Nature：构建出人类脑血管细胞图谱

2022年2月26日讯/生物谷BIOON/---虽然神经元和神经胶质细胞（glial cell）是迄今为止大脑中数量最多的细胞，但许多其他类型的细胞也发挥着重要作用，其中包括脑血管细胞（cerebrovascular cell）。脑血管细胞形成了向大脑输送氧气和其他营养物的血管。

这些脑血管细胞只占大脑细胞的0.3%，也构成了血脑屏障。血脑屏障是一个至关重要的界面，防止病原体和毒素进入大脑，同时允许关键的营养物和信号通过。在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员如今对人类大脑组织中这些难以发现的细胞进行了广泛的分析，构建出脑血管细胞类型及其功能的综合图谱。相关研究结果于2022年2月14日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Single-cell dissection of the human brain vasculature”。

他们的研究还揭示了健康人和亨廷顿病患者的脑血管细胞之间的差异，这可能为治疗亨廷顿病的潜在方法提供新的靶标。血脑屏障的破坏与亨廷顿病和许多其他神经退行性疾病有关，并且往往在任何其他症状出现之前几年就已经发生。

论文共同通讯作者、麻省理工学院大脑与认知科学系副教授Myriam Heiman说，“我们认为这可能是一条非常有前途的途径，因为脑血管比位于大脑血脑屏障内的细胞更容易获得治疗。”

综合图谱

脑血管细胞构成了向大脑输送氧气和营养物质的血管网络，它们还帮助清除碎片和代谢物。这种血管网络的功能障碍被认为促进亨廷顿病、阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病中观察到的有害影响的积累。

在脑血管中发现了许多类型的细胞，但由于它们只占大脑中细胞的一小部分，因此很难获得足够的细胞来用单细胞RNA测序进行大规模分析。这类研究可以破译单个细胞的基因表达模式，根据这些细胞中哪些基因开启，提供大量关于特定细胞类型功能的信息。

在这项新的研究中，这些作者能够获得超过100人死后脑组织样本，以及17人在治疗癫痫发作的手术中切除的健康脑组织样本。相比于这些死后脑组织样本，这些在脑部手术中切除的脑组织来自于更年轻的患者，这使得他们也能够识别出与年龄相关的血管差异。他们利用离心法富集了这些脑外科手术切除的脑组织样本中的脑血管细胞，并通过一种根据脑血管细胞表达的某些标志物识别脑血管细胞的计算“分选”管道对死后的脑组织样本中的这些细胞进行检测。

图片来自Pixabay/CC0 Public Domain。

这些对超过16000个脑血管细胞进行了单细胞RNA测序，并利用这些细胞的基因表达模式将它们分为11种不同的亚型。这些亚型包括位于血管内壁的内皮细胞；壁细胞（mural cell），包括毛细血管壁中发现的周细胞（pericyte）和有助于调节血压和血流的平滑肌细胞；以及成纤维细胞（一种结构细胞）。

论文共同通讯作者、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室计算机科学教授Manolis Kellis说，“这项研究使我们能够聚焦于这种至关重要的促进了大脑中所有功能的细胞类型。我们在这项研究中所做的是以前所未有的分辨率在上百人中了解构成脑血管的细胞类型的多样性。”

这些作者还发现了一种称为分区（zonation）的现象的证据。这意味着位于血管内壁的内皮细胞根据它们所处的位置---小动脉、毛细血管和小静脉---表达不同的基因。此外，在他们发现的数百个在这三个区域表达不同的基因中，只有大约10%的基因与之前在小鼠脑血管中观察到的发生分区的基因相同。

Heiman说，“我们观察到了很多人类的特异性。我们的研究提供了一个标志物清单，以及对这三个不同区域的基因功能的新见解。这些是我们认为从人类脑血管角度来看很重要的东西，因为物种之间的保守性并不完美。”

血脑屏障破坏

这些作者还用他们的新血管图谱分析了一组来自疾病患者的死后脑组织样本，证明了它的广泛实用性。他们专注于亨廷顿病，这种疾病的脑血管异常包括血脑屏障的泄漏和更高的血管密度。这些异常通常在与亨廷顿病相关的任何其他症状之前出现，并可通过功能性磁共振成像（fMRI）观察到。

在这项研究中，这些作者发现，与健康的脑血管细胞相比，亨廷顿病患者的脑血管细胞在基因表达方面出现了许多变化，包括MFSD2A基因的表达减少，其中MFSD2A是一种限制脂质通过血脑屏障的关键转运蛋白。他们认为，该转运蛋白的丧失，以及他们观察到的其他变化，可能有助于增加血脑屏障的泄漏。

他们还发现参与促进了新血管生长的Wnt信号通路的基因上调，而且血管内皮细胞表现出意外的强烈免疫激活，这可能进一步导致血脑屏障失调。

Heiman说，由于脑血管细胞可以通过血液获得，它们有潜力成为可能治疗亨廷顿病和其他神经退行性疾病的诱人靶标。这些作者如今计划测试他们是否可能能够向这些细胞递送潜在的药物或基因疗法，并在亨廷顿病的小鼠模型中研究它们可能具有的治疗效果。

Heiman说，“鉴于脑血管功能障碍在更多疾病特异性症状出现前几年就已出现，也许它是疾病进展的一个促进因素。如果这是真的，而且我们可以防止这种情况，这可能是一个重要的治疗机会。”

除了这些作者在这项研究中探究的脑血管细胞之外，他们还计划从他们的组织样本中分析更多的RNA测序数据。

Kellis说，“我们的目标是建立一种系统性的单细胞图谱，在健康、疾病和衰老的情况下，在数以千计的人类大脑样本中分析大脑功能。这项研究是这种图谱的一小部分，分析了0.3%的细胞。我们正在多个令人兴奋的合作中积极分析其他99%的细胞，许多新的见解将继续摆在面前。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Francisco J. Garcia et al. Single-cell dissection of the human brain vasculature. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04521-7.