阿尔茨海默病（AD）的两个最重要的病理学特征——细胞外β淀粉样蛋白（Aβ）沉积和细胞内tau蛋白过度磷酸化（p-tau）[1]，均与小胶质细胞[2]和星形胶质细胞[3]的激活密切相关。
然而，如何研究小胶质细胞和星形胶质细胞与Aβ沉积和p-tau的相互作用一直是个难题。这些胶质细胞在分子水平上到底发生了怎样的变化，哪些细胞类型会受到Aβ和p-tau病理改变的影响，许多关键的问题都悬而未决。
近期，来自麻省理工学院-哈佛大学博德研究所的王潇和沈华智（Morgan Sheng）团队通过新开发的结合组织学染色的空间基因转录测序技术（STARmap PLUS），揭示了Aβ沉积和p-tau与AD相关胶质细胞的空间关系以及相应细胞的基因表达变化特征，相关研究成果发表在《自然·神经科学》杂志上[4]。
借助STARmap PLUS，研究人员发现Aβ斑块周围存在明显的核-壳结构，疾病相关小胶质细胞紧密围绕结构核心的Aβ斑块，而疾病相关星形胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞则集中出现在斑块-小胶质细胞复合体的周围，且Aβ斑块明显影响了周围细胞的基因表达与生物功能。
论文首页截图
STARmap PLUS基于该团队先前开发的空间原位测序技术（STARmap），可在同一组织切片中同时进行高分辨率（5×95×350nm）空间转录组测序和特定蛋白定位（本研究中使用X-34染料标记Aβ斑块，使用AT8抗体标记p-tau），可观测超过20000个基因的表达变化。
在此项研究中，研究人员通过STARmap PLUS对8月和13月大的TauPS2APP小鼠（AD小鼠模型，从约4.5月开始出现病变，6-8月呈指数增长，9月开始稳步上升）以及正常对照小鼠进行了研究后发现，Aβ斑块在皮质和海马中沉积明显，而p-tau在海马CA1区神经元中最明显。
STARmap PLUS实现了在同一组织切片中同时进行空间转录组测序和特定蛋白定位
接下来，研究人员对从STARmap PLUS中获得的细胞进行层次聚类，确定了13个主要细胞簇，并发现AD小鼠和对照小鼠的星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞存在差异分布，提示这些细胞内部存在与疾病相关的细胞亚型。于是，研究人员根据其转录组特征进一步鉴别出了33个亚细胞簇。
通过对细胞空间信息和病理空间分布的整合，研究人员生成了皮质和海马区的高分辨率空间细胞和病理图谱。
皮质和海马区的高分辨率空间细胞和病理图谱
为了量化Aβ斑块周围细胞类型的空间分布，研究人员计算了斑块周围（0–50μm）内不同细胞类型的密度。在13种主要细胞类型中，小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞、少突胶质细胞前体细胞（OPC）和内皮细胞在Aβ斑块附近相对富集，其中小胶质细胞是Aβ斑块周围10μm范围内最常见的细胞类型，且常与Aβ斑块直接接触。
星形胶质细胞、少突胶质细胞、OPC和内皮细胞在距Aβ斑块10-30μm距离内表现轻度的富集（P＜0.05），但在Aβ斑块周围10μm范围内却很少出现。
根据以上Aβ斑块周围细胞分布的空间体征，研究人员提出了Aβ斑块周围存在明显的核-壳结构，小胶质细胞紧密围绕结构核心的Aβ斑块，而星形胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞等则集中出现在斑块-小胶质细胞复合体的周围。
此外，研究对AD的另一典型病理标志p-tau周围不同细胞类型的密度进行研究发现，少突胶质细胞在p-tau蛋白密度高的区域（神经元胞体和轴突束附近）显著富集（P＜0.0001）。
AD小鼠模型脑切片中Aβ斑块周围的核-壳结构以及p-tau周围少突胶质细胞的富集
紧接着，研究人员对小胶质细胞亚群（Micro1-3）在脑中的丰度和位置变化进行了研究，发现代表静息状态的Micro1和2亚群在AD小鼠和对照小鼠中均存在，而代表激活状态的Micro3亚群在对照小鼠中几乎不存在，且相比于8月大时，13月大的AD小鼠Micro3亚群显著增加，距离Aβ斑块最近（P<0.0001），是皮质和海马区Aβ斑块周围10μm内最主要的细胞类型（>70%）。
拟时间序列分析同样表明小胶质细胞的转录特征与距Aβ斑块的距离存在明显相关性（P<0.0001）。
这些结果均提示了小胶质细胞激活程度与Aβ斑块密切关联。随着疾病的进展，小胶质细胞在Aβ斑块周围从静息状态逐渐转化为激活状态（从Micro1和2转变为Micro3）。
小胶质细胞的转录特征与Aβ斑块存在明显相关性
接下来，研究人员对星形胶质细胞群体进行了分析，同样发现Aβ斑块周围存在相应特殊的细胞亚群——Astro3，主要富集在Aβ斑块周围10-40μm处。且在8月大时，Astro2是海马Aβ斑块周围10-30μm处主要的星形胶质细胞类型，而在8-13月之间，Aβ斑块周围Astro2逐渐转变到Astro3。
对于少突胶质细胞的4种亚型（Oligo1-3，OPC），只有Oligo2亚型在AD小鼠中丰度显著升高（相比于对照组，P<0.05）。在8-13月时，OPC在Aβ斑块周围10-20μm处明显富集（P<0.05）。在p-tau周围，Oligo1-3和OPC的密度则显著增加（P＜0.05）。
最后，研究人员对Aβ斑块和p-tau对于神经元亚群的影响进行了分析。在皮质中，Aβ斑块附近的各种神经元类型均明显减少（P＜0.05），但在海马中，Aβ斑块对神经元的影响却不明显。这可能是由于Aβ斑块主要出现在神经毡区域，距离神经元胞体的距离较远。p-tau阳性神经元在8月大的AD小鼠中主要为CTX-Ex2兴奋性神经元，而在13月大时则主要为海马CA1区兴奋性神经元。
总的来说，这项研究首次构建了与AD病理相关的细胞类型空间分布以及细胞分子通路的综合图谱，为探究AD病理学背后细胞和分子变化提供了新方法。得益于高空间分辨率和高测序通量，未来STARmap PLUS还可用于评估药物治疗AD的效果和机制，具有重大的应用前景。
参考文献：
1. Busche MA, Hyman BT: Synergy between amyloid-beta and tau in Alzheimer’s disease. Nat Neurosci 2020, 23(10):1183-1193.
2. Keren-Shaul H, Spinrad A, Weiner A, Matcovitch-Natan O, Dvir-Szternfeld R, Ulland TK, David E, Baruch K, Lara-Astaiso D, Toth B et al: A Unique Microglia Type Associated with Restricting Development of Alzheimer’s Disease. Cell 2017, 169(7):1276-1290 e1217.
3. Habib N, McCabe C, Medina S, Varshavsky M, Kitsberg D, Dvir-Szternfeld R, Green G, Dionne D, Nguyen L, Marshall JL et al: Disease-associated astrocytes in Alzheimer’s disease and aging. Nat Neurosci 2020, 23(6):701-706.
4. Zeng H, Huang J, Zhou H, Meilandt WJ, Dejanovic B, Zhou Y, Bohlen CJ, Lee SH, Ren J, Liu A et al: Integrative in situ mapping of single-cell transcriptional states and tissue histopathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nat Neurosci 2023, 26(3):430-446.
来自： 奇点神思
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