绘制正常与畸形人脑血管的单细胞图谱

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Qi

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酶美

#脑血管疾病#是导致死亡和神经功能障碍的主要原因，进一步了解疾病机制和治疗策略需要对人类脑血管细胞有更深入的了解。与其他血管床一样，脑血管系统具有功能不同但连续的部分，包括动脉、小动脉、毛细血管、小静脉和静脉。细胞组成随这些转变而变化，由内皮细胞、周细胞、平滑肌细胞（SMC）和血管周围成纤维细胞组成。然而，现有的人类脑细胞图谱往往忽略了脑血管系统，其细胞异质性在人类中很大程度上尚未被探索。一些神经系统疾病，比如阿尔兹海默症和中锋显示出对特定动静脉节段的偏好。因此，人类脑血管系统的大规模单细胞分析应该提供转化参考，以更好地了解选择性细胞易感性的分子基础和人类脑血管疾病中异常基因表达的模式。

年1月28日，来自加州大学旧金山分校的TomaszJ.Nowakowski团队等多个团队在Science杂志上合作发表了一篇题为Asingle-cellatlasofthenormalandmalformedhumanbrainvasculature的文章，他们通过分析个细胞的转录组，定义了成人脑血管系统的细胞图谱，以了解动静脉畸形涉及的细胞和分子扰动，确定了具有异常血管模式的病理性内皮转化和血管源性炎症特征以及导致脑出血的血管和免疫细胞之间的相互作用，这些发现能够为脑血管疾病的治疗提供信息。

为了描绘脑血管系统的细胞图图谱，该团队对从接受癫痫脑叶切除术的患者中获取正常的大脑皮层组织进行scRNA-seq分析，并结合空间转录组学数据来定义脑血管系统中主要细胞类别。通过可视化内皮动静脉分区标记的空间位置以及与周围血管细胞的关系，研究人员分别确认了动脉、毛细血管和静脉中的VEGFC+、MFSD2A+和ACKR1+内皮细胞类型。

除了内皮细胞外，研究人员还确定了大脑中主要的血管周围细胞类别，比如周细胞、SMC和血管周围成纤维细胞。已报道的周细胞标记由于表达变化限制了它们作为泛周细胞标记，而在这篇文章中，研究人员发现HIGD1BmRNA在周细胞中的高度富集（91.7%），可作为替代标记来捕获更大比例的转录组定义的周细胞。此外，除了CNN1、TAGLN和MYH11这些泛SMC标记物，研究人员还发现了SMC的许多转录变体，比如可调节SMC增殖和迁移的富含金属硫蛋白的SMC簇，以及可协调大脑对感染反应的富含血管周围细胞趋化因子配体CCL2的SMC簇，它们可能代表了对应不同功能作用的一系列的转录状态。不仅如此，研究人员还证实了成人大脑中DCN+和APOD+的血管周围成纤维细胞的存在。然而，有两簇细胞无法用已知的脑血管周围细胞特性来解释，基于收缩蛋白的低表达和成纤维细胞以及巨噬细胞基因的较高表达，研究人员将这些细胞命名为“纤维肌细胞”，随后的RNA速度分析表明富含CARMN（一种与中胚层分化相关的lncRNA）的SMC可能通过上调标记基因（如LGALS3、KCNT2和IGFBP5）产生纤维肌细胞，但缺乏谱系追踪的直接证据还不能对这种关系下定结论。

接下来，研究人员从动静脉畸形（arteriovenousmalformation,AVM）样本中生成了又一scRNA-seq数据集，从个细胞确定了11个主要细胞簇。为了识别AVM中的内皮细胞和血管周围细胞分子变化，研究人员将AVM和对照组的scRNA-seq数据及进行对比以获取差异表达基因，GSEA分析显示对照组内皮细胞强烈表达血脑屏障营养转运蛋白，相比之下，AVM内皮细胞则抑制营养转运蛋白表达并上调促炎（CCL14）、促血管生成（PGF和STC1）和促渗透性（PLVAP和ANGPT2）基因。

基于先前的报道，研究人员假设炎症在AVM形成中可能发挥重要作用。为了验证这个想法，他们对与脑血管系统相关的免疫细胞群的迭代分析确定了17个免疫细胞簇，且超过90%的循环免疫细胞，如CD8+T细胞，在AVM中浸润到血管周围间隙或邻近脑部区域。此外，髓系免疫细胞富集于AVM并表达了激活相关的基因特征。

出血性中风是AVM极具危害性的后果，研究人员通过scMappR去卷积细胞异质性并计算来自AVM的批量RNA-seq数据以确认与AVM破裂相关的细胞状态，个与AVM破裂相关的差异基因富集于血管发育途径和炎症途径。炎症会引起血管完整性丧失，而SMC在耗尽时会导致脑出血。研究人员发现GPNMB+单核细胞和SMC在计算机模拟环境下的丰度在破裂的AVM中呈负相关。那么GPNMB+单核细胞是否是引起SMC细胞死亡的原因呢？为此，研究人员将来自破裂的AVM患者的GPNMB+单核细胞与原代脑血管SMC共培养，可以增加caspase-3+SMC数量。SPP1是AVMGPNMB+单核细胞中失调最为明显的细胞通讯通路，而SPP1编码的骨桥蛋白（OPN）已被证明与SMC上的CD44和整合素受体相互作用。添加OPN可诱导SMC凋亡数量增加2.7倍，如果继续添加中和CD44抗体、整合素抑制剂或两者的组合进行预处理则可以得到改善。因此，GPNMB+单核细胞导致SMC耗竭，并与AVM破裂和脑出血有关。

总的来说，这项研究绘制了正常和畸形脑血管系统中细胞功能和相互作用的单细胞分辨率图谱，不仅确定了对动静脉表型变化发挥重要作用的内皮细胞分子特征，还扩大了脑血管周围细胞的细胞多样性，比如鉴定除了先前未发现的纤维肌细胞。总之，该图谱为人们对人脑血管系统的机制理解和治疗靶向提供重要帮助。

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本文编辑：佚名
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