人类脑血管系统是具有关键作用的组成系统,血管系统的功能障碍会导致中风、先天性神经系统疾病以及神经退行性疾病甚至会造成死亡,但另一方面大脑中的血管系统所形成的血脑屏障(Blood-Brain Barrier,BBB)这一结构成为了几乎所有脑内疾病治疗的“魔障”。血脑屏障介导了血液与大脑之间分子的选择性以及血流动力学反应,对神经功能的正常进行是必要的,于此同时导致治疗大脑疾病药物也很难通过。因此,如果能够对大脑中的血管系统进行深入理解,将有助于解决药物开发中的这一“魔障”。

2022年2月14日,美国加州大学旧金山分校Tony Wyss-Coray研究组与Andrew C. Yang(第一作者)合作发文题为A human brain vascular atlas reveals diverse mediators of Alzheimer’s risk,通过构建血管分离与细胞核提取的单细胞测序技术VINE-seq,对人类大脑主要血管以及血管周围的细胞类型进行刻画,并通过对比无认知障碍患者与阿尔兹海默症患者的海马区和大脑皮层样本,揭示出老年痴呆症发生介导因子,有助于对大脑健康、疾病治疗等方面的理解。

为了对人脑血管系统进行刻画,首先需要从微血管中提取细胞核,但是该过程需要分离血管基底膜释放细胞核,但又不能损伤细胞核本身。通过系统性探索酶、化学以及物理方法,作者们最终决定采用一种温和细胞分离方法,通过使用蔗糖以及荧光激活分选的方式确保对细胞核的提取,从而确定能够获得高质量的测序数据(图1)。作者们利用建立的VINE-seq工作流程,一共处理了25个脑区样本,涵括了老年痴呆症患者以及健康对照组的海马区以及大脑皮层结构。通过质量控制处理流程,作者们共获得了143,793个单核转录组数据,通过对基因表达的特征进行聚类分析,共鉴定发现了15种细胞类型,主要包括内皮细胞、星形胶质细胞、平滑肌细胞、巨噬细胞、T细胞以及血管周围和脑膜成纤维细胞等(图1)。关于免疫细胞方面,VINE-seq捕获了人类大脑中的三种免疫细胞:小胶质细胞、巨噬细胞和T细胞。该单细胞核测序方法为人类大脑血管系统的分子研究以及不同细胞类型的探索提供了新的方法与数据资源。

血管分离与细胞核提取的单细胞测序技术VINE-seq与脑血管系统细胞图谱

通过这一大规模测序结果,作者们试图对人脑中血管动静脉轴的的内皮细胞以及壁细胞组织的分子基础进行揭示。该图谱揭示出7个特异性表达基因逐渐改变的模式,分别代表动脉、毛细血管以及静脉标记物,以及它们之间的不同组合,由此建立起一个逐渐分区的连续体。而关于壁细胞,作者们将所获取的细胞核聚类分析后可以集成为动脉平滑肌细胞、小动脉平滑肌细胞,一个用于富集小分子的跨膜运输,另一个富含细胞外基质组织。因此,细胞功能而非解剖学的位置决定了人类脑血管系统中细胞的转录特征。

在老年痴呆症中,存在一种被称为血管细胞类型干扰型老年痴呆症,伴有认知功能损害,损伤原因主要是细胞组成以及基因表达的复杂扰动。为此,作者们试图利用该单细胞图谱对老年痴呆症患者脑内血管系统的变化进行描述。作者们发现与无认知障碍对照组相比,老年痴呆症患者的海马区以及大脑皮层中的内皮细胞、平滑肌细胞、周细胞、成纤维细胞样细胞中有大量的脑血管核丢失,而且该细胞丢失的表型在动静脉轴中广泛存在。另外,老年痴呆症患者脑内血管系统的周细胞中细胞外基质组织出现明显的脆弱性。因此,在老年痴呆症患者脑内血管系统中多种细胞表现出强烈的基因表达抑制。

进一步扩大脑细胞类型的研究,作者们引入了全基因组关联分析,与阿尔茨海默病相关的45个基因中,有30个基因在人脑血管中有表达,作者们通过免疫染色也证实了这一点。血管全基因组的关联分析发现这些基因定位于内皮蛋白转运、适应性免疫和细胞外基质等多种信号通路。

总的来说,该工作首次建立起了人脑的血管系统单细胞图谱,揭示了大脑脉管系统组织的分子生物学基础,通过对老年痴呆症患者脑血管系统的分析,发现了其中关键的细胞类型变化与基因表达扰动,将有助于对多种大脑疾病进行理解以及进一步助力药物开发。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04369-3

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