2024年3月，美国范安德尔研究所（Van Andel Institute，VAI）的科学家团队在《Nature Communications》杂志发表研究成果。该研究分别利用GeoMx空间全转录组技术和CosMx单细胞空间原位分子成像技术从多细胞组织维度和单细胞空间维度，在组织原位检测不同的空间特征和细胞状态，鉴定出帕金森病（PD）皮层中易受Lewy病理影响的特定神经元类型，并揭示其分子功能障碍的保守特征。这些发现为未来针对特定神经元类型和分子途径的治疗干预提供了可能的靶点。
Goralski, T.M., Meyerdirk, L., Breton, L. et al. Spatial transcriptomics reveals molecular dysfunction associated with cortical Lewy pathology. Nat Commun 15, 2642 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47027-8
研究背景和研究目的
帕金森病（PD）的一个关键特征是Lewy病理变化。Lewy病理主要由α-突触核蛋白（α-synuclein）形成，这种病理变化不仅出现在调节运动功能的多巴胺能神经元中，还出现在控制认知功能的皮层区域。尽管已有单细胞测序研究确定了易受损害的多巴胺能神经元的分子特征，但单细胞RNA测序未能有效检测带有Lewy病理学特征的神经元。因此，我们对于易受Lewy病理影响的皮层神经元，以及由α-突触核蛋白异常堆积引发的分子和功能变化知之甚少。
本研究旨在使用空间转录组学技术，分辨和捕获具有Lewy病理和未表现出Lewy病理的皮层神经元，并精确检测这两类细胞的全转录组特征，通过比较分析深入挖掘疾病机制。
研究样本、方法
研究人员综合利用GeoMx空间全转录技术和CosMx单细胞空间分子成像技术进行组织水平和单细胞水平的转录组检测分析。
研究样本：
人类样本：25例经神经病理学诊断为帕金森病、帕金森病痴呆（PDD）或路易体痴呆（DLB）病例的大脑样本。
然而，这些大脑样本代表的是终末期疾病，因此很难知道神经元内含物存在了多久，也很难了解LB（Lewy Body）的形成如何在短时间内对神经元产生影响。因此，研究人员开发利用了α-突触核蛋白病小鼠模型，以确定观察到的转录变化是否广泛适用，并进行更深入的分子机理分析。
小鼠样本：预先添加外源性α-syn纤维（Pre-Formed Fibrils，PFFs)诱导形成α-突触核蛋白病的小鼠模型;
为了揭示Lewy病理在不同皮层的空间分布和表达特征，研究人员使用了GeoMx空间全转录组技术以及配套的GeoMx WTA空间全转录组检测方案。
为了进一步分析表现出Lewy病理（含有α-突触核蛋白包涵体）的神经元与具有恢复能力的神经元的分子特征差异，研究人员采用了单细胞分辨率的CosMx空间原位分子成像技术，结合CosMx Mouse Neuroscience Panel (1000+ RNA) panel进行检测。
图 1 | 从人类扣带回皮层收集有Lewy病变和无Lewy病变神经元的转录组特征。
a. 实验设计示意图。b. 扣带皮层NeuN和pSyn染色示例。d. 组织形态学染色：NeuN（红色）、GFAP（青色）和pSyn（黄色）。f. 主成分分析图显示 PCA 1 和 PCA 2 能够在很大程度上分离pSyn-和pSyn+区段。g. 人类GeoMx数据集中各皮质层显著差异表达基因的基因表达热图。
主要发现
利用GeoMx空间全转录技术研究人员发现无论是在帕金森病、帕金森痴呆症、路易体痴呆症中，还是在PFFs小鼠模型中，在组织层面，Lewy病理在晚期会从脑干延伸到新皮层区域，尤其是扣带回（Cingulate Gyrus）和前额叶皮层，扣带回是PD最早出现Lewy病理的皮层结构之一，也是受影响最严重的区域之一。研究人员进一步发现，在这些区域中，受影响的神经元分布稀疏，大多位于深层，并发现一类特定的兴奋性神经元亚群很容易发生Lewy病变，而在短轴投射神经元、抑制性中间神经元和大髓鞘皮质脊髓神经元都没有出现Lewy病变。
图 3｜小鼠模型样本大脑皮层有病变或无病变神经元的转录组特征，重点分析额叶皮层区域：前扣带回（ACA）、次级运动区（MOs）和初级运动区（MOp）。
图 6｜Lewy病理在Layer 5和第6b层神经元中富集。
利用CosMx单细胞空间原位成像数据，结合InSituType算法，研究人员在小鼠模型样本中识别出13种不同的细胞类型，发现第5层内皮层神经元（L5 IT）和第6层b神经元（L6b）更容易受到影响发展为Lewy病理，而抑制性神经元和锥体束神经元（PT）则具有恢复能力。研究人员还进一步揭示了L5 IT和L6b神经元中与Lewy病理相关的通路变化，这些变化包括细胞突触、线粒体、泛素-蛋白酶体、内溶酶体和细胞骨架相关基因的表达下调，而与DNA损伤修复、细胞凋亡和补体/细胞因子相关基因表达上调。研究人员将这种独特的基因表达变化特征命名为路易分子聚集体功能障碍（Lewy-associated molecular dysfunction from aggregates ，LAMDA）。
图 7｜PD大脑皮层Layer 5脑内神经元中LBs的富集。b. Layer 5放大图，黄色箭头表示有 pSyn 包涵体的神经元。
图2｜携带LB的神经元显示出与细胞功能障碍相关的基因表达变化。
c. 在pSyn-和pSyn+片段中差异表达的25个基因的例子。从上到下，从左到右依次为突触、线粒体、溶酶体、泛素-蛋白酶体、DNA 损伤-凋亡、细胞骨架、补体-细胞因子。
为了对不同类型细胞的细胞状态进行更全面的评估，研究人员使用CosMx单细胞空间转录组学技术清楚地识别划分不同的pSyn神经元细胞类型。对这些细胞的基因表达差异分析发现，带有包涵体的神经元存在广泛的细胞功能障碍，神经元功能所必需的通路下调，而与应激相关的通路上调。CosMx单细胞空间转录组数据证实了小鼠L5 IT和 L6b神经元的脆弱性。
总之，这项研究表明，在PD皮层中存在选择性易受损的“脆弱”神经元群体，并且α-突触核蛋白聚集体与神经元中强烈而保守的应激反应有关。
图 8｜CosMx单细胞空间转录组学证实了小鼠L5 IT和L6b神经元的脆弱性。
b. 第一张图片显示了所有细胞。第二张图片仅显示pSyn+细胞，其他细胞为灰色，皮质层轮廓重叠。c. 柱状图显示了pSyn+细胞（pSyn）和所有检测到的细胞（All）中每种细胞类型所占的比例。
该研究强调了在PD治疗中需要考虑神经元的克隆异质性，以及如何利用这些特征来指导治疗策略，以改善PD患者的预后。接下来，研究人员希望利用这些发现针对特定类别的神经元和分子通路进行治疗。
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生物标志物的发现和验证。
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