Unser Wissen über den Ursprung und die zelluläre Identität von Schaumzellen in vivo ist erstaunlich begrenzt, wenn man bedenkt, dass diese Zellen in atherosklerotischen Läsionen allgegenwärtig sind und eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese der Läsion spielen, einschließlich der klinischen Spätfolgen wie Herzinfarkt oder Schlaganfall. In humanpathologischen Studien an fortgeschrittenen Läsionen1 wurden Schaumzellen oder lipidreiche Zellen zunächst als Makrophagen identifiziert, wobei monoklonale Antikörper gegen CD68, CD45 und HLA-Klasse II (Cluster of Differentiation 68, Cluster of Differentiation 45 und humanes Leukozyten-Antigen Klasse II) verwendet wurden.2 Es folgten jedoch schnell Studien mit verbesserten Aktin-Antikörpern, die zeigten, dass glatte Muskelzellen (SMC) ebenfalls Schaumzellen hervorbringen können, und zwar sowohl in fortgeschrittenen als auch in frühen menschlichen Läsionen.3,4 Jüngste Studien unseres Labors5-7 und anderer8 haben jedoch gezeigt, dass die alleinige Verwendung von Markergenen zur Bestimmung der Zellherkunft im Zusammenhang mit einer atherosklerotischen Läsion kein zuverlässiger Ansatz ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass SMC ihre kontraktilen Marker verlieren und Makrophagenmarker wie CD68 exprimieren können,5 Endothelzellen und Makrophagen können eine mesenchymale Transition durchlaufen und SMC-Marker exprimieren,9-11 und einige Zellen in menschlichen Läsionen exprimieren sowohl CD68 als auch ACTA2 (Alpha-2-Actin), was unser Verständnis bezüglich der Herkunft von Schaumzellen in Läsionen weiter verwirrt.5,12

Siehe Begleitartikel auf Seite 876

In dieser Ausgabe von Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology liefern Wang et al13 den faszinierenden Beweis, dass 60 % bis 70 % der Schaumzellen in atherosklerotischen Läsionen von Mäusen nicht von Leukozyten, sondern von SMC stammen. Wichtig ist, dass die Schlussfolgerungen auf einem beeindruckenden Einsatz komplementärer Methoden beruhen, einschließlich der Rückverfolgung der SMC-Abstammung bei Mäusen, spezieller durchflusszytometrischer Methoden, die Schaumzellen sowohl leukozytären als auch nicht-leukozytären Ursprungs erhalten, und des Nachweises, dass SMC-abgeleitete Schaumzellen negativ für den Pan-Leukozytenmarker CD45 zu sein scheinen. Letztere Beobachtung ist wichtig, weil dieselbe Gruppe zuvor gezeigt hat, dass >50 % der Schaumzellen in menschlichen fortgeschrittenen Koronararterienläsionen ACTA2+ CD68+, aber CD45- sind, was darauf hindeutet, dass auch in menschlichen Läsionen nicht von Leukozyten stammende Zellen die Hauptquelle für Schaumzellen sind und nicht Monozyten-Makrophagen, wie lange angenommen wurde.14,15 Obwohl die Mausdaten überzeugend erscheinen, bleibt die Interpretation der Humandaten umstritten, da sie vollständig von der unbewiesenen Annahme abhängt, dass alle von Leukozyten stammenden Schaumzellen in menschlichen Läsionen die Expression von CD45 beibehalten. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass in Humanstudien keine strenge Abstammungsanalyse durchgeführt werden kann. Unser Labor hat bereits eine epigenetische Methode entwickelt, die den Nachweis von aus SMC stammenden Zellen auf der Grundlage des Nachweises von H3K4diMe (Dimethylierung von Lysin 4 auf Histon 3) in der Myh11-Promotorregion (Myosin Heavy Chain 11) in histologischen Schnitten ermöglicht.6 Diese Methode ist jedoch nur von begrenztem Nutzen für die Analyse von Schaumzellen, da es, wie von Wang et al. angegeben, praktisch unmöglich ist, einzelne Schaumzellen in fortgeschrittenen Läsionen zu unterscheiden. Wie könnten diese inhärenten Einschränkungen also überwunden werden?

Wir glauben, dass die Lösung auf der Grundlage von unvoreingenommenen Einzelzell-RNAseq-Analysen (scRNAseq) fortgeschrittener menschlicher Läsionen in Kombination mit komplementären scRNAseq-, Durchflusszytometrie- und Massenzytometrie-Studien (CyTOF) fortgeschrittener Läsionen von Mäusen mit SMC-Abstammungsnachweis bei Atherosklerose gefunden werden wird. Obwohl in jüngster Zeit eine Reihe von scRNAseq-Studien an atherosklerotischen Läsionen durchgeführt wurden, sind wir der Meinung, dass diese Studien bisher nur sehr begrenzt zur Lösung der jahrzehntelangen Kontroverse über die Hauptquelle der Schaumzellen beitragen konnten. Diese Daten heben die einzigartigen Einblicke hervor, die durch neuartige Techniken gewährt werden, mahnen aber auch zur Vorsicht bei der Interpretation dieser und anderer Studien und legen nahe, dass die weitere Erforschung der Zellidentität und -eigenschaften unter Verwendung einer rigorosen Abstammungsverfolgung zusammen mit scRNAseq und fortgeschrittenen Assays auf Proteinebene ein wichtiger Bereich für die zukünftige Forschung ist.

Wang et al. verwendeten Lipidfixierung, gefolgt von BODIPY (Bor-Dipyrromethen)-Färbung und Durchflusszytometrie, um Schaumzellen in atherosklerotischen Aorten von mit westlicher Diät ernährten oder gealterten ApoE-/- Mäusen zu quantifizieren und zu charakterisieren. Eine ähnliche Technik wurde von Kim et al16 verwendet, um BODIPY+ SSChi-Schaumzellen aus atherosklerotischen Aorten von Mäusen zu isolieren und mittels Einzelzell-RNAseq zu analysieren. Wichtig ist, dass in beiden Studien ganze Aorten und nicht Läsionen analysiert wurden, so dass die Mehrheit der analysierten Zellen nicht aus atherosklerotischen Läsionen stammt, sondern eher die Gesamtpopulationen von Zellen in Läsionen, Media und Adventitia widerspiegelt. Darüber hinaus konzentrierten sich Kim et al. auf sortierte CD45+-Zellen, um ein Profil der Makrophagenpopulationen in der murinen Aorta zu erstellen, was natürlich die von Wang et al. beschriebenen SMC-abgeleiteten Schaumzellen ausgeschlossen hätte. Die Gruppe hat scRNAseq-Daten zu allen BODIPY+SSChi-Schaumzellen in die Ergänzung aufgenommen. Interessanterweise zeigen diese Daten positive Zellen für ACTA2 und Sm22a, bei denen es sich um die von Wang et al. in ihren Studien beschriebenen, nicht von Leukozyten stammenden Schaumzellen handeln könnte. Wichtig ist jedoch, dass scRNAseq-Ergebnisse möglicherweise keine zuverlässige Methode zur Quantifizierung der Herkunft von Schaumzellen sind, da Winkels et al. auf der Grundlage von Massen-RNAseq-Dekonvolution Beweise dafür gefunden haben, dass Standard-SCRNAseq-Techniken Makrophagen und Monozyten um ≈65 % untererfassen.17 Dies könnte ein Hauptgrund dafür sein, dass Gruppen, die besonders an Makrophagenpopulationen interessiert sind, diese Zellen vor der Analyse mit Hilfe der Durchflusszytometrie konzentrieren müssen, eine Technik, die in mehreren neueren Arbeiten zur Beschreibung von Leukozyten in atherosklerotischen Blutgefäßen angewandt wurde.16-18 Solche Ansätze beeinträchtigen jedoch wahrscheinlich die potenzielle Leistungsfähigkeit der scRNAseq, um die Vielfalt der Zelltypen zu erkennen und die Bedeutung bisher unbekannter Zellpopulationen für die Krankheit zu entdecken. Unsere vorgefassten Meinungen gelten nämlich nicht nur für den Zelleintrag, sondern auch für die Interpretation von scRNAseq-Daten, bei denen Forscher ein vollständiges Transkriptom von Aorten- oder Läsionszellpopulationen erhalten und dann den Zelltyp anhand einiger weniger, bekannter Marker bestimmen. Dies unterläuft den Zweck einer Technologie, die dazu gedacht ist, Gruppen auf der Grundlage von Hunderten oder Tausenden von Genen zu unterscheiden, und kann auch bei Gruppen, die ähnliche Zellpopulationen untersuchen, zu Verwirrung führen.19,20 Letzteres ist besonders problematisch, da die Verwendung einiger weniger konventioneller und bekannter Markergene zur Identifizierung von Zelltypen in atherosklerotischen Läsionen im Spätstadium inzwischen als unzuverlässig gilt.5,911 Wang et al. räumen ein, dass 20 % der Nicht-SMC-Schaumzellen ebenfalls kein CD45 exprimieren, was darauf hindeutet, dass sie aus einer anderen Quelle oder von Makrophagen stammen könnten, die kein CD45 mehr exprimieren. Keine Technik ist völlig unvoreingenommen, und daher muss die Verwendung mehrerer komplementärer Techniken, einschließlich Abstammungsnachweis, immunhistochemischer Färbung, Durchflusszytometrie, CyTOF und Sequenzierung, der Goldstandard für künftige Studien zur Untersuchung der Zellidentität bei Atherosklerose sein.

Unklarheiten bei der Zellidentifizierung auf der Grundlage eines oder weniger Markergene können auch kritische therapeutische Auswirkungen haben. Das heißt, dass eine Therapie, die bei einigen Zellen vorteilhafte Wirkungen hat, bei anderen Zellen nachteilige Wirkungen haben kann. Dies wird in einem kürzlich erschienenen Nature Medicine-Artikel unserer Gruppe21 deutlich, in dem unerwartet gezeigt wurde, dass die Einlagerung und der Verbleib von SMC in der fibrösen Kappe fortgeschrittener atherosklerotischer Läsionen von IL-1b- und IL-1-Rezeptor-Signalen abhängig ist. Im Gegensatz dazu ist auch bekannt, dass IL-1b zur Entwicklung von Atherosklerose beiträgt.22 In ähnlicher Weise wurde von Wang et al. gezeigt, dass ABCA1 (ATP-binding cassette A1) in CD45-negativen Schaumzellen herunterreguliert wird, was nach Ansicht der Autoren ein Mechanismus für die Akkumulation von Lipiden im Laufe der Zeit sein könnte. Möglicherweise sind die subtilen Unterschiede in der Fähigkeit der Zelltypen, auf die Plaque-Mikroumgebung zu reagieren, entscheidend für die Pathogenese der Läsion, da Zelltypen, die die falsche Aufgabe haben, sich festsetzen. Wir vermuten, dass SMC-abgeleitete makrophagenähnliche Zellen ein schlechter Ersatz für professionelle phagozytische Zellen sind und sich mit Lipiden vollsaugen, aber nur begrenzt in der Lage sind, diese zu entsorgen (Abbildung).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier von Wang et al. berichteten Studien eine wichtige Verbindung zwischen den Beobachtungen von Schaumzellen in menschlichen Läsionen und Mausmodellen herstellen und auf eine unterschätzte Rolle von SMC bei der Schaumzellenbildung hinweisen. Die Schlussfolgerungen von Wang et al. sind ein zwingender Beweis dafür, dass in diesem Bereich noch viel mehr Forschung notwendig ist. Es bleibt zu hoffen, dass wir durch den kombinierten Einsatz fortschrittlicher Modelle zur Abstammungsanalyse bei Mäusen und die unvoreingenommene Erstellung von Transkriptions- und Proteom-Profilen von Läsionszellen den Ursprung und die Funktionen der verschiedenen Zelltypen, die in Läsionen vorhanden sind, genauer definieren und wirksame neue therapeutische Ansätze entwickeln können, um die Plaquestabilität zu verbessern und thrombotische Komplikationen im Spätstadium der Atherosklerose zu verringern.

Fußnoten