在国家自然科学基金项目（批准号:31571487、31771607、31327901）等资助下，北京大学分子医学所何爱彬课题组、程和平课题组与北京航空航天大学肖文磊课题组合作，实现了在小鼠早期器官发育过程中的单细胞分辨率、长时程、不间断的全细胞谱系追踪。该研究首次描绘了哺乳动物心脏早期发育的细胞谱系全景图，揭示了从心管起源到心室建立，再到肌小梁形成的细胞动力学新机制。相关成果以“单细胞分辨率下小鼠心室腔形成过程中心肌细胞行为的长时程实时成像（Long-term, in toto live imaging of cardiomyocyte behaviour during mouse ventricle chamber formation at single-cell resolution）”为题，于2020年3月2日在《自然细胞生物学》（Nature Cell Biology）上在线发表。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41556-020-0475-2。
利用成像技术重构具有单细胞分辨率且时间上连续的全细胞谱系，是发育生物学的难点和热点。心脏作为哺乳动物胚胎发育中第一个形成的功能性器官，是其他组织器官发育的关键推动力。本项研究全面突破了连续追踪心脏发育的全细胞谱系的技术难点，设计并优化了新的胚胎培养体系，研发了一套适应拍摄小鼠胚胎发育的垂直式双侧扫描光片显微镜（vSPIM），提供了单细胞分辨率、视场足够大和成像灵活（温度、气体、压力控制及培养基循环）的新技术，开发了一系列适应海量图像数据预处理程序和细胞识别算法，实现了长达1.5天心脏全部心肌细胞的连续成像（从约300个到8000多个细胞，总细胞识别数约2百万个）和时间分辨率为3分钟的全细胞谱系追踪。
研究结果清晰地揭示了心室形态发生细胞动力学与肌小梁的细胞起源与机制：在心室膨大过程中，最外层细胞具有远离心室中心，沿着外壳膨大方向迁移的特性；最外层细胞定向性迁移所造成的细胞空隙，可由其它层细胞的插入和最外层细胞的水平分裂来补充。进一步分析表明，肌小梁细胞有两种起源，一类是细胞命运预先决定的肌小梁原始细胞，即内层细胞从开始的心肌细胞分化就位于内层，后续通过自我增殖不断贡献给肌小梁形成，另一类则起源于外层细胞，通过迁移或者有偏向性的细胞分裂定植于内层。
获取全时空细胞谱系实现了精确重构器官发育过程的全细胞行为轨迹与数字模型，可以揭示微妙的细胞动态异常，是阐明发育相关疾病发生和起源机制的关键技术。本研究为解析器官动态形成全过程，提供了一整套活体成像系统解决方案，是哺乳动物发育生物学领域的一项重要突破。
图1. 自主开发的垂直式光片显微镜系统
图2. 应用单细胞分辨率长时程实时成像系统揭示心室肌小梁谱系起源与形成机制