从杭州外国语学校高中毕业之后，杨东赫本科和博士均就读于加拿大多伦多大学。29 岁的他，前不久在 Cell Stem Cell 发表了一篇论文，并且同时担任一作兼共同通讯。
图 | 杨东赫（来源：杨东赫）
据悉，该研究第一次建立了全面的人类胚胎心脏多谱系发育图谱，提供了多种体外胚胎心脏细胞分化的方法。也展示了通过结合人类胚胎干细胞分化技术、以及单细胞转录组测序技术，来研究人类胚胎多谱系心区发育的过程。这些发现具备临床应用的可能性，比如可用于研究先天性心脏病和腔室特异性心肌病，以及用于开发新型细胞疗法。
具体来说：其一，基于此次研究建立多细胞种类、以及多腔室的的心脏类器官模型，可用于模拟发育过程和疾病发生。而在此次研究中，大部分心肌细胞种类的分化方法已经得到阐述。那么，建立类器官模型之后，可以用它们进行电生理研究、基因调控研究以及建立疾病模型。
其二，可使用体外分化的左心室心肌细胞来治疗心肌梗塞。具体策略是将左心室细胞进行生化和新陈代谢成熟之后，再将成熟的左心室细胞移植到心梗模型中，从而促进治疗效果。
（来源：Cell Stem Cell）
胚胎多谱系心区发育，对于心血管疾病的研究具有重大意义
以往研究表明，哺乳动物的心脏包含多种功能特异的心肌细胞，大致可归类为具有收缩功能的工作细胞、和具有自动节律性的自律细胞。
根据小鼠胚胎谱系追踪、以及回顾性分析研究就能发现，处于不同区域且功能特异的心肌细胞，是从不同心区发育而来的。这些不同的心区大致可归类为第一生心区、前第二心生区和后第二心生区。
此前研究表明在胚胎发育中，这些不同的心区细胞呈现出不同的解剖学和基因表达特征。
比如，在小鼠早期胚胎期，第一生心区细胞位于心脏新月体的腹侧，高度表达 Hand1、Tbx5 和 Hcn4 等基因。第二心生区细胞则位于第一生心区背侧，高度表达 Isl1、Hoxa1、Hoxb1、Tbx1 和 Fgf10 等基因。
随着胚胎的发育，第一生心区主要发育为左心室心肌细胞、以及房室管心肌细胞；前第二心生区发育为右心室心肌细胞和流出道心肌细胞；后第二心生区则会产生心房心肌细胞和鼻窦静脉衍生结构。
近年来，关于小鼠早期原肠胚研究表明，在原肠胚形成时，这些不同心区谱系的前体就已产生。因此，胚胎多谱系心区发育，对于心脏发育和心血管疾病的研究具有重大意义。
以往研究显示，源于不同心区的心肌细胞亚型，受到多种腔室特异性心血管疾病影响。例如，心律失常性右心室心肌病、左心发育不全综合征和各种瓣膜疾病，多数发生于特定的腔室以及心肌细胞。
所以，为了更好地研究这些具有细胞来源特异性的心脏病，以及开发有效的疗法，则十分有必要开发体外系统，以对每种细胞亚型的发育进行精确研究。
在一定程度上，动物模型为该研究提供了研究心区发育的模型。然而，由于缺少早期人类胎儿组织，学界对人类心区发育的过程知之甚少。
虽然有研究报道，从人类胚胎干细胞里，可在体外分化出类似第一生心区和第二心生区的结构。但是，全面的多谱系、多发育阶段的人类心区发育图谱还未被阐述过。
因此，为了使用人类多能性干细胞，去模拟多阶段人类胚胎的第一生心区、前第二心生区和后第二心生区谱系发育，该团队首先分析了小鼠中胚层细胞的单细胞转录组。
分析之后，发现了两个重要的信号通路 BMP 和 Nodal signaling pathways，它们会在小鼠第一生心区和第二心生区特异表达。通过操纵这两种信号通路，课题组从人类胚胎干细胞分化出第一生心区、前第二心生区和后第二心生区中胚层亚型，之后利用单细胞测序来详细地描绘它们的转录组。
基于这些单细胞转录组数据，研究人员结合人类原肠期单细胞测序数据，第一次阐述了如下规律：干细胞分化的心区中胚层亚型具有不同的时间性，这与最近的小鼠回述性研究相契合。
之后，其从这些不同的心区中胚层细胞分化出子细胞，并通过单细胞测序第一次绘制了人类多心区，多发育阶段转录子图谱。
（来源：Cell Stem Cell）
通过分析子细胞的单细胞转录组，课题组发现 BMP 和 retinoic acid （RA） signaling 作用于不同谱系的子细胞。
具体为：第一生心区不受 RA 调控，后第二心生区则受到 RA 调控，前第二心生区同时受到这两种信号通路的调控。
了解子细胞的信号通路之后，通过分阶段操纵特定的信号通路，研究人员最终从不同的子细胞亚型里，分化出了表达关键分子的特征、以及表达电生理特征的心肌细胞群亚型。
最后，该团队利用机器学习和整合分析技术，比较了体外分化的心肌亚型、及其相对应的小鼠、以及人类细胞转录组。结果发现，多功能干细胞分化而来的心肌细胞群亚型，与这些动物体内的细胞高度相似。
近日，相关论文以《用多能干细胞模拟人类多谱系心脏领域的发育》（Modeling human multi-lineage heart field development with pluripotent stem cells）为题发表在 Cell Stem Cell（IF 24.6）上，杨东赫担任一作兼共同通讯，多伦多大学医学生物物理学系教授戈登·M· 凯勒（Gordon M. Keller）担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Cell Stem Cell）
评审专家指出，研究人员从小鼠胚层谱系发生过程中找到了关键的信号通路，并成功将这些发现运用于人类胚胎干细胞系统。
这项工作为理解哺乳动物心区谱系建立、及多能干细胞的命运调控机制，提供了翔实数据和细致的跨物种比较，是对哺乳动物心区谱系发育理论的重要补充，将推动早期心脏胚胎发育和干细胞再生医学相关领域的发展。
同时，研究中的跨物种分析、以及体内与体外细胞的比较分析，也会给心区研究提供新思路和研究对象。
在干细胞领域，第一次报道建立胚胎干细胞分化右心室细胞的方法
据介绍，对于该课题来说，立项阶段反而比较困难。该团队一开始认为，从人类胚胎干细胞中分化出所有心区谱系是个大难题，而且就算分化出不同心区母细胞，也不确定它们是否能在体外分化为不同种类心肌细胞亚种。
各种不确定性、以及缺少针对此项目的科研基金，导致第一年的立项比较坎坷。但是，课题组仍然认为该项目对于发育学有重大意义，假如项目成功即可证明在体外研究高精度胚胎发育的可能性。
在立项阶段，研究人员总结了多个近年的小鼠回述性研究，重新分析了最新的小鼠胚肠期单细胞测序数据，从而确定了各个心区母细胞亚种的基因表达图谱和几个重要的特异表达的信号通路。
而该阶段第一个重要的突破口，则是在小鼠数据上发现 TGF-beta 信号通路在不同心区母细胞中特异表达，这让他们从人类胚胎干细胞中，成功分化出了类似于不同心区中胚层细胞，从而让其对该课题产生了一定的信心。
之后，该团队总结了实验数据和生信分析结果，将不同心区发育而来的心肌亚型与不同种类心脏病相关联，最终获得 Canadian Institute of Health Research 和细胞疗法公司 Bluerock Therapeutics 的资助。
得到科研资金之后，研究人员首先对不同的心区中胚层细胞进行了单细胞测序，由此确认了第一生心区、前第二心生区和后第二心生区中胚层亚型的存在。
在体外用干细胞模拟胚胎发育，有这样一个巨大的优点，即可以自主分化细胞、并且分离纯化想要的细胞型，从而进行更深入的研究。
接着，通过转录组分析技术，对于每个心区中胚层亚型里的高度表达的细胞膜蛋白，课题组陆续予以确定。此外，其还利用流式技术来将心区谱系，进行分离和单独分化，以便研究各个谱系的独立分化与发育。
有了分离的心区母细胞之后，研究开始顺利起来。与课题组的猜想一致的是，每种纯化的心区母细胞，会分别分化出不同的子细胞。通过分析子细胞的转录组，其进一步证实这些人类胚胎干细胞诱导的心区子细胞，与小鼠胚胎中的心区子细胞表达相似的基因。
在更深入分析心区细胞时，担任一作的杨东赫发现，前第二心生区子细胞高度表达作用于 Bmp signaling pathway 的基因，这一发现与近年来小鼠前第二心生区的研究互相契合。
根据这一发现，他通过一些列实验来抑制、或增强该信号通路在前第二心生区的作用。最终发现，加强该信号通路能让前第二心生区大致分化为右心室心肌细胞。
其表示：“在干细胞领域里，我们第一次报道了成功建立胚胎干细胞分化右心室细胞的方法。用类似的方法，我们从其他的心区子细胞中，分化出了其他心肌亚型。后来，对于所有从人类胚胎干细胞分化而来的心肌亚型的转录组，我们也进行了分析，并将它们与小鼠心肌细胞、以及人体心肌细胞进行比较，从而得出了如下结论：体外分化的细胞，与体内发育的细胞大致相同。”
“被迫”自学生物信息分析
而让杨东赫比较难忘的是，则是开题时和同事对于课题理解上的分歧，以及在疫情期间克服实验问题、自学生物信息分析的经历。
刚开展课题时，一个比较资深的同事认为杨东赫的实验设想，可能比较难以实现。但是，他坚持了自己的思路，即从高通量测序中找重要的信号通路，从而在体外模拟心脏的发育。
杨东赫说：“这个经历让我意识到做科研需要一定的自信以及对于自己想法的坚持。在强有力的理论支持的情况下，可以做一些激进的前沿项目。”
第二个比较难忘的经历是疫情时课题受到突发情况的影响。在其博士 2-3 年级的时候，北美疫情爆发，直接影响了实验进度。同时，此前帮助他们分析生物信息的合作者，在毕业之后前往其他国家工作，这导致课题的生信分析出现了部分中断。重压之下，杨东赫开始在疫情隔离期间自学生物信息分析，最终完成了本次研究。
对于未来杨东赫表示，第一是结合心肌亚种分化方法，以及诱导多能干细胞来研究不同的心脏病。第二是建立多谱系心区表观遗传学图谱，再结合已有的转录组数据，对心区分化的分子基础做进一步研究。在职业规划上，他表示：“马上会前往美国进行博后研究，希望能有机会与国内课题组合作。”
参考资料：
1.Yang, D., Gomez-Garcia, J., Funakoshi, S., Tran, T., Fernandes, I., Bader, G. D., ... & Keller, G. M. (2022). Modeling human multi-lineage heart field development with pluripotent stem cells. Cell Stem Cell, 29(9), 1382-1401.
