從杭州外國語學校高中畢業之後，楊東赫本科和博士均就讀於加拿大多倫多大學。29 歲的他，前不久在 Cell Stem Cell 發表了一篇論文，並且同時擔任一作兼共同通訊。
圖 | 楊東赫（來源：楊東赫）
據悉，該研究第一次建立了全面的人類胚胎心臟多譜系發育圖譜，提供了多種體外胚胎心臟細胞分化的方法。也展示了通過結合人類胚胎幹細胞分化技術、以及單細胞轉錄組測序技術，來研究人類胚胎多譜繫心區發育的過程。這些發現具備臨床應用的可能性，比如可用於研究先天性心臟病和腔室特異性心肌病，以及用於開發新型細胞療法。
具體來說：其一，基於此次研究建立多細胞種類、以及多腔室的的心臟類器官模型，可用於模擬發育過程和疾病發生。而在此次研究中，大部分心肌細胞種類的分化方法已經得到闡述。那麼，建立類器官模型之後，可以用它們進行電生理研究、基因調控研究以及建立疾病模型。
其二，可使用體外分化的左心室心肌細胞來治療心肌梗塞。具體策略是將左心室細胞進行生化和新陳代謝成熟之後，再將成熟的左心室細胞移植到心梗模型中，從而促進治療效果。
（來源：Cell Stem Cell）
胚胎多譜繫心區發育，對於心血管疾病的研究具有重大意義
以往研究表明，哺乳動物的心臟包含多種功能特異的心肌細胞，大致可歸類為具有收縮功能的工作細胞、和具有自動節律性的自律細胞。
根據小鼠胚胎譜系追蹤、以及回顧性分析研究就能發現，處於不同區域且功能特異的心肌細胞，是從不同心區發育而來的。這些不同的心區大致可歸類為第一生心區、前第二心生區和後第二心生區。
此前研究表明在胚胎髮育中，這些不同的心區細胞呈現出不同的解剖學和基因表達特徵。
比如，在小鼠早期胚胎期，第一生心區細胞位於心臟新月體的腹側，高度表達 Hand1、Tbx5 和 Hcn4 等基因。第二心生區細胞則位於第一生心區背側，高度表達 Isl1、Hoxa1、Hoxb1、Tbx1 和 Fgf10 等基因。
隨著胚胎的發育，第一生心區主要發育為左心室心肌細胞、以及房室管心肌細胞；前第二心生區發育為右心室心肌細胞和流出道心肌細胞；後第二心生區則會產生心房心肌細胞和鼻竇靜脈衍生結構。
近年來，關於小鼠早期原腸胚研究表明，在原腸胚形成時，這些不同心區譜系的前體就已產生。因此，胚胎多譜繫心區發育，對於心臟發育和心血管疾病的研究具有重大意義。
以往研究顯示，源於不同心區的心肌細胞亞型，受到多種腔室特異性心血管疾病影響。例如，心律失常性右心室心肌病、左心發育不全綜合征和各種瓣膜疾病，多數發生於特定的腔室以及心肌細胞。
所以，為了更好地研究這些具有細胞來源特異性的心臟病，以及開發有效的療法，則十分有必要開發體外系統，以對每種細胞亞型的發育進行精確研究。
在一定程度上，動物模型為該研究提供了研究心區發育的模型。然而，由於缺少早期人類胎兒組織，學界對人類心區發育的過程知之甚少。
雖然有研究報道，從人類胚胎幹細胞里，可在體外分化出類似第一生心區和第二心生區的結構。但是，全面的多譜系、多發育階段的人類心區發育圖譜還未被闡述過。
因此，為了使用人類多能性幹細胞，去模擬多階段人類胚胎的第一生心區、前第二心生區和後第二心生區譜系發育，該團隊首先分析了小鼠中胚層細胞的單細胞轉錄組。
分析之後，發現了兩個重要的信號通路 BMP 和 Nodal signaling pathways，它們會在小鼠第一生心區和第二心生區特異表達。通過操縱這兩種信號通路，課題組從人類胚胎幹細胞分化出第一生心區、前第二心生區和後第二心生區中胚層亞型，之後利用單細胞測序來詳細地描繪它們的轉錄組。
基於這些單細胞轉錄組數據，研究人員結合人類原腸期單細胞測序數據，第一次闡述了如下規律：幹細胞分化的心區中胚層亞型具有不同的時間性，這與最近的小鼠回述性研究相契合。
之後，其從這些不同的心區中胚層細胞分化出子細胞，並通過單細胞測序第一次繪製了人類多心區，多發育階段轉錄子圖譜。
（來源：Cell Stem Cell）
通過分析子細胞的單細胞轉錄組，課題組發現 BMP 和 retinoic acid （RA） signaling 作用於不同譜系的子細胞。
具體為：第一生心區不受 RA 調控，後第二心生區則受到 RA 調控，前第二心生區同時受到這兩種信號通路的調控。
了解子細胞的信號通路之後，通過分階段操縱特定的信號通路，研究人員最終從不同的子細胞亞型里，分化出了表達關鍵分子的特徵、以及表達電生理特徵的心肌細胞群亞型。
最後，該團隊利用機器學習和整合分析技術，比較了體外分化的心肌亞型、及其相對應的小鼠、以及人類細胞轉錄組。結果發現，多功能幹細胞分化而來的心肌細胞群亞型，與這些動物體內的細胞高度相似。
近日，相關論文以《用多能幹細胞模擬人類多譜繫心臟領域的發育》（Modeling human multi-lineage heart field development with pluripotent stem cells）為題發表在 Cell Stem Cell（IF 24.6）上，楊東赫擔任一作兼共同通訊，多倫多大學醫學生物物理學系教授戈登·M· 凱勒（Gordon M. Keller）擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Cell Stem Cell）
評審專家指出，研究人員從小鼠胚層譜系發生過程中找到了關鍵的信號通路，並成功將這些發現運用於人類胚胎幹細胞系統。
這項工作為理解哺乳動物心區譜系建立、及多能幹細胞的命運調控機制，提供了翔實數據和細緻的跨物種比較，是對哺乳動物心區譜系發育理論的重要補充，將推動早期心臟胚胎髮育和幹細胞再生醫學相關領域的發展。
同時，研究中的跨物種分析、以及體內與體外細胞的比較分析，也會給心區研究提供新思路和研究對象。
在幹細胞領域，第一次報道建立胚胎幹細胞分化右心室細胞的方法
據介紹，對於該課題來說，立項階段反而比較困難。該團隊一開始認為，從人類胚胎幹細胞中分化出所有心區譜系是個大難題，而且就算分化出不同心區母細胞，也不確定它們是否能在體外分化為不同種類心肌細胞亞種。
各種不確定性、以及缺少針對此項目的科研基金，導致第一年的立項比較坎坷。但是，課題組仍然認為該項目對於發育學有重大意義，假如項目成功即可證明在體外研究高精度胚胎髮育的可能性。
在立項階段，研究人員總結了多個近年的小鼠回述性研究，重新分析了最新的小鼠胚腸期單細胞測序數據，從而確定了各個心區母細胞亞種的基因表達圖譜和幾個重要的特異表達的信號通路。
而該階段第一個重要的突破口，則是在小鼠數據上發現 TGF-beta 信號通路在不同心區母細胞中特異表達，這讓他們從人類胚胎幹細胞中，成功分化出了類似於不同心區中胚層細胞，從而讓其對該課題產生了一定的信心。
之後，該團隊總結了實驗數據和生信分析結果，將不同心區發育而來的心肌亞型與不同種類心臟病相關聯，最終獲得 Canadian Institute of Health Research 和細胞療法公司 Bluerock Therapeutics 的資助。
得到科研資金之後，研究人員首先對不同的心區中胚層細胞進行了單細胞測序，由此確認了第一生心區、前第二心生區和後第二心生區中胚層亞型的存在。
在體外用幹細胞模擬胚胎髮育，有這樣一個巨大的優點，即可以自主分化細胞、並且分離純化想要的細胞型，從而進行更深入的研究。
接著，通過轉錄組分析技術，對於每個心區中胚層亞型里的高度表達的細胞膜蛋白，課題組陸續予以確定。此外，其還利用流式技術來將心區譜系，進行分離和單獨分化，以便研究各個譜系的獨立分化與發育。
有了分離的心區母細胞之後，研究開始順利起來。與課題組的猜想一致的是，每種純化的心區母細胞，會分別分化出不同的子細胞。通過分析子細胞的轉錄組，其進一步證實這些人類胚胎幹細胞誘導的心區子細胞，與小鼠胚胎中的心區子細胞表達相似的基因。
在更深入分析心區細胞時，擔任一作的楊東赫發現，前第二心生區子細胞高度表達作用於 Bmp signaling pathway 的基因，這一發現與近年來小鼠前第二心生區的研究互相契合。
根據這一發現，他通過一些列實驗來抑制、或增強該信號通路在前第二心生區的作用。最終發現，加強該信號通路能讓前第二心生區大致分化為右心室心肌細胞。
其表示：「在幹細胞領域裡，我們第一次報道了成功建立胚胎幹細胞分化右心室細胞的方法。用類似的方法，我們從其他的心區子細胞中，分化出了其他心肌亞型。後來，對於所有從人類胚胎幹細胞分化而來的心肌亞型的轉錄組，我們也進行了分析，並將它們與小鼠心肌細胞、以及人體心肌細胞進行比較，從而得出了如下結論：體外分化的細胞，與體內發育的細胞大致相同。」
「被迫」自學生物信息分析
而讓楊東赫比較難忘的是，則是開題時和同事對於課題理解上的分歧，以及在疫情期間克服實驗問題、自學生物信息分析的經歷。
剛開展課題時，一個比較資深的同事認為楊東赫的實驗設想，可能比較難以實現。但是，他堅持了自己的思路，即從高通量測序中找重要的信號通路，從而在體外模擬心臟的發育。
楊東赫說：「這個經歷讓我意識到做科研需要一定的自信以及對於自己想法的堅持。在強有力的理論支持的情況下，可以做一些激進的前沿項目。」
第二個比較難忘的經歷是疫情時課題受到突發情況的影響。在其博士 2-3 年級的時候，北美疫情爆發，直接影響了實驗進度。同時，此前幫助他們分析生物信息的合作者，在畢業之後前往其他國家工作，這導致課題的生信分析出現了部分中斷。重壓之下，楊東赫開始在疫情隔離期間自學生物信息分析，最終完成了本次研究。
對於未來楊東赫表示，第一是結合心肌亞種分化方法，以及誘導多能幹細胞來研究不同的心臟病。第二是建立多譜繫心區表觀遺傳學圖譜，再結合已有的轉錄組數據，對心區分化的分子基礎做進一步研究。在職業規划上，他表示：「馬上會前往美國進行博後研究，希望能有機會與國內課題組合作。」
參考資料：
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.
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