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何爱彬牵头北大北航跨学科团队重构小鼠心脏发育全时空细胞谱系

2020年3月2日,澳门新葡8455最新网站和北京航空航天大学跨学科团队Nature Cell Biology发表题为Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution的文章首次报道哺乳动物心脏早期发育过程细胞谱系全景揭示了从心管起源到心建立,再到小梁形成的细胞动力学机制

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利用成像技术重构单细胞分辨率且时间上连续的全细胞谱系,是发育生物学的难点和热点。心脏作为哺乳动物胚胎发育中第一个形成的功能性器官,是其他组织器官发育关键推动力连续追踪心脏发育的全细胞谱系主要难点来自个方面:其一,哺乳动物胚胎体外培养条件下,如何保持心脏正常发育,同时实现长时程实时成像,避免光毒性对胚胎发育的影响;其二胚胎的细胞异质性成像深度和视场大,如何实现全胚成像in toto imaging如何处理海量图像数据(~2T/天)精准地识别细胞追踪谱系其三心脏成像面临一个更加特殊的挑战小鼠胚胎期心跳每分钟达200次,需要有新技术新策略在跳动的心脏上获得单细胞分辨率的图像

项研究全面突破了上述一系列挑战研究人员设计并优化了新的胚胎培养保证胚胎体外正常发育发了一套适应拍摄小鼠胚胎发育的垂直双侧扫描光片显微镜vSPIM提供单细胞分辨率、足够的视场和成像的灵活性温度、气体、压力控制及培养基循环;与vSPIM一体化搭建红外心跳检测模块解决了胚胎与高精度成像的矛盾通过开发一系列适应海量图像数据预处理程序和细胞识别算法取得了前所未有的细胞识别精度(99.68%系统整合(图一)实现了1.5心脏全部心肌细胞的连续成像(从300到8000多个细胞细胞识别数约2百万个时间分辨率为3分钟的细胞谱系追踪

研究结果清晰地揭示了心室形态发生细胞动力学与肌小梁的细胞起源与机制。在心室膨大过程中,最外层细胞具有远离心室中心,沿着外壳膨大方向迁移的特性。最外层细胞定向性迁移所造成的细胞空隙,层细胞的插入和最外层细胞的水平分裂补充。首次发现肌小梁细胞有两种源,一是细胞命运预先决定肌小梁原始细胞内层细胞从开始心肌细胞分化就位于内层,后续通过自我增殖不断贡献给肌小梁形成另一类则起源于外层细胞,但通过迁移或者向性的细胞分裂定植于内层(图二)

研究项目由何爱彬实验室牵头,联合程和平团队和北京航空航天大学肖文磊老师完成。澳门新葡8455最新网站博士生岳晏竹,宗伟健,李鑫,张幼东,吴润龙,软件与微电子学院硕士生李京航为该论文的第一作者,何爱彬研究员,程和平教授和肖文磊副教授为论文的共同通讯作者。合作者还包括中科院生化与细胞所的周斌研究员和北航赵罡教授。感谢国家自然科学基金委国家科技重大专项科技部重点研发计划和生命科学联合中心的经费支持。团队成员也承担由澳门新葡8455最新网站-点击进入牵头的十三五“多模态跨尺度生物医学成像”国家重大科技基础设施建设任务

. 自主开发的垂直式光片显微镜系统

. 心室肌小梁谱系起源与形成机制

 

视频. 小鼠胚胎原始心脏心管起源发生过程

 

视频. 小鼠胚胎心脏心室发育过程