转自：生物谷
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导读
在医学掂量的前沿，科学家们正在畴昔所未有的精度探索大脑老化的机制。最近，《Nature》发表的一项掂量《Spatialtranscriptomicclocksrevealcellproximityeffectsinbrainageing》引入了“空间转录组学”（SpatialTranscriptomics）主张，它不仅约略以单细胞分辨率展示大脑内不同细胞类型的空间散播极度基因抒发特征，还能捕捉这些细胞随时候的变化司法。本文将聚焦于这项时期的中枢旨趣、应用实例极度在临床现实中的潜在价值。
掂量配景
大脑老化是很多神经退行性疾病的难熬风险成分之一，如阿尔茨海默病和帕金森病。跟着年事的增长，大脑中的干细胞活性贬低，壮盛神经元的数目减少，导致知道功能着落。为了更好地统一这一历程，掂量东说念主员运用先进的基因抒发分析器具——空间转录组学——一种约略在组织切片中定位单个细胞并测量其基因抒发水平的时期。通过这种方法，不错画图出高分辨率的大脑图谱，自满出不同类型的细胞在特定位置上的散播情况极度随时候的变化趋势。
掂量讨论与收尾
在这项首创性的掂量里，科学家们麇集了来自雄性小鼠的冠状面和矢状面脑切片，掩盖了从出身到老年的20个不同庚事阶段。使用MERFISH时期，他们取得了每个切片上通盘细胞的基因抒发情况。基于此，团队配置了一套名为“空间转录组学时钟”的臆测模子，用于评估每个细胞的老化进程。收尾自满，老年个体大脑中某些特定区域存在特地活跃的免疫细胞群，尤其是T细胞，示意着非神经元细胞在脑老化历程中也饰演着难熬变装。
此外，掂量东说念主员还探讨了通顺和部分重编程这两种滋扰设施对于逆转脑老化的影响。实验发现，经过截至考验或基因裁剪惩处后的小鼠大脑中，一些过失区域自满出显明的年青化迹象。举例，亚室带区内的壮盛神经元数目显贵增多，同期周围环境得到改善，标明壮盛细胞可能对其它训诫细胞产生积极影响。
图1：通盘这个词生命周期的空间解析单细胞转录组谱
掂量东说念主员通过多路抗错荧光原位杂交（MERFISH）时期，对20个不同庚事的雄性小鼠冠状脑切片及6个不同庚事的小鼠矢状脑切片进行了分析。测量了300个基因的转录本，生成了高分辨率的空间转录组数据（图1a）。
运用预界说的标记基因，到手识别了18种不同的细胞类型，其中包括神经元细胞类型：首肯性神经元（Neuron-excitatory）、阻挠性神经元（Neuron-inhibitory）和中层小胶质细胞（Neuron-MSN）；星形胶质细胞（Astrocyte）、少突胶质细胞（Oligodendrocyte）和少突胶质前体细胞（OPC）；定位到侧脑室（VEN），包含神经发生区的细胞类型：神经干细胞（NSC）、神经母细胞和室管膜细胞；参与大脑血管系统的细胞类型：内皮细胞、周细胞、血管平滑肌细胞（VSMC）和血管硬脊膜细胞（VLMC）；免疫细胞类型：驻留于大脑的微胶质细胞（microglia）、T细胞、B细胞、巨噬细胞和中性粒细胞。
此外，掂量东说念主员还字据细胞邻域品貌聚类注视了七个剖解亚区，最终将其手动分为四个主要区域，离别是（1）胼胝体和前积累白质纤维束；（2）CTX层1、皮质下膜和脑室上皮层，CTX层2/3，CTX层4/5/6；（3）尾状核极度相邻区域（STR）；和（4）VEN。这一分类为后续分析提供了坚实的基础图（图1b）。
细胞比例随年事变化的趋势跟着年事的增长，大脑皮层中胶质细胞、少突胶质细胞和T淋巴细胞的比例显贵增多，而神经前体细胞、干细胞和神经元祖细胞的比例则显明减少。稀奇是T淋巴细胞在通盘这个词华样区域内平凡散播且数目随年事增长显贵增多；比较之下，神经干细胞（NSC）主要聚首于侧脑室，其比例在通盘这个词生命周期内捏续着落。这种变化趋势揭示了朽迈历程中细胞类型比例的难熬鼎新（图1c-d）。小胶质细胞领有最丰富的年事关系基因，其中编码PD-1的Pdcd1是上调幅度最大的基因之一，而编码Fc受体样分子的Fcrls则是下调幅度最大的基因之一（图1e）。
掂量东说念主员对每个组合中的通盘20个年事中每个基因、细胞类型和空间亚区域的基因抒发轨迹进行了聚类分析，识别出了九种不同的簇，代表基因抒发轨迹的原型（图1f-g）。
进一步分析了基因抒发的空间和时候轨迹，干扰素反应基因Stat1真实在通盘细胞类型和亚区域内都自满了“逐渐增多”的轨迹；相悖，参与肌酸合成的基因Gamt深广阐述为跟着年事增长而“逐渐减少”的轨迹。此外，基因抒发不错顺利可视化在脑切片上，说明了基因抒发的细胞类型特异性和区域特异性变化（图1h-i）。
总而言之，掂量者构建了一个详备的大脑朽迈时空转录组图谱，揭示了朽迈历程中细胞类型比例和基因抒发模式的要紧变化。
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图2：空间老化时钟
为了精确测量单个细胞的生物年事，掂量东说念主员配置了一种名为“空间朽迈时钟”的机器学习模子。该模子基于小鼠大脑的空间预惩处基因抒发数据考验而成，旨在预测每个细胞的本体生理年事。为了在保捏高精度的同期保留空间信息，掂量团队引入了一种翻新的软性空间伪聚类法式——SpatialSmooth。这一方法通过迭代地对归并类型细胞的邻近细胞进行基因抒发值的平滑惩处，从而优化了特定细胞类型的朽迈时钟模子考验（图2a）。
使用SpatialSmooth方法，在冠状切片数据集上配置的空间朽迈时钟在18种细胞类型中的14种中阐述出高精度（R>0.7），包括苛刻的T细胞、神经干细胞（NSC）和神经元祖细胞（图2b）等。比较于顺利在冠状切片数据集的空间单细胞转录组中考验的其他时钟模子，SpatialSmooth考验的空间朽迈时钟阐述出了显贵上风（图2c）。进一时局，该模子在一组独处的MERFISH数据聚首也展示了谨慎性，到手分离了年青、中年和老年三个年事段的小鼠脑样本（图2d）。
值得耀眼的是，这些空间朽迈时钟不仅适用于冠状脑切片，还能推论到矢状面脑切片，包括那些在冠状切片中不存在的区域，如嗅球和小脑（图2e）。此外，该模子还约略在仅部分基因重迭的情况下，对独处的啮齿动物部队进行外推，况且不错跨性别、跨脑区以及跨不同的单细胞转录组时期进行应用（图2f）。这些特色讲授了空间朽迈时钟的宽绰泛化才略和平凡的适用范畴。
图3：年青化政策、炎症和疾病对空间单细胞老化的影响
掂量东说念主员运用“空间朽迈时钟”探索了其看成评估大脑不同细胞类型和区域对再生滋扰反应的可彭胀器具的可能性。为此，生成了额外的MERFISH空间转录组学数据集，并测试了两种抗朽迈滋扰设施：自发通顺和部分重新编程（即周期性抒发山中因子Oct4、Sox2、Klf4和Myc）的后果（图3a）。
通顺滋扰数据集涵盖了跳动90万个细胞，分为18种类型（图3b）。空间朽迈时钟自满，通顺显贵重新激活了几种细胞类型的转录组，稀奇是内皮细胞（中位数为4.9个月）、周细胞（3.4个月）和血管平滑肌细胞（4.7个月）（图3d）。基因集富集分析标明，通顺后下调的基因在再激活区内皮细胞中显贵富集于细胞联络和焦点粘附历程，辅导通顺对特定脑区内皮细胞的区域性再激活。神经祖细胞也阐述出区域性再激活，尤其在积累胼胝体（CC）的地点，这可能归因于该区域存在特殊的助长因子（图3f）。
部分重编程滋扰数据集包括跳动一百万个细胞，分为15种类型（图3c）。空间朽迈时钟揭示，部分重编程约略逆转少数细胞类型的转录组，如神经干细胞（中位数为2.7个月）和神经母细胞（2.8个月），这与规复神经祖细胞的功能相一致（图3e）。室管膜细胞在CC近邻自满出区域特异性逆转，而在VEN或STR近邻未见此欢娱（图3g）。然而，其他细胞类型（如多巴胺能神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞）则阐述出提前朽迈反应，标明部分重编程对大脑既有有意也有潜在无益的影响，具体取决于细胞类型。
掂量东说念主员还分析了一个公开的MERFISH数据集，其中包含小鼠经受脂多糖（LPS）全身性炎症挑战后的CTX、STR和CC区域（图3h）。空间朽迈时钟自满，几种细胞类型（包括胶质细胞、微胶质细胞）对LPS阐述出加快朽迈反应，稀奇是在皮层区域的星形胶质细胞和多个脑区的少突胶质细胞、OPC和微胶质细胞（图3i）。
另一个公开的STARmap数据集来自Tau/PS2/APP三重转基因阿尔茨海默病小鼠模子的海马体切片（图3h）。收尾自满，大多数细胞类型（如小胶质细胞、神经元和大脑血管细胞）在多个脑区中阐述出加快的转录朽迈（图3j）。
总而言之，空间朽迈时钟不仅揭示了两种不同抗朽迈滋扰设施对特定细胞类型和区域的影响，还展示了其在评估炎症、神经退行性疾病和脱髓鞘毁伤对大脑影响方面的后劲。
图4：在朽迈和年青化历程中，细胞对邻近细胞的邻近效应
掂量东说念主员运用空间朽迈时钟，量化了特定“效应”细胞类型对“指标”细胞类型的朽迈影响。通过分析给定效应细胞的空波折近度何如更正指标细胞的预测年事（图4a），掂量团队识别出了214种不同的细胞-细胞邻近效应（图4b）。稀奇温顺那些对邻近细胞有最强全局影响的效应细胞。收尾自满，彩娱乐T细胞具有最强的平均亲和力效应（图4c），尤其在少突胶质细胞和内皮细胞中阐述出显贵的促进朽迈作用（图4b）。
相悖，神经干细胞（NSC）展示了最强的促年青化平均亲和力效应（图4c），这在少突胶质前体细胞（OPC）和内皮细胞上尤为显明（图4b）。为了考据这些不雅察收尾不是由于年事关系的细胞类型比例变化引起，掂量东说念主员在每个样簿子区域内立时置换通盘细胞的空间位置。收尾标明，这种立时化皆备摒除了通盘用应细胞类型的邻近效应（图4c），讲授了细胞类型比例或区域异质性不会显贵影响邻近效应的大小。
为了进一步统一特定细胞在其邻近细胞中的作用，掂量东说念主员进行了臆造细胞类型扰动实验，使用深度学习方法考验了一个图神经麇集（GNN）模子。该模子基于中心细胞周围的局部细胞图来预测邻域朽迈，界说为近邻细胞平均年事加快，仅依赖于细胞类型和图形连通性看成特征（图4d）。通过交换中心细胞的细胞类型并测量对邻域朽迈的影响，掂量发现：对于T细胞，用另一种细胞代替T细胞（功能失活实验）导致邻域朽迈减少（图4e），而用任何一种细胞替换为T细胞（功能激活实验）则增多了邻域朽迈（图4f）；而对于NSC，功能失活增多了邻域朽迈（图4e），功能激活则减少了邻域朽迈（图4f）。
此外，替代或添加中性细胞类型（如内皮细胞）不会显贵影响邻域朽迈（图4e,f），进一步证实了T细胞对其邻居有促进朽迈的作用，而NSC对其邻居有促进年青化的作用。
图5：T细胞和NSC邻近效应的分子通路
掂量东说念主员对跳动12,000个基因进行了非偏倚各别抒发分析，揭示了T细胞近邻的细胞阐述出与病毒免疫反应关系的基因增多抒发（图5a）。这种欢娱可能是在干扰素信号作用下的响应。具体来说，具有更大促朽迈效应的T细胞自满出更高的“促进型II型干扰素产生”的假设基因抒发水平（图5b），这与IFNγ通路在效应性T细胞中的增多一致。相应地，在T细胞近邻的靶细胞也自满出IFNγ支吾基因的同步上调。匹配细胞类型和亚区域后，积累T细胞的靶细胞阐述出“细胞对II型干扰素反应”的假设基因增多抒发（图5c）。
为了考据这些发现，掂量东说念主员使用抗CD3（T细胞标记物）和STAT1（干扰素反应标记物）抗体对28个月龄小鼠脑冠状切片进行了免疫荧光染色。收尾自满，积累T细胞（CD3+）的细胞中STAT1强度显贵高于辩别T细胞的细胞，在胼胝体（CC）、皮层（CTX）和腹侧脑室区（VEN）中均呈统计学真理各别，而在纹状体（STR）中呈趋势性增多（图5d-e）。这些收尾通过实验考据了T细胞附进效应与近邻细胞上调的干扰素响应关系，并建议了IFN信号可能介导T细胞促朽迈效应的可能性。
非偏倚各别抒发分析还揭示了NSC近邻的细胞中上调了与内吞道路和脂质代谢关系的基因（图5f）。进一步掂量自满，具有更强促再奏凯应的NSC阐述出“胞吐”和“外泌体分泌”的假设基因抒发增多，以及外泌体标志物Cd9的增多，况且与Vegfa的增多趋势一致，这是MERFISH中唯独由NSC分泌的助长因子的基因（图5g）。外泌体参与神经发生，可能介导NSC对其邻近细胞的再生促进后果。Vegfa则有助于保管神经干细胞群落细胞的存活并延长宿主寿命。同期，积累NSC的细胞阐述出与细胞摄入和内吞作用关系的假设基因上调，多种助长因子的细胞响应增强，况且“NADH生理学历程”增多，该历程与脂肪酸氧化代谢相关，关联到更年青的脑景色（图5h）。
为了考据NSC的再生促进效应，掂量东说念主员使用抗神经干细胞标记物S100A6、外泌体标记物CD9以及脂肪酸氧化标记物CPT1A对3.5个月大雄性小鼠脑组织切片进行免疫荧光染色。在年青小鼠的腹侧脑室区（VEN），神经干细胞（S100A6+）显贵高于其他细胞类型（non-NSC）。值得耀眼的是，在VEN中积累神经干细胞的细胞，其CPT1A强度显明高于辩别神经干细胞的细胞（图5i-j-l）。此外，神经干细胞的CD9强度和近邻细胞的CPT1A强度呈正关系（图5m）。这些实验收尾辅助了神经干细胞中外泌体标记物强度增多与其近邻细胞中脂质氧化增强之间的关联，并建议这些变化可能部分介导了神经干细胞的促再生附进效应。
拓展延长
空间转录组学在其他科研规模的应用：
1.肿瘤生物学
空间转录组学为肿瘤掂量带来了全新的视角。传统上，科学家们主要依赖于组织病理学染色和单细胞RNA测序来分析肿瘤微环境。然而，这些方法频频无法精确态状出癌细胞与其周围基质、免疫细胞之间的复杂互动关系。通过空间转录组学，掂量东说念主员不错直不雅地看到不同类型的细胞在肿瘤内的散播情况极度基因抒发特征，从而更好地统一肿瘤异质性和进化动态。举例，在乳腺癌的掂量中，科学家们运用该时期揭示了肿瘤角落区域存在一个由成纤维细胞、巨噬细胞及T细胞组成的特有生态位，这可能是导致化疗耐药性的原因之一。此外，对于移动灶的掂量也标明，原发灶与移动灶之间存在着显贵的空间转录各别，辅导着不同的诊治政策可能需要针对特定部位进行优化。
2.发育生物学
在胚胎发育历程中，细胞的空间陈设和互相作用决定了器官变成的过失方法。以往的掂量大多基于形态学不雅察或基因敲除实验，难以捕捉到及时变化的信息。现时，借助空间转录组学，咱们不错跟踪特定细胞群体在通盘这个词发育历程中的迁徙旅途极度分子调控麇集。比如，在腹黑发育规模，有掂量发现心外膜下的祖细胞会沿着特定标的迁徙到心肌层，并在此历程中激活一系列特异性基因抒发，最终分化为血管平滑肌细胞。这项发现不仅增进了咱们对心血管系统发祥的统一，也为再生医学提供了新的念念路。雷同地，在神经管闭合时间，背侧和腹侧神经元前体细胞展现出截然有异的基因抒发谱，示意着它们改日功能上的单干早已注定。
3.免疫学
免疫反应频频触及多种细胞类型之间的调解，包括抗原呈递细胞、T/B淋巴细胞以及当然杀伤细胞等。为了探究这些细胞何如调解职责以叛逆病原体入侵，掂量东说念主员运转聘请空间转录组学来明白局部免疫环境。一项对于流感病毒感染后肺部免疫支吾的掂量自满，感染初期，树突状细胞集结于支气管旁淋趋奉近邻，随后招募并激活大都的CD8+T细胞；而在规复阶段，则是由移动性T细胞主导，保管组织稳态。此外，该时期也被应用于自己免疫性疾病如类风湿枢纽炎的掂量中，发现了滑膜组织内存在一个由活化的B细胞和浆细胞组成的中枢结构，它们捏续分泌致炎因子，加重炎症反应。此类发现存助于配置更精确的靶向疗法，改善患者预后。
4.植物科学
尽管上述例子大多聚首在动物模子上，但空间转录组学一样适用于植物科学掂量。植物体内的细胞具有固定的相对位置，因此稀奇符合用此时期掂量其里面结构和功能分区。举例，在根尖分生组织中，通过高分辨率成像不错自满地看见各个细胞层（表皮、皮层、维料理）的基因抒发模式，进而推断出它们各自承担的变装。另外，在叶片光合作用历程中，叶绿体周围的细胞阐述出特有的基因抒发谱，反应了光能领受与飘零所需的酶系组成。这类掂量不仅能加深咱们对植物助长发育司法的意识，还可能为农业出产提供时期辅助，比如栽植愈加耐旱或高效固氮的新品种。
临床应用与预计
带随机候序列的空间转录组学掂量不仅加深了咱们对脑老化生物学历程的意识，也为寻找减速以至逆转朽迈的有用方法提供了认竟然踪影。跟着后续职责的鼓吹，折服会有越来越多令东说念主激越的收尾表示出来，最终造福全东说念主类。
注：本文旨在先容医学掂量进展，不作念诊治决议保举。如有需要，请盘考专科临床大夫。
参考文件
SunED,ZhouOY,HauptscheinM,RappoportN,XuL,NavarroNegredoP,LiuL,RandoTA,ZouJ,BrunetA.Spatialtranscriptomicclocksrevealcellproximityeffectsinbrainageing.Nature.2024Dec18.
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