Das Herz ist das zentrale Kreislauforgan in unserem Körper und jede Abweichung seiner Funktion wirkt sich negativ auf die Homöostase des gesamten Körpers aus. Die Herzfunktion beruht auf der Synergie der Zellen, die das Organ bilden. Die detaillierte zelluläre Zusammensetzung sowie die Funktionalität der einzelnen Zellen müssen noch ermittelt werden, und diese Arbeit ist eine wichtige Ergänzung dieser Bemühungen. Dank der jüngsten Entwicklungen in den Einzelzelltechnologien sind wir nun in der Lage, Transkriptome einzelner Zellen aus komplexem Gewebe in beispiellosem Umfang zu charakterisieren. Im ersten Schritt eines solchen Experiments müssen die Zellen und Zellkerne aus dem Gewebe befreit und vereinzelt werden. Herzgewebe wirft in dieser Hinsicht einzigartige Herausforderungen auf, darunter die Knappheit des gesunden menschlichen Herzgewebes für die Forschung, das Vorhandensein von Kardiomyozyten, die aufgrund ihrer Größe nicht durch Microfluid-basierte Standardinstrumente passen und deren Multinukleation, sowie mögliche Voreingenommenheit verschiedener Methoden zur Gewebedissoziation.
Hier präsentiere ich den umfassenden Zellatlas des gesunden erwachsenen menschlichen Herzens. Ich beginne mit der Methodenentwicklung zur Isolierung von einzelnen Zellen und Zellkernen aus Mausherzen. Um den Zellatlas des menschlichen Herzens zu erstellen, analysiere ich einen Datensatz von fast einer halben Million Einzelzellen und Zellkerne aus sechs Herzregionen von vierzehn gesunden Menschen. In diesem Atlas definieren wir 11 Hauptzelltypen und 62 Zellzustände des menschlichen Herzens. Ein tieferer Fokus wird auf das Herzgefäßsystem gelegt und die Zellen der arterio-venösen Achse sowie deren Wechselwirkungen und potenzielle Funktionalität werden definiert. Insgesamt präsentiert diese Dissertation einen komplex Datensatz aus menschlichem Herzgewebe und liefert neue Einblicke in die Biologie des gesunden Herzens mit Implikationen für kardiovaskuläre Erkrankungen. / The heart is the central circulatory organ in our bodies and any discrepancies of its function relative to healthy homeostasis negatively impact the whole body. Cardiac function relies on the synergy of all the cells that constitute the organ. The detailed cellular composition as well as the heterogeneity and functionality of the individual cells is yet to be established and this work is a major advance in this effort. Thanks to the recent developments in single cell genomics technologies, we are now able to profile transcriptomes from individual cells of complex tissues at unprecedented scale. In the first step of such an experiment, the single cells and nuclei need to be liberated from the tissue. Heart tissue presents a unique set of challenges in this regard, including the scarcity of healthy human cardiac tissue for research, large cardiomyocytes that do not fit into the standard droplet-based instruments, multinucleation of cardiomyocytes that might skew the proportions of the recovered nuclei as well as potential bias of tissue dissociation methods.
Here I present a cell atlas of the free walls, apex and septum of the healthy adult human heart. I start with methods development for the isolation of single cells and single nuclei from mouse heart. Next, I move to the building of the atlas of the human cells and nuclei, where I describe the dataset of close to half a million single cells and nuclei sampled from 14 organ donors, defining 11 major cell types and 62 cell states of the heart. A deeper focus on the cardiac vasculature defined the cells of the arterio-venous axis as well as their interactions and potential functionality. Overall, this thesis presents a joined dataset of single cells and single nuclei from human cardiac tissues and provides new insights into cardiac biology in heath with implications for cardiovascular disease.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/27089 |
| Date | 19 April 2023 |
| Creators | Litviňuková, Monika |
| Contributors | Landthaler, Markus, Hübner, Norbert, Teichmann, Sarah |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY 4.0) Attribution 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
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