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关键词：AD；多模态细胞图谱；空间基因组学；细胞类型；Nature Neuroscience随着全球人口老龄化的加剧，阿尔茨海默病(AD)已成为老年人群的主要健康挑战之一。AD的进展特征是特定的蛋白质病理沉积，包括淀粉样蛋白斑块（Aβ）和过度磷酸化的Tau蛋白（pTau），这些病理变化在大脑中沿着特定的神经解剖和时间轴部分重叠地进展。然而，受累的细胞群和分子机制尚不完全清楚【1】。为了深入理解AD的细胞和分子基础，美国艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science） Ed S.Lein 团队利用多组学、空间基因组学和来自BRAIN Initiative的参考图谱，对84名不同AD病理阶段捐赠者的大脑颞中回（MTG）细胞类型进行了综合分析。研究结果发表在国际著名期刊 Nature Neuroscience ，题目是 Integrated multimodal cell atlas of Alzheimer’s disease【2】。研究发现，在AD的早期阶段，病理变化缓慢，存在炎症小胶质细胞、反应性星形胶质细胞、生长抑素(Somatostatin+)抑制神经元的丢失以及少突胶质细胞前体细胞的髓鞘再生反应；在晚期阶段，病理变化呈指数级增长，兴奋性神经元和Pvalb+和Vip+抑制性神经元亚型丢失。![]()
（如需原文，请加微信healsana获取，备注20241014NN）本研究构建了一个关于AD及其相关痴呆症的多模态细胞图谱，通过分析84名老年供体的大脑样本，涵盖了从轻微到严重的AD病理变化。研究团队利用定量神经病理学、单核RNA测序、单核ATAC测序、单核多组学和空间转录组学技术，对340万个高质量细胞核进行了分析，并将它们分类到139种分子细胞类型。研究还开发了一个连续的伪进展分数（CPS），用于量化AD的病理负担，并追踪疾病进展。研究发现，严重受影响的供体存在全局性染色质抑制和转录关闭，导致数据质量下降。这些发现为理解AD的病理过程提供了新的视角，并为未来的研究和治疗提供了潜在的靶点。
本研究通过定量神经病理学和单核多组学技术，对84名不同AD病理阶段的老年供体进行了分析，构建了一个连续的伪进展分数（CPS），以此量化AD的病理负担。研究发现，随着CPS的增加，Aβ斑块和pTau阳性神经元的数量呈指数增长，而NeuN免疫反应性核的数量则线性下降，表明疾病进展存在两个明显不同的阶段：早期阶段以神经元丢失和早期淀粉样病理为特征，晚期阶段则以病理水平显著增加和认知障碍为主。CPS与临床数据相关性良好，为AD的病理严重程度提供了一个连续的量化指标。
图2. MTG 定量神经病理将供体按疾病伪进展排序研究利用BICCN参考数据建立了一个包含139种超类型的SEA-AD细胞分类体系，这些超类型代表了可以在整个数据集中一致映射的细胞类型。通过分析84名供体的snRNA-seq和snMultiome数据，我们发现了一些SEA-AD特有的非神经元细胞类型或状态，并将其纳入最终的分类体系。此外，通过MERFISH技术验证了这些超类型的空间分布，并在供体匹配的snRNA-seq和MERFISH数据间发现了高度一致的基因表达模式，从而为AD的细胞变化提供了详细的多模态视图。研究发现，在AD进展过程中，特定神经元和非神经元的超型的相对丰度会发生变化，其中一些易受影响的超类型在疾病严重程度增加时相对丰度下降，而少数特定的非神经元超类型相对丰度上升。这些变化反映了疾病的易感性和相关性，其中，易受影响的神经元类型主要包括第二和第三层的兴奋性皮层投射神经元以及来源于内侧神经节隆起的GABA能神经元。非神经元细胞中，小胶质细胞和星形胶质细胞的数量增加，而少突胶质细胞和少突胶质前体细胞的数量减少。此外，研究还观察到在AD晚期，特定脑区的神经元和非神经元细胞类型的相对数量变化与疾病进展密切相关。这些发现为理解AD中细胞层面的变化提供了重要信息。通过整合和协调来自十个额外的AD研究的前额皮质（PFC）的单核RNA测序（snRNA-seq）数据和相关供体元数据，覆盖了707名供体，构建了一个社区AD数据的综合图谱。这些数据集涵盖了不同程度斑块和缠结病理的供体，其中SEA-AD队列包含了更多具有神经纤维缠结扩散到PFC（Braak阶段V和VI）的供体。通过将所有数据集映射到BRAIN Initiative A9细胞分类法，研究者能够跨所有细胞和每个细胞类型邻域构建一个综合表示，这为比较不同研究结果提供了共同的细胞注释基础。在两个研究中，SEA-AD中A9区域34个超类型的变化也得到了复制，包括五个Sst中间神经元、一个微胶质细胞、一个Lamp5中间神经元和一个L2/3 IT超类型。尽管如此，少数超类型在不同数据集中的效应大小一致性较低，这可能与这些研究中高Braak阶段供体数量较少以及每个供体采样的细胞核数量较少有关，限制了每个超类型一致性的捕获。值得注意的是，一些未被复制的超类型在方向上与SEA-AD一致，但效应大小不显著，例如Sst_20。这些发现强调了在进行跨研究比较时，共同细胞注释的重要性，并为未来AD的研究提供了一个强大的基础。在早期AD中，易受影响的Sst神经元亚型主要位于上层（supragranular）皮层，特别是第二和第三层。空间转录组学显示，来自内侧神经节隆起（MGE）衍生的易受影响的Sst和Pvalb亚型也主要定位于这些上层皮层。此外，易受影响的Sst亚型与Pvalb亚型在转录上相似，且与同一亚类中未受影响的亚型相比，它们之间也表现出相似性。这些易受影响的Sst和Pvalb亚型有数百个基因的选择性表达，而这些基因在这些亚类中的未受影响亚型中并不表达。在AD中，易受影响的Sst亚型显示出特定的分子变化，与其他所有神经元亚型不同，它们没有下调电子传递链（ETC）和核糖体基因的组成部分。与未受影响的Sst亚型相比，易受影响的Sst亚型共同下调了特定的激酶和E3泛素连接酶。值得注意的是，几个显著的基因在CPS早期在易受影响的Sst亚型中特别下调，包括神经生长因子（NGF）和全基因组关联研究命中的膜金属内肽酶（MME），这可能影响与易受影响Sst亚型的通讯，进而影响髓鞘化。
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图5. 表层易感MGE来源的抑制性中间神经元的变化与共同电生理特征
通过snRNA-seq对AD患者大脑中的髓系免疫细胞进行了深入分类，发现了与疾病进展相关的小胶质细胞和星形胶质细胞的特定亚型，并揭示了它们在疾病早期的分子变化。研究结果表明，AD早期小胶质细胞中促炎症基因和与Aβ斑块相关的基因表达上调，而星形胶质细胞则表现出细胞黏附分子和神经元导向信号的上调，这些变化共同促成了疾病早期的细胞外环境改变，为AD的病理机制提供了新的见解，并为开发新的治疗策略提供了潜在靶点。
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图6. 早期微小胶质细胞和星形胶质细胞激活在公开数据集中的比较
在AD早期，特定少突胶质细胞超型（Oligo_2和Oligo_4）易感性增加，可能与Aβ分子的细胞毒性有关。随着病情进展，少突胶质细胞的髓鞘形成相关基因表达下调，而OPCs中促进分化的转录因子和信号通路激活，暗示着疾病过程中的补偿性髓鞘修复尝试。这些变化揭示了AD中髓鞘损伤和修复的复杂动态，并可能影响神经元功能和疾病进展。此外，研究还发现胰岛素样生长因子（IGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）信号通路在OPC分化为少突胶质细胞过程中发挥作用，其中IGF1的表达在晚期减少，暗示抑制性神经元群体可能是IGF1的主要来源，从而驱动髓鞘化的变化。这些发现揭示了AD中少突胶质细胞和OPCs的动态变化，以及它们在疾病过程中可能发挥的作用。
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图7. 少突胶质细胞和OPCs在公开数据集中早期丢失和再髓鞘化程序
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图8. MTG受AD影响的细胞主要定位在表层，可分为早期和晚期阶段
本研究通过构建高分辨率的AD多模态细胞图谱，揭示了疾病进展中不同细胞类型的动态变化，这对于临床医生来说，可能有助于开发新的生物标志物，用于早期诊断和疾病监测。同时，这些发现为科研人员提供了潜在的治疗靶点，尤其是在疾病早期阶段，针对特定易感细胞群的干预可能有助于延缓疾病进展。此外，该研究强调了多模态数据整合的重要性，为未来AD的精准医学研究奠定了基础，推动了对疾病机制的深入理解，并为开发新的治疗策略提供了科学依据。【1】Mathys, H. et al. Single-cell transcriptomic analysis of Alzheimer’s disease. Nature 570, 332–337 (2019).【2】https://doi.org/10.1038/s41593-024-01774-5本文只是分享和解读公开的研究论文及其发现，以作科学文献记录和科研启发用；并不代表作者或本公众号的观点，更不代表本公众号认可研究结果或文章。为了给大家提供一个完整而客观的信息视角，我们有时会分享有冲突或不同的研究结果。请大家理解，随着对疾病的研究不断深入，新的证据有可能修改或推翻之前的结论。作者：Amber Wang，微信号：Healsana。助理：ChatGPT征战AD公众号，以分享阿尔茨海默病领域最新研究为主旨，希望由此推动由实验室向临床应用的转化。欢迎您的投稿与合作；也希望其他医学科学家以推文的形式分享您的研究成果。运营：美国Healsan咨询公司AD项目组，专注于临床科研及临床试验的服务公司，擅长于针对阿尔茨海默病的临床科研设计及临床试验结果的报告撰写。
