Atherosclerotische hart- en vaatziekte (ASCVD) is de belangrijkste doodsoorzaak en invaliditeit ter wereld, en ondanks grote therapeutische vooruitgang blijft de last ervan onverminderd1. Atherosclerose is een chronische ontstekingsziekte van de arteriële wand, veroorzaakt door complexe en dynamische interacties tussen diverse celpopulaties die gezamenlijk de stille progressie van vroege subklinische ziekten naar levensveranderende cardiovasculaire (CV) gebeurtenissen orkestreren2.
In middelgrote en grote slagaders is de ophoping van cholesterolafzettingen in macrofagen een kenmerk van atherosclerose3. De atherosclerotische plaque bestaat uit vetzuren, cholesterol, ontstekingscellen, calcium, fibrine, gladde spiercellen, endotheelcellen en cellulair afval in het subendotheel4. Atherosclerotische plaques worden ingedeeld in twee typen: laag risico en hoog risico. Hoogrisicoplaques worden geïdentificeerd door hun neiging om een daaropvolgende cardiovasculaire gebeurtenis te veroorzaken, meestal via mechanismen zoals plaqueerosie of ruptuur5.
De kenmerken van hoogrisicoplaques omvatten grote lipidenkernen, meerdere ontstekingscellen, minder gladde spiercellen, een dunne vezelige kap, microcalcificatie, intraplaque bloeding, neo-vaten en een necrotische kern6. De detectie van hoogrisicoplaques wordt klinisch uitgevoerd met niet-invasieve en invasieve beeldvormingsmethoden, namelijk coronaire computertomografie angiografie (CCTA) en optische coherentietomografie (OCT), respectievelijk 7,8. Ondanks talrijke vooruitgang in cardiovasculaire beeldvorming blijft het lastig om de ruptuur van atherosclerotische plaque die myocardinfarct (MI) veroorzaakt te voorspellen, en het is niet altijd nuttig in klinische situaties9.
Ondanks decennia van onderzoek ontbreekt het ons nog steeds aan betrouwbare circulerende biomarkers die specifiek fenotypes van hoogrisicoplaques kunnen identificeren, wat een kritieke leemte ontstaat in onze klinische behandeling van atherosclerose. Dit onderstreept de noodzaak van moleculaire strategieën die deze plaques op een fundamenteler biologisch niveau kunnen karakteriseren, 7,10. In deze context hebben RNA-gebaseerde markers veel aandacht gekregen, omdat ze de ingewikkelde transcriptieactiviteit binnen het plaque-micro-milieu11 kunnen vastleggen. Recente ontwikkelingen in single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) zijn bijzonder krachtig gebleken, met een ongekende oplossing om individuele cellen binnen atherosclerotische plaques te profileren en verschillende celpopulaties, genexpressiepatronen en moleculaire routes te ontdekken die ten grondslag liggen aan plaquekwetsbaarheid12,13. Ondanks deze ontwikkelingen is er weinig kennis over de regulerende processen, interacties en functionele betekenis van de verschillende celtypen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van atherosclerose14.
Wanneer de atherosclerotische last ernstig en diffus is, wordt chirurgische revascularisatie de definitieve behandelstrategie. Coronaire endarterectomie (CE) is een chirurgische aanvulling op een coronaire bypassoperatie (CABG), waarbij atherosclerotische plaque mechanisch wordt verwijderd uit diffuus zieke kransslagaders om bypass-transplantatie mogelijk te maken en volledige myocardrevascularisatiete bereiken. Atherosclerotische plaques en endarterectomiemonsters zijn bijzonder uitdagend om mee te werken omdat ze overvloedig necrotisch weefsel, lipidenafzettingen, fibrine en verkalkingen bevatten. Wanneer deze weefsels worden afgebroken voor analyse, produceren ze aanzienlijke resten die filters en microfluidische systemen verstoppen, waardoor het isoleren van levensvatbare enkele cellen extreem moeilijk wordt17,18. Uit een studie van carotisplaque bleek zelfs dat levensvatbare cellen minder dan 1% van alle deeltjes uitmaakten na weefselverwerking; de rest was simpelweg plaquetteafval18.
Om deze uitdaging nog verder te verergeren, bestaan atherosclerotische plaques in een staat van chronische metabole en oxidatieve stress, waarbij cellen die apoptose, veroudering en andere degeneratieve processen ondergaan, celmembranen steeds fragieler en gevoeliger maken voor verstoring, waardoor het isoleren van levensvatbare individuele cellen extreem moeilijk is 18,19,20. De mechanische en enzymatische vertering die nodig is om monsters voor scRNA-seq voor te bereiden, beschadigt vaak deze al aangetaste cellen, waardoor de levensvatbaarheid verder afneemt en de celvangstsnelheden slecht zijn. Dit proces leidt er ook vaak tot selectief verlies van fragiele of zeldzame celpopulaties, wat aanzienlijke bias introduceert in zowel de transcriptomische data als de celtypen die in de uiteindelijke resultaten worden weergegeven. Dit probleem wordt nog duidelijker bij verkalkte of zwaar zieke plaques, waar de zware verwerkingsomstandigheden die nodig zijn om het weefsel af te breken extra schade aan de cellevensvatbaarheidveroorzaken 18,21,22.
Daarentegen blijft de kern structureel intact, zelfs onder deze ongunstige omstandigheden23. Dit komt voornamelijk door de nucleaire omhulsel, een dubbele lipide-dubbellaag versterkt door nucleaire lamins (Lamin A/C en Lamin B), die mechanische stijfheid en weerstand biedt tegen osmotische, enzymatische en fysieke spanningen die het plasmamembraan24,25 gemakkelijk verstoren. De nucleaire lamina behoudt ook de kernmorfologie, zelfs wanneer het omliggende cytoplasma ernstig is aangetast26. Dit maakt single-nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) een praktischer en betrouwbaarder alternatief voor single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) voor het profileren van atherosclerotisch weefsel27. Door transcriptie-informatie van intacte kernen te verzamelen in plaats van hele cellen, omzeilt snRNA-seq de beperkingen van slechte cellevensvatbaarheid en een hoog afvalgehalte, waardoor nauwkeurigere en uitgebreidere transcriptomische profilering van de plaque-microomgevingmogelijk is.
Daarom presenteren we in deze studie een geoptimaliseerd nuclei-isolatieprotocol dat specifiek is ontwikkeld voor coronaire endarterectomie, met niet-ionische detergent-gebaseerde lyse en empirisch aangepaste lyseduur op basis van de mate van weefselverkalking, om consequent hoogwaardige kernen te leveren met behouden structurele en RNA-integriteit, geschikt voor downstream snRNA-seq analyse.