阿爾茨海默病（AD）的兩個最重要的病理學特徵——細胞外β澱粉樣蛋白（Aβ）沉積和細胞內tau蛋白過度磷酸化（p-tau）[1]，均與小膠質細胞[2]和星形膠質細胞[3]的啟用密切相關。
然而，如何研究小膠質細胞和星形膠質細胞與Aβ沉積和p-tau的相互作用一直是個難題。這些膠質細胞在分子水平上到底發生了怎樣的變化，哪些細胞型別會受到Aβ和p-tau病理改變的影響，許多關鍵的問題都懸而未決。
近期，來自麻省理工學院-哈佛大學博德研究所的王瀟和沈華智（Morgan Sheng）團隊透過新開發的結合組織學染色的空間基因轉錄測序技術（STARmap PLUS），揭示了Aβ沉積和p-tau與AD相關膠質細胞的空間關係以及相應細胞的基因表達變化特徵，相關研究成果發表在《自然·神經科學》雜誌上[4]。
藉助STARmap PLUS，研究人員發現Aβ斑塊周圍存在明顯的核-殼結構，疾病相關小膠質細胞緊密圍繞結構核心的Aβ斑塊，而疾病相關星形膠質細胞和少突膠質細胞前體細胞則集中出現在斑塊-小膠質細胞複合體的周圍，且Aβ斑塊明顯影響了周圍細胞的基因表達與生物功能。
論文首頁截圖
STARmap PLUS基於該團隊先前開發的空間原位測序技術（STARmap），可在同一組織切片中同時進行高解析度（5×95×350nm）空間轉錄組測序和特定蛋白定位（本研究中使用X-34染料標記Aβ斑塊，使用AT8抗體標記p-tau），可觀測超過20000個基因的表達變化。
在此項研究中，研究人員透過STARmap PLUS對8月和13月大的TauPS2APP小鼠（AD小鼠模型，從約4.5月開始出現病變，6-8月呈指數增長，9月開始穩步上升）以及正常對照小鼠進行了研究後發現，Aβ斑塊在皮質和海馬中沉積明顯，而p-tau在海馬CA1區神經元中最明顯。
STARmap PLUS實現了在同一組織切片中同時進行空間轉錄組測序和特定蛋白定位
接下來，研究人員對從STARmap PLUS中獲得的細胞進行層次聚類，確定了13個主要細胞簇，並發現AD小鼠和對照小鼠的星形膠質細胞、小膠質細胞和少突膠質細胞存在差異分佈，提示這些細胞內部存在與疾病相關的細胞亞型。於是，研究人員根據其轉錄組特徵進一步鑑別出了33個亞細胞簇。
透過對細胞空間資訊和病理空間分佈的整合，研究人員生成了皮質和海馬區的高解析度空間細胞和病理圖譜。
皮質和海馬區的高解析度空間細胞和病理圖譜
為了量化Aβ斑塊周圍細胞型別的空間分佈，研究人員計算了斑塊周圍（0–50μm）內不同細胞型別的密度。在13種主要細胞型別中，小膠質細胞、星形膠質細胞、少突膠質細胞、少突膠質細胞前體細胞（OPC）和內皮細胞在Aβ斑塊附近相對富集，其中小膠質細胞是Aβ斑塊周圍10μm範圍內最常見的細胞型別，且常與Aβ斑塊直接接觸。
星形膠質細胞、少突膠質細胞、OPC和內皮細胞在距Aβ斑塊10-30μm距離內表現輕度的富集（P＜0.05），但在Aβ斑塊周圍10μm範圍內卻很少出現。
根據以上Aβ斑塊周圍細胞分佈的空間體徵，研究人員提出了Aβ斑塊周圍存在明顯的核-殼結構，小膠質細胞緊密圍繞結構核心的Aβ斑塊，而星形膠質細胞和少突膠質細胞前體細胞等則集中出現在斑塊-小膠質細胞複合體的周圍。
此外，研究對AD的另一典型病理標誌p-tau周圍不同細胞型別的密度進行研究發現，少突膠質細胞在p-tau蛋白密度高的區域（神經元胞體和軸突束附近）顯著富集（P＜0.0001）。
AD小鼠模型腦切片中Aβ斑塊周圍的核-殼結構以及p-tau周圍少突膠質細胞的富集
緊接著，研究人員對小膠質細胞亞群（Micro1-3）在腦中的丰度和位置變化進行了研究，發現代表靜息狀態的Micro1和2亞群在AD小鼠和對照小鼠中均存在，而代表啟用狀態的Micro3亞群在對照小鼠中幾乎不存在，且相比於8月大時，13月大的AD小鼠Micro3亞群顯著增加，距離Aβ斑塊最近（P<0.0001），是皮質和海馬區Aβ斑塊周圍10μm內最主要的細胞型別（>70%）。
擬時間序列分析同樣表明小膠質細胞的轉錄特徵與距Aβ斑塊的距離存在明顯相關性（P<0.0001）。
這些結果均提示了小膠質細胞啟用程度與Aβ斑塊密切關聯。隨著疾病的進展，小膠質細胞在Aβ斑塊周圍從靜息狀態逐漸轉化為啟用狀態（從Micro1和2轉變為Micro3）。
小膠質細胞的轉錄特徵與Aβ斑塊存在明顯相關性
接下來，研究人員對星形膠質細胞群體進行了分析，同樣發現Aβ斑塊周圍存在相應特殊的細胞亞群——Astro3，主要富集在Aβ斑塊周圍10-40μm處。且在8月大時，Astro2是海馬Aβ斑塊周圍10-30μm處主要的星形膠質細胞型別，而在8-13月之間，Aβ斑塊周圍Astro2逐漸轉變到Astro3。
對於少突膠質細胞的4種亞型（Oligo1-3，OPC），只有Oligo2亞型在AD小鼠中丰度顯著升高（相比於對照組，P<0.05）。在8-13月時，OPC在Aβ斑塊周圍10-20μm處明顯富集（P<0.05）。在p-tau周圍，Oligo1-3和OPC的密度則顯著增加（P＜0.05）。
最後，研究人員對Aβ斑塊和p-tau對於神經元亞群的影響進行了分析。在皮質中，Aβ斑塊附近的各種神經元型別均明顯減少（P＜0.05），但在海馬中，Aβ斑塊對神經元的影響卻不明顯。這可能是由於Aβ斑塊主要出現在神經氈區域，距離神經元胞體的距離較遠。p-tau陽性神經元在8月大的AD小鼠中主要為CTX-Ex2興奮性神經元，而在13月大時則主要為海馬CA1區興奮性神經元。
總的來說，這項研究首次構建了與AD病理相關的細胞型別空間分佈以及細胞分子通路的綜合圖譜，為探究AD病理學背後細胞和分子變化提供了新方法。得益於高空間解析度和高測序通量，未來STARmap PLUS還可用於評估藥物治療AD的效果和機制，具有重大的應用前景。
參考文獻：
1. Busche MA, Hyman BT: Synergy between amyloid-beta and tau in Alzheimer’s disease. Nat Neurosci 2020, 23(10):1183-1193.
2. Keren-Shaul H, Spinrad A, Weiner A, Matcovitch-Natan O, Dvir-Szternfeld R, Ulland TK, David E, Baruch K, Lara-Astaiso D, Toth B et al: A Unique Microglia Type Associated with Restricting Development of Alzheimer’s Disease. Cell 2017, 169(7):1276-1290 e1217.
3. Habib N, McCabe C, Medina S, Varshavsky M, Kitsberg D, Dvir-Szternfeld R, Green G, Dionne D, Nguyen L, Marshall JL et al: Disease-associated astrocytes in Alzheimer’s disease and aging. Nat Neurosci 2020, 23(6):701-706.
4. Zeng H, Huang J, Zhou H, Meilandt WJ, Dejanovic B, Zhou Y, Bohlen CJ, Lee SH, Ren J, Liu A et al: Integrative in situ mapping of single-cell transcriptional states and tissue histopathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Nat Neurosci 2023, 26(3):430-446.
來自： 奇點神思