人類腦血管系統(tǒng)是具有關(guān)鍵作用的組成系統(tǒng)，血管系統(tǒng)的功能障礙會導(dǎo)致中風(fēng)、先天性神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及神經(jīng)退行性疾病甚至?xí)斐伤劳觯硪环矫娲竽X中的血管系統(tǒng)所形成的血腦屏障(Blood-Brain Barrier，BBB)這一結(jié)構(gòu)成為了幾乎所有腦內(nèi)疾病治療的“魔障”。血腦屏障介導(dǎo)了血液與大腦之間分子的選擇性以及血流動力學(xué)反應(yīng)，對神經(jīng)功能的正常進行是必要的，于此同時導(dǎo)致治療大腦疾病藥物也很難通過。因此，如果能夠?qū)Υ竽X中的血管系統(tǒng)進行深入理解，將有助于解決藥物開發(fā)中的這一“魔障”。
2022年2月14日，美國加州大學(xué)舊金山分校Tony Wyss-Coray研究組與Andrew C. Yang(第一作者)合作發(fā)文題為A human brain vascular atlas reveals diverse mediators of Alzheimer’s risk，通過構(gòu)建血管分離與細(xì)胞核提取的單細(xì)胞測序技術(shù)VINE-seq，對人類大腦主要血管以及血管周圍的細(xì)胞類型進行刻畫，并通過對比無認(rèn)知障礙患者與阿爾茲海默癥患者的海馬區(qū)和大腦皮層樣本，揭示出老年癡呆癥發(fā)生介導(dǎo)因子，有助于對大腦健康、疾病治療等方面的理解。
為了對人腦血管系統(tǒng)進行刻畫，首先需要從微血管中提取細(xì)胞核，但是該過程需要分離血管基底膜釋放細(xì)胞核，但又不能損傷細(xì)胞核本身。通過系統(tǒng)性探索酶、化學(xué)以及物理方法，作者們最終決定采用一種溫和細(xì)胞分離方法，通過使用蔗糖以及熒光激活分選的方式確保對細(xì)胞核的提取，從而確定能夠獲得高質(zhì)量的測序數(shù)據(jù)(圖1)。作者們利用建立的VINE-seq工作流程，一共處理了25個腦區(qū)樣本，涵括了老年癡呆癥患者以及健康對照組的海馬區(qū)以及大腦皮層結(jié)構(gòu)。通過質(zhì)量控制處理流程，作者們共獲得了143,793個單核轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過對基因表達(dá)的特征進行聚類分析，共鑒定發(fā)現(xiàn)了15種細(xì)胞類型，主要包括內(nèi)皮細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞以及血管周圍和腦膜成纖維細(xì)胞等(圖1)。關(guān)于免疫細(xì)胞方面，VINE-seq捕獲了人類大腦中的三種免疫細(xì)胞:小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和T細(xì)胞。該單細(xì)胞核測序方法為人類大腦血管系統(tǒng)的分子研究以及不同細(xì)胞類型的探索提供了新的方法與數(shù)據(jù)資源。
血管分離與細(xì)胞核提取的單細(xì)胞測序技術(shù)VINE-seq與腦血管系統(tǒng)細(xì)胞圖譜
通過這一大規(guī)模測序結(jié)果，作者們試圖對人腦中血管動靜脈軸的的內(nèi)皮細(xì)胞以及壁細(xì)胞組織的分子基礎(chǔ)進行揭示。該圖譜揭示出7個特異性表達(dá)基因逐漸改變的模式，分別代表動脈、毛細(xì)血管以及靜脈標(biāo)記物，以及它們之間的不同組合，由此建立起一個逐漸分區(qū)的連續(xù)體。而關(guān)于壁細(xì)胞，作者們將所獲取的細(xì)胞核聚類分析后可以集成為動脈平滑肌細(xì)胞、小動脈平滑肌細(xì)胞，一個用于富集小分子的跨膜運輸，另一個富含細(xì)胞外基質(zhì)組織。因此，細(xì)胞功能而非解剖學(xué)的位置決定了人類腦血管系統(tǒng)中細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征。
在老年癡呆癥中，存在一種被稱為血管細(xì)胞類型干擾型老年癡呆癥，伴有認(rèn)知功能損害，損傷原因主要是細(xì)胞組成以及基因表達(dá)的復(fù)雜擾動。為此，作者們試圖利用該單細(xì)胞圖譜對老年癡呆癥患者腦內(nèi)血管系統(tǒng)的變化進行描述。作者們發(fā)現(xiàn)與無認(rèn)知障礙對照組相比，老年癡呆癥患者的海馬區(qū)以及大腦皮層中的內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、周細(xì)胞、成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞中有大量的腦血管核丟失，而且該細(xì)胞丟失的表型在動靜脈軸中廣泛存在。另外，老年癡呆癥患者腦內(nèi)血管系統(tǒng)的周細(xì)胞中細(xì)胞外基質(zhì)組織出現(xiàn)明顯的脆弱性。因此，在老年癡呆癥患者腦內(nèi)血管系統(tǒng)中多種細(xì)胞表現(xiàn)出強烈的基因表達(dá)抑制。
進一步擴大腦細(xì)胞類型的研究，作者們引入了全基因組關(guān)聯(lián)分析，與阿爾茨海默病相關(guān)的45個基因中，有30個基因在人腦血管中有表達(dá)，作者們通過免疫染色也證實了這一點。血管全基因組的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)這些基因定位于內(nèi)皮蛋白轉(zhuǎn)運、適應(yīng)性免疫和細(xì)胞外基質(zhì)等多種信號通路。
總的來說，該工作首次建立起了人腦的血管系統(tǒng)單細(xì)胞圖譜，揭示了大腦脈管系統(tǒng)組織的分子生物學(xué)基礎(chǔ)，通過對老年癡呆癥患者腦血管系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)了其中關(guān)鍵的細(xì)胞類型變化與基因表達(dá)擾動，將有助于對多種大腦疾病進行理解以及進一步助力藥物開發(fā)。
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https://doi.org/10.1038/s41586-021-04369-3 (如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除)
