重構小鼠心臟發育全時空細胞譜系

利用成像技術重構具單細胞分辨率且時間上連續的全細胞譜系，是發育生物學的難點和熱點。心臟作為哺乳動物胚胎發育中第一個形成的功能性器官，是其他組織器官發育的關鍵推動力。

連續追蹤心臟發育的全細胞譜系主要難點來自三個方面：其一，哺乳動物胚胎體外培養條件下，如何保持心臟正常發育，同時實現長時程實時成像，避免光毒性對胚胎發育的影響；其二，胚胎的細胞異質性高，成像深度和視場大，如何實現全胚成像（in toto imaging）、如何處理海量圖像數據（~2T/天）以精準地識別細胞并追蹤譜系。其三，心臟成像還面臨一個更加特殊的挑戰—小鼠胚胎期心跳每分鐘達200次,需要有新技術新策略在跳動的心臟上獲得單細胞分辨率的圖像。

2020年3月2日，清華-北大生命科學聯合中心何愛彬課題組牽頭北大、北航跨學科團隊在Nature Cell Biology發表題為“Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution”的文章，首次報道哺乳動物心臟早期發育過程的細胞譜系全景圖，揭示了從心管起源到心室建立，再到肌小梁形成的細胞動力學新機制。

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

研究人員通過開發一系列適應海量圖像數據預處理程序和細胞識別算法，取得了前所未有的細胞識別精度（99.68%）。系統整合后 ，實現了長達1.5天心臟全部心肌細胞的連續成像（從約300個到8000多個細胞，總細胞識別數約2百萬個）和時間分辨率為3分鐘的全細胞譜系追蹤。

研究結果清晰地揭示了心室形態發生細胞動力學與肌小梁的細胞起源與機制。在心室膨大過程中，最外層細胞具有遠離心室中心，沿著外殼膨大方向遷移的特性。最外層細胞定向性遷移所造成的細胞空隙，可由其它層細胞的插入和最外層細胞的水平分裂來補充。

這項研究首次發現肌小梁細胞有兩種起源，一類是細胞命運預先決定的肌小梁原始細胞：內層細胞從開始的心肌細胞分化就位于內層，后續通過自我增殖不斷貢獻給肌小梁形成，另一類則起源于外層細胞，但通過遷移或者有偏向性的細胞分裂定植于內層。