静脉窦是位于胚胎心脏流 [16] 入部位内皮衬里的腔在巨头鲸经典胚胎学研究 [17] 中, 已经确定静脉窦是心脏最早出现血管的部位, 在小鼠中也已经证实未分化的冠状动脉血管网与静 [18] [16] 脉窦相连 Red-Horse 等最近的研究发现, 冠状动脉内皮起源于静脉窦通过 ephrinb2-lacz 报告基因对 lacz + 内皮细胞的命运作图, 确定了冠状动脉萌芽与静脉窦是连续的, 而不是来源于 PEO 器官培养和组织重组证明, 内皮细胞生长限制在静脉窦和心房, 依赖于来自心室和心外膜的未知信号, 用可诱导的 VE-cadherin-CreER 转基因克隆分析, 在体内定位起源并对冠状动脉内皮祖细胞命运作图通过早期 ( 胚胎 7.5 天 ) 诱导 VE-cadherin-CreER 的克隆分析表明, 冠状动脉祖细胞来源于已分化的静脉, 由于动静脉是从静脉窦出现的, 在冠状动脉萌芽中从静脉 (EphB4 + ) 到动脉 (EphB2 + ) 的分子识别标志转换证实了这一观点克隆分析也揭示了心内膜是冠状动脉内皮的 [16] 第二个来源在小鼠中, 心内膜细胞位于生心区内从 Vegf-2 + 的多潜能祖细胞分化而来的最早的内皮 [19] 细胞之中它们通过重新生长或血管发生形成一 [20] 个心内膜的管, 后来变成心脏的内层上皮衬里或心内膜, 接着通过内皮间质转化参与形成心脏瓣膜 [21] 和膜性室间隔与心内膜内皮细胞相比, 冠状动脉内皮细胞出现较晚, 在发育的心脏中建立了心内膜内皮细胞参与形成冠状动脉内皮的潜能, 虽然到目前为止这一观点仍有争议在发育的大鼠心脏以及随后在小鼠中描述了原始血管床的出现可能是心内膜的延续, 通过心内膜的内陷套叠形成心脏的第 [7,22] 一根血管相反, 鸡中的逆转录病毒示踪表明, 冠状动脉血管内皮除心内膜内皮外, 有一个不同的 [8] [14] 克隆起源 Red-Horse 等首次运用基因示踪和克隆技术发现冠状动脉内皮细胞的心内膜起源, 虽然观察到心内膜细胞很少参与血管内皮的形成, 但是描述了心内膜萌芽形成内皮血岛 (blood island) 的过程, 提出了血岛可能加入静脉窦来源的血管丛的假说冠状动脉有三层组织 : 由内皮组成的内层平滑肌细胞组成的中间层和成纤维细胞组成的外层在冠状动脉形成过程中, 内皮层是最早形成的原始冠状动脉血管 ( 或冠状动脉丛 ) 由一层内皮细胞组成然后, 冠状动脉丛招募平滑肌细胞和成纤维细胞组装成成熟的动脉内皮也是成年冠状动脉疾病首先发生的部位因此, 确定冠状动脉内皮的细胞起源是阐明冠状动脉发育或再生的机制所必需的心内膜是心脏内部的上皮层心内膜细胞是发育过程中必需的最早的内皮细胞群之一, 由生心区的多能干细胞分化而来通过血管发生过程形成心内膜管, 后来变成心脏的心内膜冠状动脉血管的内皮细胞在发育晚期出现, 并在心肌层形成冠状动脉血管心室的心内膜细胞被认为是终末分化的, 在冠状动脉血管 [23] 形成中贡献很少内皮细胞最近, Wu 等的研究认为, 心室心内膜细胞是冠状动脉内皮的主要来源心肌 Vegf-a 到心内膜 Vegfr-2 信号通路是心室心内膜细胞分化为冠状动脉内皮所必需的由于心内膜细胞和内皮前体细胞非常相似, 不易进行明确的谱系示踪和嵌合体分析, 因此心内膜内皮细胞是否广泛参 [15] 与冠状动脉血管的形成仍有待确定为了追溯冠状动脉的细胞起源, 根据 Apln 基因在冠状动脉内皮细胞中表达, 而在心内膜内皮细胞中不表达的特点, 我们首次成功构建了 AplnCreER

3 田雪莹等 : 揭示冠状动脉起源之谜心内膜 1047 基因敲入小鼠, 对冠状动脉内皮细胞进行遗传标记谱系示踪小鼠心脏在胚胎发育 11.5 天 (E11.5) 开始形成血管我们通过在胚胎发育 10.5 天 (E10.5) 给 AplnCreER 基因敲入小鼠灌注他莫昔芬 (tamoxifen), 诱导 Cre 报告等位基因的重组, 永久地标记早期冠状动脉新生血管内皮细胞及其子代细胞在胚胎发育 15.5 天 (E15.5) 观察到, 几乎标记了胚胎心室壁所有的冠状动脉血管我们发现心外膜下内皮细胞是心脏发育过程中心肌内冠状动脉血管的主要来源, 既能够迁移到胚胎心室的致密心肌层形成冠状动脉, 也能够在心室表面形成冠状静脉这些心外膜下内皮细胞主要来源于静脉窦和心房的心内膜, 是心脏 [24] 发育过程中冠状动脉和静脉共同的起源关于冠状动脉起源, 以往的研究大多集中在胚胎发育中期, 即冠状动脉血管在心脏上最初形成的时期而且, 普遍认为出生后的冠状动脉血管就是来源于这些胚胎期已经形成的冠状动脉血管然而这种假设并没有严格地论证过胚胎期冠状动脉血管最初形成血管丛覆盖心脏外表面心肌组织由致密心肌层和心肌小梁两部分组成外侧的致密心肌层形成游离心室壁, 而内侧的心肌小梁向心室腔内形成指状凸起致密心肌层中发育形成心肌内冠状动脉血管, 而心肌小梁因缺乏心肌内冠状动脉血管, 直接与心室腔内的血液进行氧气和营养物质交换然而, 在出生后心脏内侧的心肌小梁经过致密化, 与外侧致密心肌层融合心脏内侧新形成的致密心肌层得到了冠状动脉血管丰富的血液供应出生后新形成的致密心肌层发生血管化的发育过程, 以前是未知的我们将 E10.5 通过 AplnCreER 激活标记上的冠状动脉血管群定义为第一冠状动脉血管群随后, 我们继续观察在出生后 0 天 (P0) 到 7 天 (P7) 的新生小鼠心脏中第一冠状动脉血管群的命运我们发现, 在出生后 3 天 (P3) 和 7 天 (P7), 标记上的冠状动脉血管仅限于外侧心室壁在此期间, 心肌致密化过程伴随着内侧心室壁中未标记的冠状动脉血管的逐渐增多通过冠状动脉内皮细胞分子标记物 APLN 和 FABP4(fatty acid binding protein 4) 抗体的免疫组织化学染色, 证实了这些血管确实是冠状动脉血管这些数据表明, 新生小鼠心脏内侧心室壁中新形成的血管并不是来源于第一冠状动脉血管群, 而是另有起源在 E10.5 用他莫昔芬诱导, 很少标记室间隔的血管内皮细胞在 E13.5 用他莫昔芬诱导, 标记上了为室间隔供应血液的冠状动脉血管, 这些血管也不是来源于第一冠状动脉血管群这些新生冠状动脉血管究竟起源于哪里? 为了揭示起源之谜, 我们构建了心内膜特异性 Nfatc1CreER 基因敲入小鼠在冠状动脉血管形成之前, 通过他莫昔芬诱导, 标记 E8.5 到 E9.5 的心内膜细胞, 我们观察到, 出生后 7 天 (P7) 的小鼠心脏内侧心室壁中大多数血管内皮细胞都被标记上了, 表明新生小鼠心脏内侧心室壁中的冠状动脉血管内皮细胞是在心肌小梁致密化的过程中通过心内膜细胞发生谱系转换而来的此外, 我们还观察到在胚胎期和新生小鼠心脏中, Nfatc1CreER 标记了大多数室间隔中的冠状动脉血管内皮细胞表明室间隔和内侧心室壁一样, 都是心内膜细胞经过谱系转换成为冠状动脉内皮细胞的我们将来源于心内膜的这两部分血管定义为第二冠状动脉群定量分析表明, 第二冠状动脉血管群为心脏的大部分心肌 (60% 以上 ) 供应血流, 对出生后心脏自身的血液供应具有重要意义我们的研究首次揭示了心内膜是大部分冠状动脉血管的起源我们发现心脏的一部分冠状动脉血管是在出生后新生成的, 打破了以往研究认为出生后心脏的冠状动脉血管是由胚胎期已经形成的血管扩增而来的观念心室壁外侧的冠状动脉血管来源于胚胎发育早期生成的血管位于室间隔中的冠状动脉血管是在胚胎发育中期形成的而心室壁内侧的冠状动脉血管是在出生后新生成的依据冠状动脉血管发育在时间和空间上的差异, 首次提出冠状动脉血管的起源可以划分为两个血管群 : 即位于心室壁外侧的第一冠状动脉血管群和心脏内部 ( 包括心室壁内侧和室间隔 ) 的第二冠状动脉血管群 ( 图 1) 我们还发现, 来源于两个血管群的冠状动脉血管是通过不同的发育机制形成的, 而且在出生后仍然保持在空间上的分隔第一冠状动脉血管群来源于胚胎心脏最初的冠状动脉血管丛产生的心外膜下祖细胞心内膜是第二冠状动脉血管群的起源心内膜不仅仅是内衬于心肌小梁的一层膜, 心内膜干 / 祖细胞可以分化为成纤维细胞间充质细胞平滑肌细胞和血管内皮细胞等心内膜干 / 祖细胞作为冠状动脉血管内皮细胞库, 在心肌小梁融合的过程中发生迁移并分化为血管内皮细胞, 是出生后冠状

4 领域前沿中国 1048 遗传谱系示踪技术显现新生小鼠心脏中的第一冠状动脉血管群(1st CVP, 蓝色)和第二冠状动脉血管群(2nd CVP, 黄色) The first coronary vessel population (1st CVP, blue) and the second coronary vessel population (2nd CVP, yellow) were visualized by genetic lineage tracing. 图1 第一和第二冠状动脉血管群 Fig.1 1st and 2nd coronary vessel population 动脉血管迅速增多的有效方式, 从而提供充足的血也为冠心病引起心梗后冠状动脉血管损伤修复和再流灌溉为增强泵功能而迅速增厚的心肌层这种出生治疗以及体外人工心脏血管生成奠定理论基础并生后冠状动脉血管快速生长的内源性机制为探索先提供新的思路和途径[2] 天性心脏病的发病机制诊断和治疗提供重要线索, 参考文献 (References) Ertl G, and Frantz S. Healing after myocardial infarction. Cardiovasc Res 2005; 66(1): Tian X, Hu T, Zhang H, He L, Huang X, Liu Q, et al. De novo formation of a distinct coronary vascular population in neonatal heart. Science 2014; 345(6192): Bogers AJ, Gittenberger-de Groot AC, Poelmann RE, Peault BM, Huysmans HA. Development of the origin of the coronary arteries, a matter of ingrowth or outgrowth? Anat Embryol (Berl) 1989; 180(5): Mikawa T, Gourdie RG. Pericardial mesoderm generates a population of coronary smooth muscle cells migrating into the heart along with ingrowth of the epicardial organ. Dev Biol 1996; 174(2): Munoz-Chapuli R, Perez-Pomares JM, Macias D, Garcia-Garrido L, Carmona R, Gonzalez M. Differentiation of hemangioblasts from embryonic mesothelial cells? A model on the origin of the vertebrate cardiovascular system. Differentiation 1999; 64(3): Perez-Pomares JM, Carmona R, Gonzalez-Iriarte M, Atencia G, Wessels A, Munoz-Chapuli R. Origin of coronary endothelial cells from epicardial mesothelium in avian embryos. Int J Dev Biol 2002; 46(8): Viragh S, Challice CE. The origin of the epicardium and the embryonic myocardial circulation in the mouse. Anat Rec 1981; 201(1): Mikawa T, Fischman DA. Retroviral analysis of cardiac morphogenesis: Discontinuous formation of coronary vessels. Proc Natl Acad Sci USA 1992; 89(20): Cai CL, Martin JC, Sun Y, Cui L, Wang L, Ouyang K, et al. A myocardial lineage derives from Tbx18 epicardial cells. Nature 2008; 454(7200): Zhou B, Ma Q, Rajagopal S, Wu SM, Domian I, Rivera-Feliciano J, et al. Epicardial progenitors contribute to the cardiomyocyte lineage in the developing heart. Nature 2008; 454(7200): Morabito CJ, Kattan J, Bristow J. Mechanisms of embryonic coronary artery development. Curr Opin Cardiol 2002; 17(3): Katz TC, Singh MK, Degenhardt K, Rivera-Feliciano J, Johnson RL, Epstein JA, et al. Distinct compartments of the proepicardial organ give rise to coronary vascular endothelial cells. Dev Cell 2012; 22(3):

5 田雪莹等 : 揭示冠状动脉起源之谜心内膜 Merki E, Zamora M, Raya A, Kawakami Y, Wang J, Zhang X, et al. Epicardial retinoid X receptor alpha is required for myocardial growth and coronary artery formation. Proc Natl Acad Sci USA 2005; 102(51): Poelmann RE, Gittenberger-de Groot AC, Mentink MM, Bokenkamp R, Hogers B. Development of the cardiac coronary vascular endothelium, studied with antiendothelial antibodies, in chicken-quail chimeras. Circ Res 1993; 73(3): Lie-Venema H, Eralp I, Maas S, Gittenberger-De Groot AC, Poelmann RE, de Ruiter MC. Myocardial heterogeneity in permissiveness for epicardium-derived cells and endothelial precursor cells along the developing heart tube at the onset of coronary vascularization. Anat Rec A Discov Mol Cell Evol Biol 2005; 282(2): Red-Horse K, Ueno H, Weissman IL, Krasnow MA. Coronary arteries form by developmental reprogramming of venous cells. Nature 2010; 464(7288): de Andres AV, Munoz-Chapuli R, Sans-Coma V. Development of the coronary arteries and cardiac veins in the dogfish (Scyliorhinus canicula). Anat Rec 1993; 235(3): van den Akker NM, Caolo V, Wisse LJ, Peters PP, Poelmann RE, Carmeliet P, et al. Developmental coronary maturation is disturbed by aberrant cardiac vascular endothelial growth factor expression and Notch signalling. Cardiovasc Res 2008; 78(2): Sugi Y, Markwald RR. Formation and early morphogenesis of endocardial endothelial precursor cells and the role of endoderm. Dev Biol 1996; 175(1): Drake CJ, Fleming PA. Vasculogenesis in the day 6.5 to 9.5 mouse embryo. Blood 2000; 95(5): Eisenberg LM, Markwald RR. Molecular regulation of atrioventricular valvuloseptal morphogenesis. Circ Res 1995; 77(1): Ostadal B, Schiebler TH, Rychter Z. Relations between development of the capillary wall and myoarchitecture of the rat heart. Adv Exp Med Biol 1975; 53: Wu B, Zhang Z, Lui W, Chen X, Wang Y, Chamberlain AA, et al. Endocardial cells form the coronary arteries by angiogenesis through myocardial-endocardial VEGF signaling. Cell 2012; 151(5): Tian X, Hu T, Zhang H, He L, Huang X, Liu Q, et al. Subepicardial endothelial cells invade the embryonic ventricle wall to form coronary arteries. Cell Res 2013; 23(9):

没有幻灯片标题

没有幻灯片标题脉管系统 Angiology 心血管系统 Cardiovascular System 淋巴系统 Lymphatic System Ling Shucai 心血管系统 Ⅰ) 组成心 heart 动力泵动脉 arteries 运输血液离心毛细血管 capillaries 物质交换 veins 运输血液回心 Ⅱ) 血液循环 1. 体循环 systemic(greater) circulation 2. 肺循环