深圳子科生物報(bào)道：利用成像技術(shù)重構(gòu)具單細(xì)胞分辨率且時(shí)間上連續(xù)的全細(xì)胞譜系，是發(fā)育生物學(xué)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。心臟作為哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育中第一個(gè)形成的功能性器官，是其他組織器官發(fā)育的關(guān)鍵推動(dòng)力。

連續(xù)追蹤心臟發(fā)育的全細(xì)胞譜系主要難點(diǎn)來(lái)自三個(gè)方面：其一，哺乳動(dòng)物胚胎體外培養(yǎng)條件下，如何保持心臟正常發(fā)育，同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程實(shí)時(shí)成像，避免光毒性對(duì)胚胎發(fā)育的影響；其二，胚胎的細(xì)胞異質(zhì)性高，成像深度和視場(chǎng)大，如何實(shí)現(xiàn)全胚成像（in toto imaging）、如何處理海量圖像數(shù)據(jù)（~2T/天）以精準(zhǔn)地識(shí)別細(xì)胞并追蹤譜系。其三，心臟成像還面臨一個(gè)更加特殊的挑戰(zhàn)—小鼠胚胎期心跳每分鐘達(dá)200次,需要有新技術(shù)新策略在跳動(dòng)的心臟上獲得單細(xì)胞分辨率的圖像。

2020年3月2日，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心何愛(ài)彬課題組牽頭北大、北航跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在Nature Cell Biology發(fā)表題為“Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution”的文章，首次報(bào)道哺乳動(dòng)物心臟早期發(fā)育過(guò)程的細(xì)胞譜系全景圖，揭示了從心管起源到心室建立，再到肌小梁形成的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)新機(jī)制。

這項(xiàng)研究全面突破了上述一系列挑戰(zhàn)。研究人員設(shè)計(jì)并優(yōu)化了新的胚胎培養(yǎng)體系，保證了胚胎體外正常發(fā)育；研發(fā)了一套適應(yīng)拍攝小鼠胚胎發(fā)育的垂直式雙側(cè)掃描光片顯微鏡（vSPIM），提供了單細(xì)胞分辨率、足夠大的視場(chǎng)和成像的靈活性（溫度、氣體、壓力控制及培養(yǎng)基循環(huán)）；與vSPIM一體化搭建的紅外心跳檢測(cè)模塊解決了胚胎心跳與高精度成像的矛盾。

研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列適應(yīng)海量圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理程序和細(xì)胞識(shí)別算法，取得了前所未有的細(xì)胞識(shí)別精度（99.68%）。系統(tǒng)整合后 ，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1.5天心臟全部心肌細(xì)胞的連續(xù)成像（從約300個(gè)到8000多個(gè)細(xì)胞，總細(xì)胞識(shí)別數(shù)約2百萬(wàn)個(gè)）和時(shí)間分辨率為3分鐘的全細(xì)胞譜系追蹤。

研究結(jié)果清晰地揭示了心室形態(tài)發(fā)生細(xì)胞動(dòng)力學(xué)與肌小梁的細(xì)胞起源與機(jī)制。在心室膨大過(guò)程中，最外層細(xì)胞具有遠(yuǎn)離心室中心，沿著外殼膨大方向遷移的特性。最外層細(xì)胞定向性遷移所造成的細(xì)胞空隙，可由其它層細(xì)胞的插入和最外層細(xì)胞的水平分裂來(lái)補(bǔ)充。

這項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)肌小梁細(xì)胞有兩種起源，一類是細(xì)胞命運(yùn)預(yù)先決定的肌小梁原始細(xì)胞：內(nèi)層細(xì)胞從開(kāi)始的心肌細(xì)胞分化就位于內(nèi)層，后續(xù)通過(guò)自我增殖不斷貢獻(xiàn)給肌小梁形成，另一類則起源于外層細(xì)胞，但通過(guò)遷移或者有偏向性的細(xì)胞分裂定植于內(nèi)層。

原文標(biāo)題：

Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution