阿尔茨海默症 (Alzheimer's Disease，AD) 的特征是淀粉样蛋白-β (Aβ)斑块和高磷酸化Tau蛋白的病理累积，通过驱动内嗅皮层 (Entorhinal Cortex, EC)、蓝斑核 (Locus Coeruleus, LC)、海马体 (hippocampus) 和前额叶皮层 (prefrontal cortex) 等关键脑区中的神经元和非神经元细胞发生选择性神经退行性病变。这些区域形成了重要的连接枢纽，它们会相继或同时发生退化，这也凸显了建立空间图谱以揭示潜在疾病机制的重要性。
在2024美国神经学年会（SfN）上展示的一项研究中，研究人员利用CosMx单细胞空间原位分子成像仪技术，在一张大脑FFPE切片中对EC、LC和杏仁核区域中的6000+个RNA和68个蛋白质进行了高分辨率的空间定位和表达定量检测，为确定与AD病理相关的脆弱细胞群和分子特征提供了详细的空间背景。
研究概览
在该研究中，研究人员利用CosMx单细胞空间原位分子成像仪技术，在一张大脑FFPE切片中对EC、LC和杏仁核区域中的6000+个RNA和68个蛋白质进行了高分辨率的空间定位和表达定量检测，为确定与AD病理相关的脆弱细胞群和分子特征提供了详细的空间背景。
在EC区域，研究人员观察到RTN1和MEG3在淀粉样蛋白斑块附近强烈共表达，这表明了特定区域的脆弱性；
在LC区域，去甲肾上腺素能神经元 (LC-NE)减少，高磷酸化Tau增加，表明了早期的神经退行性变化；
Aβ42/Aβ40染色结果还显示斑块组织邻域中的小胶质细胞密度增高，这与认知障碍相关的基因与Aβ42/Aβ40的比率相关；
利用CosMx空间转录组学和蛋白质组学数据，研究人员通过无监督Leiden聚类发现了21个不同类群，并提供了跨区域细胞邻域的综合空间图谱。
这项分析还进一步揭示了空间生态位相关基因特征，其中许多与AD发病机制有关。CosMx空间多组学方法能够创建神经元和非神经元细胞的空间图谱，从而深入了解Aβ斑块、Tau缠结及其周围细胞环境之间的空间关系。这些发现强调了特定区域的“薄弱”环节和细胞间的“交流”途径与注意力缺失症的关系，为调节注意力缺失症的进展，以及在病理早期阶段减缓扩散提供了潜在的生物标记物和治疗靶点。
研究方法：CosMx SMI单细胞空间多组学
研究人员基于CosMx平台，在同一张人脑FFPE切片中对6,000+ 种RNA和68种蛋白质进行单细胞分辨率的空间定位和表达检测。检测的区域涵盖EC、LC和杏仁核等脑区。
图 1. CosMx 6K单细胞空间转录组+CosMx 68-plex 单细胞空间蛋白检测。
CosMx单细胞空间多组学检测方法是先用寡核苷酸条形码结合的抗体检测蛋白质，然后将切片进行蛋白酶消化，继而再用条形码RNA探针检测RNA。
该研究中所检测的不同脑区
A、CosMx可在一张切片上同时分析RNA和蛋白质靶标，并广泛兼容FFPE、FF等多种组织类型。B、使用先进的神经特异性模块和工作流程进行基于蛋白质的精准细胞分割：成功捕获不同形状和大小的细胞及其胞体和轴突。C、鉴定并注释出不同的细胞群，UMAP可视化展示。
利用单细胞空间原位技术解析内嗅皮层/杏仁核中的斑块生态位
A、使用单克隆Aβ抗体直接对这些切片进行Aβ42和Aβ40染色。对淀粉样蛋白斑块进行分割，并根据细胞与斑块的距离评估细胞和转录组对斑块的反应。B、斑块组织邻域内的小胶质细胞密度增加。C、发现一些与AD认知障碍有关的基因与Aβ42/Aβ40比率以及与斑块的距离相关。
蓝斑核中LC-NE神经元、高磷酸化tau蛋白和空间基因表达
A、LC相关基因被用来注释被鉴定为含有LC-NE神经元区域。B、与对照组相比，AD中这些神经元的数量减少，并且在特定神经元类型中检测到更高的磷酸化Tau蛋白累积。
基于CosMx单细胞空间多组学数据的无监督细胞分型可识别主要细胞类型及其空间模式
无监督Leiden聚类确定了21 个类群，并将RNA和蛋白质投射其空间位置上
无监督邻域分析可确定组织结构，并可研究健康细胞与注意力缺失症细胞的状态和行为
A、为了研究细胞及其转录组如何随着空间环境的变化而变化，研究人员采用了一种高效率的InSituCor计算算法，将组织划分为不同的 “生态位 ”或 “空间社群”。B、然后鉴定出与“生态位”相关，细胞类型特异性的基因，其中许多基因与AD发病机制有关。
InSituCor算法鉴定出空间共定位的基因模块，在AD内嗅皮层中的不同邻域表现出差异表达
在内嗅皮层中，RTN1和MEG3显示出强烈的空间共表达（红点），尤其是在淀粉样蛋白斑块附近，这表明它们在AD神经变性中发挥作用。虽然MEG3在杏仁核中高度表达，但它与RTN1缺乏显著的共表达（青色点）。使用InSituCor方法确定的区域特异性表达模式突出表明了内嗅皮层易受AD的影响，以及RTN1和MEG3在疾病进展中的潜在参与。
初步发现
本研究利用CosMx单细胞空间原位分子成像技术对人脑FFPE切片中内嗅皮层 (EC)、杏仁核和蓝斑核 (LC)区域的RNA和蛋白质靶标进行了超高分辨的空间定位和表达检测。初步发现主要有：
淀粉样斑块：
Aβ4/Aβ40 染色显示斑块邻域组织中的小胶质细胞密度增加；
与认知障碍有关的基因与Aβ4/Aβ40比率相关。
蓝斑核 (LC) ：
AD中的LC-NE神经元较少，特定神经元中的高磷酸化Tau更多。
Leiden聚类：
确定了21个RNA/蛋白类群，并能将其映射到空间位置。
空间“生态位”：
确定了与空间“生态位”相关的基因模块，其中许多与包括AD在内的注意力缺失症发病机制有关。
RTN1和MEG3共表达：
这两个基因在内嗅皮层的淀粉样蛋白斑块附近有强烈的共表达，突显了特定区域在注意力缺失症中的脆弱性。
结论
CosMx单细胞空间多组学数据提供了对阿尔茨海默病的重要空间特征和分子机制见解，揭示了Aβ 斑块、小胶质细胞和LC神经元的变化，并为潜在的生物标记物和疗法确定了特异性基因。
下载英文原文：
https://nanostring.com/resources/use-of-spatial-transcriptomics-and-proteomics-to-understand-alzheimers-disease/
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