Nat Neurosci︱突破!哥伦比亚大学团队揭示导致神经炎症期间新血管生成的新机制

学术   2024-10-01 00:01   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文七  七

责编︱王思珍


多发性硬化症MS是一种慢性、自身免疫性、炎症性中枢神经系统CNS脱髓鞘疾病,激活的白细胞侵入中枢神经系统,引发神经炎症、脱髓鞘、胶质瘤和轴突损伤[1]。中枢神经系统内皮细胞ECs炎症与局灶性血脑屏障BBB破坏相关,是脱髓鞘性多发性硬化症斑块的关键血管病理[2]。血脑屏障紧密连接异常在临床实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE动物多发性硬化症模型发病前持续存在,并与临床严重程度相关[3-4]。在EAE高峰期和复发期,复发缓解型MSRRMS和继发性进展型MSSPMS患者中脱髓鞘病变的血管密度增加[5-6]然而,内皮细胞亚型和导致这些渗漏的新血管的信号通路尚不清楚。


近期,哥伦比亚大学欧文医学中心Dritan Agalliu团队在Nature Neuroscience上发表了题为“VEGF-A-mediated venous endothelial cell proliferation results in neoangiogenesis during neuroinflammation”的文章。通过单细胞转录谱分析和体内验证,作者发现在雌性成年小鼠急性和慢性EAE病变中,静脉内皮细胞表达新血管生成基因特征,并表现出增殖增加,导致静脉扩大和静脉覆盖范围增加。这些变化与血管内皮生长因子AVEGF-A信号的上调有关。作者还证实急性和慢性MS病变中新生血管生成标志物的表达增加。VEGF-A阻断抗体治疗可减少EAE雌性成年小鼠的新生血管生成转录组特征和血管增殖,但不能恢复血脑屏障功能或改善EAE病理。总之,静脉内皮细胞有助于脱髓鞘神经炎症条件下的新血管生成。


作者利用scRNA-seq技术分析了小鼠脊髓中的内皮细胞ECsEAE实验性自身免疫性脑脊髓炎疾病过程中的转录组变化。ECs基于动静脉分区特性和疾病状态进行聚类,形成23个不同的细胞群落。其中动脉内皮细胞aECs、毛细血管内皮细胞cECs、小静脉内皮细胞vnECs和大静脉内皮细胞vECs能够清晰区分。在EAE急性和慢性阶段,aECscECsvnECs都表现出持续的转录组变化,而aECs在急性期的变化是暂时性的。与对照组相比,在EAE过程中仅vECs群落上调了新生血管形成相关的基因表达谱,而其他ECs亚群的转录组变化较为有限。尽管不同ECs亚群在EAE发病过程中表现出明显的转录组动态变化,但它们的相对数量并未发生大的变化。总之,这项研究深入分析了ECsEAE发病过程中的转录组重编程特征,发现了vECs群落在新生血管形成中的重要作用。

1 脊髓ECs聚类以动静脉和疾病状态为基础


通过对比分析EAE急性期、慢性期及对照组的内皮细胞转录组数据,发现尽管所有内皮细胞亚群动脉、毛细血管、小静脉和大静脉EAE过程中均表现出炎症和血脑屏障功能下降的共同特征,但仅静脉内皮细胞vECs和小静脉内皮细胞vnECs显著上调了新生血管生成相关的转录本特征,包括血管芽细胞、细胞外基质重塑和内皮间质转化等关键过程,同时VEGF-ATGF-β等促血管生成信号通路也被激活。相比之下,动脉内皮细胞aECs和毛细血管内皮细胞cECEAE急性期并未表现出此类新生血管生成的转录组特征,仅在慢性期的cECs中出现了相关基因的上调。值得注意的是,尽管新生血管形成相关基因在vECsvnECs中被诱导,但Wnt/β-catenin信号通路反而在这些细胞中下调,与此前对CNS血管发育的认知存在差异。总之,该分析发现新生血管形成相关的转录组特征主要出现在vECsvnECs亚群,提示它们在EAE致病过程中的血管重塑中扮演关键角色。

2 GSEA显示急性和慢性EAE的静脉内皮细胞中新生血管生成的转录组特征


EAE急性和慢性期的脊髓组织中,与对照组CFA相比,vECs的增殖标记物Ki67阳性表达明显升高,体现了它们具有更强的增殖活性。同时,vECs的覆盖面积和静脉直径也显著增大。另一个vEC特征蛋白Emcn的表达也在EAE急性期激增,表明了vECs在神经炎症过程中发生的血管扩张是通过细胞增殖而非新生血管形成。相比之下,动脉内皮细胞aECs和毛细血管内皮细胞cECsEAE期间没有观察到增殖活跃的现象。进一步利用原位杂交和免疫荧光实验验证了scRNA-seq发现的几个重要血管生成和血管芽细胞标记基因在EAE急性期vECs中的上调,而在慢性期这些标记物表达下降。综上所述,这些结果有力地支持了前期scRNA-seq分析中发现的,即在EAE发病过程中仅静脉内皮细胞表现出显著的新生血管形成特征,而非其他ECs亚群。


3EAE中,静脉内皮细胞增殖并表达血管生成标志物


临床队列中,几种血管生成标志物在人多发性硬化症中上调。采用人源化抗VEGF-A单抗r84,作者发现能部分抑制VEGF-A诱导的小鼠脑内皮细胞屏障通透性增加。转录组分析也显示r84可逆转VEGF-A对脑内皮细胞功能和基因表达的影响。作者将r84或等量IgG对照抗体在EAE诱导后6天开始给药至28天时处死,发现r84EAE小鼠出现严重症状的比例较低。对比r84组和IgG组小鼠的脊髓内皮细胞,scRNA-seq分析显示r84可抑制vECs和小静脉内皮细胞(vnECsVEGF-A信号、血管芽细胞、抗原呈递和凋亡相关基因的表达,并上调了血脑屏障和Wnt/β-catenin信号通路。组织学验证也发现,VEGF-A抑制可减弱EAE中的新生血管形成。然而,r84处理并未改善EAE小鼠血脑屏障通透性增加、免疫细胞浸润等病理改变,也未显著改善临床症状。综上所述,VEGF-A信号在EAE中是促进vECsvnECs新生血管形成的关键驱动因子,但单独抑制VEGF-A无法完全修复EAE诱导的血管功能障碍。


4 VEGF-A抗体r84下调EAE新生血管生成


文章结论与讨论,启发与展望

新血管生成和高VEGF-A水平已经在MS-EAE中被发现。然而,血管起源、分子特征和驱动这一过程的信号通路尚不清楚。在这里,作者发现vECs,主要是在急性EAE中,表达新血管生成的转录组特征,同时激活促血管生成VEGF-ATGF-β信号,并且具有高度增殖能力。在EAE中发现的几种新生血管生成标志物在RRMSSPMS患者的MS病变中也上调。在疾病发病时用r84阻断VEGF-A可减少体内新生血管生成的转录组特征和EC增殖,但不能恢复血脑屏障功能或显著改善EAE病理。然而,抗血管生成疗法对EAE进展的益处可能有限,单独的抗VEGF-A疗法可能不是RRMSSPMS治疗的有效治疗干预。未来的研究需要确定抗血管生成与免疫抑制治疗是否可以改善EAE的临床结果。


原文链接:DOI:10.1038/s41593-024-01746-9


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参考文献
1 Liebner, S. et al. Functional morphology of the blood–brain barrier in health and disease. Acta Neuropathol. 135, 311–336 (2018).

2 Kirk, J., Plumb, J., Mirakhur, M. & McQuaid, S. Tight junctional abnormality in multiple sclerosis white matter affects all calibres of vessel and is associated with blood–brain barrier leakage and

active demyelination. J. Pathol. 201, 319–327 (2003).

3 Lutz, S. E. et al. Caveolin1 is required for Th1 cell infiltration, but not tight junction remodeling, at the blood–brain barrier in autoimmune neuroinflammation. Cell Rep. 21, 2104–2117 (2017).

4 Plumb, J., McQuaid, S., Mirakhur, M. & Kirk, J. Abnormal endothelial tight junctions in active lesions and normal-appearing white matter in multiple sclerosis. Brain Pathol. 12, 154–169 (2002).

5 Seabrook, T. J. et al. Angiogenesis is present in experimental autoimmune encephalomyelitis and pro-angiogenic factors are increased in multiple sclerosis lesions. J. Neuroinflammation 7, 95 (2010).

6 Kirk, S. L. & Karlik, S. J. VEGF and vascular changes in chronic neuroinflammation. J. Autoimmun. 21, 353–363 (2003).

编辑︱王思珍
本文完

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