![]()
![]()
![]()
撰文︱董福禄，姜保春
责编︱王思珍
神经病理性疼痛（NP）是一种影响全球数亿人的严重疾病，其特征是外周神经损伤（PNI）后产生的慢性疼痛。尽管已有一些研究，但NP的分子病理机制仍不完全清楚，这限制了有效治疗方法的开发。本研究旨在通过整合多种测序技术，揭示PNI后小鼠脊髓（SC）的分子病理特征，特别是基因表达、细胞群体、细胞间通讯、信号通路和转录调控网络的区域病理异质性。2025年1月，浙江大学第二附属医院麻醉手术部严敏/姜保春团队在《Communications Biology》上发表了题为“An atlas of neuropathic pain-associated molecular pathological characteristics in the mouse spinal cord”的文章。研究整合了空间转录组学（ST）、单核RNA测序（snRNA-seq）和bulk RNA测序（bulk RNA-seq）技术，描绘了NP条件下小鼠SC的区域病理异质性。研究发现，与假手术小鼠相比，NP小鼠的SC展现出独特的基因、细胞群体、细胞间通讯、信号通路和转录调控网络的空间图谱。此外，研究还首次系统地展示了DRG神经元与SC背角神经元和胶质细胞之间的“通讯组学”，揭示了NP条件下改变的通讯特征。这些发现为理解NP的分子病理机制提供了基础，并可能为设计治疗靶点提供理论依据。一、基因表达图谱差异
通过ST和snRNA-seq分析，研究者在NP小鼠的SC中识别出与假手术小鼠显著不同的基因表达图谱，包括8个主要的ST位点聚类，这些聚类对应于SC的不同神经解剖区域（图1）。例如，SC_R8聚类在NP小鼠的SC中特异性出现，主要分布在L4脊神经结扎（SNL）后10天的SC切片中。图1：通过ST和snRNA-seq分析，识别出NP小鼠SC中与假手术小鼠显著不同的基因表达图谱，包括8个主要的ST位点聚类，这些聚类对应于SC的不同神经解剖区域。二、细胞亚群的异质性响应
snRNA-seq数据揭示了PNI后小胶质细胞和星形胶质细胞亚群的异质性响应。例如，PNI后，表达ApoE的小胶质细胞亚群（cluster 3）显著增加，而表达Mrc1（Cd206，M2标记）的小胶质细胞亚群（cluster 5）显著减少（图2）。空间图谱显示，ApoE表达主要增加在术侧SC背角（SCDH）区域，而Mrc1表达主要在SCDH的浅层。图2：snRNA-seq数据揭示了PNI后小胶质细胞和星形胶质细胞亚群的异质性响应。例如，PNI后，表达ApoE的小胶质细胞亚群（cluster 3）显著增加，而表达Mrc1（Cd206，M2标记）的小胶质细胞亚群（cluster 5）显著减少。三、空间分布
利用CellTrek分析，研究者将单细胞数据映射回SC的解剖位置，揭示了NP条件下SC中不同类型细胞共定位模式的显著变化。例如，假手术小鼠中小胶质细胞和血管细胞的高共定位在PNI后消失（图3）。通过CellTrek分析，成功将PKCγ阳性神经元（在疼痛感知和调节中至关重要）定位在SC背角的II层附近。图3：利用CellTrek分析，研究者将单细胞数据映射回SC的解剖位置，揭示了NP条件下SC中不同类型细胞共定位模式的显著变化。例如，假手术小鼠中小胶质细胞和血管细胞的高共定位在PNI后消失。四、神经元亚群的空间分布
进一步的聚类分析识别出脊髓背角中31个不同的主要神经元亚群，其中12个为抑制性神经元亚型，18个为兴奋性神经元亚型，1个为混合亚型（图4）。欧几里得距离为基础的层次聚类分析显示了5个主要分组，其中1、3和5组共享兴奋性神经递质状态，第4组为抑制性神经递质状态。这些神经元主要位于SCDH的灰质中，并通过CellTrek分析将每个亚群映射回SC组织切片的空间坐标。图4：进一步的聚类分析识别出31个不同的主要神经元亚群，其中12个为抑制性神经元亚型，18个为兴奋性神经元亚型，1个为混合亚型。这些神经元主要位于SCDH的灰质中，并通过CellTrek分析将每个亚群映射回SC组织切片的空间坐标。五、细胞间通讯重组
通过分析ST数据和snRNA-seq数据，研究者识别了基于配体-受体（L-R）表达的细胞间相互作用的空间坐标，并确定了这些相互作用中的特定细胞。在NP条件下，多种L-R对的表达发生改变，可能涉及兴奋性和抑制性神经元之间的正反馈或负反馈连接（图5）。例如，Nmu_Nmur2和Npy_Npy1r等L-R对在SCDH中高度富集，且在PNI后表达显著增加。图5：通过分析ST数据和snRNA-seq数据，研究者识别了基于配体-受体（L-R）表达的细胞间相互作用的空间坐标，并确定了这些相互作用中的特定细胞。在NP条件下，多种L-R对的表达发生改变，可能涉及兴奋性和抑制性神经元之间的正反馈或负反馈连接。研究分析了MsigDb中获得的小鼠经典通路在每个ST位点或每个细胞中的活性，发现不同信号通路在SC的不同区域活跃，且PNI组中某些通路的活性增强（图6）。例如，SC_R7 ST位点聚类在多个与疼痛相关的通路中显著富集，包括TACHYKININ_RECEPTORS_BIND_TACHYKININS、PHASE_1_INACTIVATION_OF_FAST_NA_CHANNELS、ION和PLCD通路。图6：研究分析了MsigDb中获得的小鼠经典通路在每个ST位点或每个细胞中的活性，发现不同信号通路在SC的不同区域活跃，且PNI组中某些通路的活性增强。七、转录调控网络
通过SCENIC算法，研究者探索了SC中转录因子（TFs）及其下游基因的转录调控网络。例如，Hoxb9_29g在SC_R8聚类中特异性表达，而Sox10_201g主要在SC白质中表达（图7）。通过分析Hoxb9-29调控网络，发现Hoxb9靶向Penk启动子区域，且Hoxb9和Penk在ST位点图和snRNA-seq UMAP图中表现出相似的表达模式。实验结果表明，Hoxb9过表达显著增加了Penk基因启动子的活性，支持Hoxb9在调节Penk表达中的重要作用。图7：通过SCENIC算法，研究者探索了SC中转录因子（TFs）及其下游基因的转录调控网络。例如，Hoxb9_29g在SC_R8聚类中特异性表达，而Sox10_201g主要在SC白质中表达。八、DRG和SC之间的通讯
研究发现，PNI后DRG神经元与SC细胞之间的非突触通讯发生显著改变。例如，Csf1_Csf1r和Tgfb1_Tgfbr1等L-R对在PNI后从损伤的DRG神经元到SC小胶质细胞的通讯显著增强（图8）。通过RNAscope实验，确认了Tgfb1在损伤的DRG神经元中表达增加，Tgfbr1在SC小胶质细胞和神经元中表达增加。图8： 研究发现，PNI后DRG神经元与SC细胞之间的非突触通讯发生显著改变。例如，Csf1_Csf1r和Tgfb1_Tgfbr1等L-R对在PNI后从损伤的DRG神经元到SC小胶质细胞的通讯显著增强。该研究综合运用多种高通量测序技术和分子免疫学实验，全面揭示了PNI后小鼠SC的分子景观特征，包括基因表达、细胞群体、细胞间通讯、信号通路和转录调控网络的区域病理异质性。这些发现不仅阐明了NP的分子病理机制，还可能为设计治疗靶点提供理论基础。然而，研究也存在局限性，如使用不同NP模型进行综合分析可能存在的差异，以及snRNA-seq技术可能导致的mRNA信息覆盖度降低等。未来的研究应纳入纵向采样，以全面描绘疼痛的动态分子变化。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s42003-025-07506-0本研究的第一作者为南通大学医学院董福禄博士、浙江大学医学院附属第二医院郁丽娜主任医师、南通大学医学院冯沛达和浙大二院的任晋璇博士，通讯作者为浙江大学医学院第二附属医院严敏教授、美国罗格斯大学陶元祥教授和浙江大学医学院附属第二医院姜保春研究员。研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金重点项目等多项基金的支持。
转载须知：“逻辑神经科学”特邀稿件，且作者授权发布；本内容著作权归作者和“逻辑神经科学”共同所有；欢迎个人转发分享，未经授权禁止转载，违者必究。
【神经科学前沿技术培训系列】详见文末
【内容宣传、讲座/报告/课程等学术合作】请联系微信：Wang_Sizhen
“逻辑神经科学”微信群：文献学习
扫码添加微信，并备注：逻辑-文献-姓名-单位-研究领域-学位/职称
