Atherosklerotische Herz-Kreislauf-Erkrankung (ASCVD) ist die weltweit führende Todes- und Behinderungsursache und trotz großer therapeutischer Fortschritte bleibt ihre Belastung unvermindert1. Atherosklerose ist eine chronisch entzündliche Erkrankung der Arterienwand, die durch komplexe und dynamische Interaktionen zwischen verschiedenen Zellpopulationen ausgelöst wird, die gemeinsam den stillen Übergang von früher subklinischer Erkrankung zu lebensverändernden kardiovaskulären (CV-)Ereignissen orchestrieren2.
In mittleren und großen Arterien ist die Ansammlung von Cholesterinablagerungen in den Makrophagen ein Kennzeichen der Arteriosklerose3. Der atherosklerotische Plaque besteht aus Fettsäuren, Cholesterin, Entzündungszellen, Kalzium, Fibrin, glatten Muskelzellen, Endothelzellen und Zellresten im Subendothel4. Atherosklerotische Plaques werden in zwei Typen eingeteilt: niedriges Risiko und Hochrisiko. Hochrisikoplaques werden durch ihre Tendenz erkannt, ein nachfolgendes kardiovaskuläres Ereignis auszulösen, typischerweise durch Mechanismen wie Plaqueerosion oder Ruptur5.
Zu den Eigenschaften von Hochrisikoplaques gehören große Lipidkerne, mehrere entzündliche Zellen, weniger glatte Muskelzellen, eine dünne faserige Kappe, Mikrokalkbildung, Intraplaque-Blutung, Neo-Gefäße und ein nekrotischerKern 6. Der Nachweis von Hochrisikoplaques erfolgt klinisch mit nicht-invasiven und invasiven Bildgebungsverfahren, nämlich der koronar-Computertomographie-Angiographie (CCTA) und der optischen Kohärenztomographie (OCT) 7,8. Trotz zahlreicher Fortschritte in der kardiovaskulären Bildgebung ist es weiterhin schwierig, den Riss der atherosklerotischen Plaque, die Myokardinfarkt (MI) verursacht, vorherzusagen, und sie ist in klinischen Situationen nicht immer nützlich9.
Trotz jahrzehntelanger Forschung fehlen uns weiterhin zuverlässige zirkulierende Biomarker, die speziell Hochrisikoplaque-Phänotypen identifizieren können, was eine kritische Lücke in unserer klinischen Behandlung der Arteriosklerose hinterlässt. Dies unterstreicht die Notwendigkeit molekularer Strategien, die diese Plaques auf einer grundlegenderen biologischen Ebenecharakterisieren können 7,10. In diesem Zusammenhang haben RNA-basierte Marker erhebliche Aufmerksamkeit erregt, da sie die komplexe transkriptionelle Aktivität innerhalb der Plaque-Mikroumgebung11 erfassen können. Jüngste Entwicklungen in der Single-Cell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) haben sich als besonders wirkungsvoll erwiesen und bieten eine beispiellose Auflösung, um einzelne Zellen in atherosklerotischen Plaques zu profilieren und unterschiedliche Zellpopulationen, Genexpressionsmuster und molekulare Wege aufzudecken, die der Plaque-Anfälligkeit zugrunde liegen12,13. Trotz dieser Entwicklungen gibt es wenig Wissen über die regulatorischen Prozesse, Interaktionen und die funktionelle Bedeutung der verschiedenen Zelltypen, die ander Entwicklung der Atherosklerose beteiligt sind.
Wenn die atherosklerotische Belastung schwer und diffus ist, wird die chirurgische Revaskularisation zur maßgeblichen Behandlungsstrategie. Die koronare Endarteriektomie (CE) ist eine chirurgische Ergänzung zur Koronararterie-Bypass-Operation (CABG), bei der der atherosklerotische Plaque mechanisch aus diffus kranken Koronararterien entfernt wird, um eine Bypass-Transplantation zu ermöglichen und eine vollständige myokardiale Revaskularisationzu erreichen. Atherosklerotische Plaques und Endarterektomie-Proben sind besonders schwierig zu bearbeiten, da sie reichlich nekrotisches Gewebe, Lipidablagerungen, Fibrin und Verkalkungen enthalten. Wenn diese Gewebe zur Analyse zerlegt werden, entstehen erhebliche Ablagerungen, die Filter und Mikrofluidiksysteme verstopfen, was die Isolierung lebensfähiger Einzelzellen äußerst erschwert17,18. Tatsächlich ergab eine Studie zur Karotisplaque, dass lebensfähige Zellen nach der Gewebeverarbeitung weniger als 1 % aller Partikel ausmachten; der Rest bestand einfach aus Plaque-Trümmern18.
Diese Herausforderung wird zusätzlich erschwert, dass atherosklerotische Plaques sich in einem Zustand chronischen metabolischen und oxidativen Stresses befinden, wobei Zellen, die Apoptose, Alterung und andere degenerative Prozesse durchlaufen, Zellmembranen zunehmend fragil und anfällig für Störungen machen, was die Isolierung lebensfähiger Einzelzellen äußerst schwierig macht 18,19,20. Die mechanische und enzymatische Verdauung, die zur Vorbereitung von Proben für scRNA-seq erforderlich ist, schädigt oft diese bereits geschwächten Zellen, was die Lebensfähigkeit weiter verringert und zu schlechten Zellfangraten führt. Dieser Prozess führt außerdem dazu, selektiv fragile oder seltene Zellpopulationen zu verlieren, was sowohl in den transkriptomischen Daten als auch bei den im Endergebnis dargestellten Zelltypen zu erheblichen Verzerrungen führt. Dieses Problem wird noch ausgeprägter bei verkalkten oder stark kranken Plaques, wo die harten Verarbeitungsbedingungen zum Abbau des Gewebes zusätzlichen Schaden an der Zelllebensfähigkeit verursachen 18,21,22.
Im Gegensatz dazu bleibt der Kern auch unter diesen widrigen Bedingungen strukturell intakt23. Dies liegt hauptsächlich an der Kernhülle, einer doppelten Lipiddoppelschicht, verstärkt durch Kernlamine (Lamin A/C und Lamin B), die mechanische Steifigkeit und Widerstand gegen osmotische, enzymatische und physikalische Spannungen bietet, die die Plasmamembranleicht stören. Die Kernlamina bewahrt auch die Kernmorphologie, selbst wenn das umgebende Zytoplasma stark beeinträchtigt ist26. Dies macht die Single-Nucleus-RNA-Sequenzierung (snRNA-seq) zu einer praktischeren und zuverlässigeren Alternative zur Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) zur Profilierung von atherosklerotischem Gewebe27. Durch die Erfassung von transkriptionellen Informationen aus intakten Kernen statt ganzer Zellen umgeht snRNA-seq die Einschränkungen durch schlechte Zelllebensfähigkeit und hohen Abfallgehalt und ermöglicht so eine genauere und umfassendere transkriptomische Profilierung der Plaque-Mikroumgebung18.
Daher präsentieren wir in dieser Studie ein optimiertes Kernisolationsprotokoll, das speziell für das Gewebe der koronaren Endarteriektomie entwickelt wurde, das nicht-ionische detergentbasierte Lyse und empirisch angepasste Lysedauer basierend auf dem Grad der Gewebeverkalkung einbezieht, um konsistent hochwertige Kerne mit erhaltener struktureller und RNA-Integrität zu erhalten, die für nachgelagerte snRNA-seq-Analysen geeignet sind.