转自：生物谷结衣波多野家庭教师

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导读

在医学磋议的前沿，科学家们正在往常所未有的精度探索大脑老化的机制。最近，《Nature》发表的一项磋议《Spatialtranscriptomicclocksrevealcellproximityeffectsinbrainageing》引入了“空间转录组学”（SpatialTranscriptomics）观念，它不仅或者以单细胞分辨率展示大脑内不同细胞类型的空间分散过头基因抒发特征，还能捕捉这些细胞随时期的变化规矩。本文将聚焦于这项本事的中枢旨趣、应用实例过头在临床施行中的潜在价值。

磋议布景

大脑老化是好多神经退行性疾病的伏击风险要素之一，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收缩，更生神经元的数目减少，导致领路功能下跌。为了更好地领略这一进程，磋议东谈主员应用先进的基因抒发分析器具——空间转录组学——一种或者在组织切片中定位单个细胞并测量其基因抒发水平的本事。通过这种方法，不错画图出高分辨率的大脑图谱，炫耀出不同类型的细胞在特定位置上的分散情况过头随时期的变化趋势。

磋议假想与赶走

在这项始创性的磋议里，科学家们网罗了来自雄性小鼠的冠状面和矢状面脑切片，隐私了从降生到老年的20个不同庚事阶段。使用MERFISH本事，他们得回了每个切片上悉数细胞的基因抒发情况。基于此，团队建立了一套名为“空间转录组学时钟”的狡计模子，用于评估每个细胞的老化进度。赶走炫耀，老年个体大脑中某些特定区域存在非常活跃的免疫细胞群，尤其是T细胞，暗意着非神经元细胞在脑老化进程中也上演着伏击扮装。

此外，磋议东谈主员还探讨了畅通和部分重编程这两种干预设施对于逆转脑老化的影响。实验发现，经过竣事锻真金不怕火或基因裁剪管理后的小鼠大脑中，一些重要区域炫耀出领会的年青化迹象。举例，亚室带区内的更生神经元数目显贵增多，同期周围环境得到改善，标明更生细胞可能对其它老到细胞产生积极影响。

图1：悉数这个词生命周期的空间解析单细胞转录组谱

磋议东谈主员通过多路抗错荧光原位杂交（MERFISH）本事，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）。

应用预界说的秀美基因，胜仗识别了18种不同的细胞类型，其中包括神经元细胞类型：欢叫性神经元（Neuron-excitatory）、扼制性神经元（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，磋议东谈主员还把柄细胞邻域丰采聚类凝视了七个剖解亚区，最终将其手动分为四个主要区域，分歧是（1）胼胝体和前聚合白质纤维束；（2）CTX层1、皮质下膜和脑室上皮层，CTX层2/3，CTX层4/5/6；（3）尾状核过头相邻区域（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领会减少。终点是T淋巴细胞在悉数这个词华样区域内等闲分散且数目随年事增长显贵增多；比较之下，神经干细胞（NSC）主要麇集于侧脑室，其比例在悉数这个词生命周期内执续下跌。这种变化趋势揭示了朽迈进程中细胞类型比例的伏击转变（图1c-d）。小胶质细胞领有最丰富的年事相干基因，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）。

磋议东谈主员对每个组合中的悉数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期轨迹，干扰素反应基因Stat1险些在悉数细胞类型和亚区域内齐炫耀了“逐渐增多”的轨迹；相悖，参与肌酸合成的基因Gamt广漠发达为跟着年事增长而“逐渐减少”的轨迹。此外，基因抒发不错平直可视化在脑切片上，阐述了基因抒发的细胞类型特异性和区域特异性变化（图1h-i）。

说七说八，磋议者构建了一个防御的大脑朽迈时空转录组图谱，揭示了朽迈进程中细胞类型比例和基因抒发模式的要紧变化。

图2：空间老化时钟结衣波多野家庭教师

为了精确测量单个细胞的生物年事，磋议东谈主员建立了一种名为“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管理基因抒发数据磨练而成，旨在预测每个细胞的实质生理年事。为了在保执高精度的同期保留空间信息，磋议团队引入了一种篡改的软性空间伪聚类圭臬——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管理，从而优化了特定细胞类型的朽迈时钟模子磨练（图2a）。

使用SpatialSmooth方法，在冠状切片数据集上建立的空间朽迈时钟在18种细胞类型中的14种中发达出高精度（R>0.7），包括疏远的T细胞、神经干细胞（NSC）和神经元祖细胞（图2b）等。比较于平直在冠状切片数据集的空间单细胞转录组中磨练的其他时钟模子，SpatialSmooth磨练的空间朽迈时钟发达出了显贵上风（图2c）。进一步地，该模子在一组寂寥的MERFISH数据麇集也展示了隆重性，胜仗分离了年青、中年和老年三个年事段的小鼠脑样本（图2d）。

值得正式的是，这些空间朽迈时钟不仅适用于冠状脑切片，还能施行到矢状面脑切片，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，该模子还或者在仅部分基因访佛的情况下，对寂寥的啮齿动物部队进行外推，况兼不错跨性别、跨脑区以及跨不同的单细胞转录组本事进行应用（图2f）。这些特点解说了空间朽迈时钟的宏大泛化才气和等闲的适用领域。

图3：年青化战术、炎症和疾病对空间单细胞老化的影响

磋议东谈主员应用“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干预反应的可推广器具的可能性。为此，生成了零散的MERFISH空间转录组学数据集，并测试了两种抗朽迈干预设施：自觉畅通和部分重新编程（即周期性抒发山中因子Oct4、Sox2、Klf4和Myc）的赶走（图3a）。

畅通干预数据集涵盖了逾越90万个细胞，分为18种类型（图3b）。空间朽迈时钟炫耀，畅通显贵重新激活了几种细胞类型的转录组，终点是内皮细胞（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，畅通明下调的基因在再激活区内皮细胞中显贵富集于细胞聚合和焦点粘附进程，教唆畅通对特定脑区内皮细胞的区域性再激活。神经祖细胞也发达出区域性再激活，尤其在围聚胼胝体（CC）的场合，这可能归因于该区域存在特殊的滋长因子（图3f）。

部分重编程干预数据集包括逾越一百万个细胞，分为15种类型（图3c）。空间朽迈时钟揭示，部分重编程或者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隔壁炫耀出区域特异性逆转，而在VEN或STR隔壁未见此表象（图3g）。但是，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）则发达出提前朽迈反应，标明部分重编程对大脑既有故意也有潜在无益的影响，具体取决于细胞类型。

磋议东谈主员还分析了一个公开的MERFISH数据集，其中包含小鼠接管脂多糖（LPS）全身性炎症挑战后的CTX、STR和CC区域（图3h）。空间朽迈时钟炫耀，几种细胞类型（包括胶质细胞、微胶质细胞）对LPS发达出加快朽迈反应，终点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）。赶走炫耀，大多数细胞类型（如小胶质细胞、神经元和大脑血管细胞）在多个脑区中发达出加快的转录朽迈（图3j）。

说七说八，空间朽迈时钟不仅揭示了两种不同抗朽迈干预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损害对大脑影响方面的后劲。

图4：在朽迈和年青化进程中，细胞对邻近细胞的邻近效应

磋议东谈主员应用空间朽迈时钟，量化了特定“效应”细胞类型对“规画”细胞类型的朽迈影响。通过分析给定效应细胞的空转折近度如何改变规画细胞的预测年事（图4a），磋议团队识别出了214种不同的细胞-细胞邻近效应（图4b）。终点关爱那些对邻近细胞有最强全局影响的效应细胞。赶走炫耀，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发达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）和内皮细胞上尤为领会（图4b）。为了考证这些不雅察赶走不是由于年事相干的细胞类型比例变化引起，磋议东谈主员在每个样簿子区域内立时置换悉数细胞的空间位置。赶走标明，这种立时化统统甩掉了所灵验应细胞类型的邻近效应（图4c），解说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。

为了进一步领略特定细胞在其邻近细胞中的作用，磋议东谈主员进行了造谣细胞类型扰动实验，使用深度学习方法磨练了一个图神经会聚（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，界说为隔壁细胞平均年事加快，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，磋议发现：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

磋议东谈主员对逾越12，000个基因进行了非偏倚各异抒发分析，揭示了T细胞隔壁的细胞发达出与病毒免疫反应相干的基因增多抒发（图5a）。这种表象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细胞炫耀出更高的“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细胞隔壁的靶细胞也炫耀出IFNγ搪塞基因的同步上调。匹配细胞类型和亚区域后，围聚T细胞的靶细胞发达出“细胞对II型干扰素反应”的假设基因增多抒发（图5c）。

为了考证这些发现，磋议东谈主员使用抗CD3（T细胞秀美物）和STAT1（干扰素反应秀美物）抗体对28个月龄小鼠脑冠状切片进行了免疫荧光染色。赶走炫耀，围聚T细胞（CD3+）的细胞中STAT1强度显贵高于隔离T细胞的细胞，在胼胝体（CC）、皮层（CTX）和腹侧脑室区（VEN）中均呈统计学兴味各异，而在纹状体（STR）中呈趋势性增多（图5d-e）。这些赶走通过实验考证了T细胞附进效应与隔壁细胞上调的干扰素响应相干，并提议了IFN信号可能介导T细胞促朽迈效应的可能性。

非偏倚各异抒发分析还揭示了NSC隔壁的细胞中上调了与内吞蹊径和脂质代谢相干的基因（图5f）。进一步磋议炫耀，具有更强促再胜仗应的NSC发达出“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，况兼与Vegfa的增多趋势一致，这是MERFISH中独一由NSC分泌的滋长因子的基因（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赶走。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，围聚NSC的细胞发达出与细胞摄入和内吞作用相干的假设基因上调，多种滋长因子的细胞响应增强，况兼“NADH生理学进程”增多，该进程与脂肪酸氧化代谢接洽，关联到更年青的脑情景（图5h）。

为了考证NSC的再生促进效应，磋议东谈主员使用抗神经干细胞秀美物S100A6、外泌体秀美物CD9以及脂肪酸氧化秀美物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）。值得正式的是，在VEN中围聚神经干细胞的细胞，其CPT1A强度领会高于隔离神经干细胞的细胞（图5i-j-l）。此外，神经干细胞的CD9强度和隔壁细胞的CPT1A强度呈正相干（图5m）。这些实验赶走救助了神经干细胞中外泌体秀美物强度增多与其隔壁细胞中脂质氧化增强之间的关联，并提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。

拓展延迟

空间转录组学在其他科研范畴的应用：

1.肿瘤生物学

空间转录组学为肿瘤磋议带来了全新的视角。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。但是，这些方法通常无法精确描述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，磋议东谈主员不错直不雅地看到不同类型的细胞在肿瘤内的分散情况过头基因抒发特征，从而更好地领略肿瘤异质性和进化动态。举例，在乳腺癌的磋议中，科学家们应用该本事揭示了肿瘤边际区域存在一个由成纤维细胞、巨噬细胞及T细胞组成的私有生态位，这可能是导致化疗耐药性的原因之一。此外，对于转换灶的磋议也标明，原发灶与转换灶之间存在着显贵的空间转录各异，教唆着不同的调理战术可能需要针对特定部位进行优化。

2.发育生物学

在胚胎发育进程中，细胞的空间胪列和相互作用决定了器官变成的重要时势。以往的磋议大多基于格式学不雅察或基因敲除实验，难以捕捉到及时变化的信息。当今，借助空间转录组学，咱们不错跟踪特定细胞群体在悉数这个词发育进程中的迁徙旅途过头分子调控会聚。比如，在腹黑发育范畴，有磋议发现心外膜下的祖细胞会沿着特定标的迁徙到心肌层，并在此进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源的领略，也为再生医学提供了新的念念路。类似地，在神不断闭合时间，背侧和腹侧神经元前体细胞展现出迥然相异的基因抒发谱，暗意着它们明天功能上的单干早已注定。

3.免疫学

免疫反应常常波及多种细胞类型之间的相连，包括抗原呈递细胞、T/B淋巴细胞以及当然杀伤细胞等。为了探究这些细胞如何和洽职责以反抗病原体入侵，磋议东谈主员运转接管空间转录组学来解析局部免疫环境。一项对于流感病毒感染后肺部免疫搪塞的磋议炫耀，感染初期，树突状细胞麇集于支气管旁淋奉承隔壁，随后招募并激活大齐的CD8+T细胞；而在规复阶段，则是由转变性T细胞主导，保管组织稳态。此外，该本事也被应用于本身免疫性疾病如类风湿重要炎的磋议中，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，它们执续分泌致炎因子，加重炎症反应。此类发现存助于建立更精确的靶向疗法，改善患者预后。

4.植物科学

尽管上述例子大多麇集在动物模子上，但空间转录组学相似适用于植物科学磋议。植物体内的细胞具有固定的相对位置，因此十分适合用此本事磋议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明晰地看见各个细胞层（表皮、皮层、维拘谨）的基因抒发模式，进而猜测出它们各自承担的扮装。另外，在叶片光合作用进程中，叶绿体周围的细胞发达出特有的基因抒发谱，反应了光能招揽与转动所需的酶系组成。这类磋议不仅能加深咱们对植物滋长发育规矩的意志，还可能为农业坐褥提供本事救助，比如栽培愈加耐旱或高效固氮的新品种。

临床应用与瞻望

带惟恐期序列的空间转录组学磋议不仅加深了咱们对脑老化生物学进程的意志，也为寻找减速以致逆转朽迈的灵验方法提供了难得的陈迹。跟着后续职责的鼓吹，战胜会有越来越多令东谈主致力的赶走暴露出来，最终造福全东谈主类。

注：本文旨在先容医学磋议进展，不作念调理决策推选。如有需要，请磋议专科临床大夫。

参考文件

SunED，ZhouOY，HauptscheinM，RappoportN，XuL，NavarroNegredoP，LiuL，RandoTA，ZouJ，BrunetA.Spatialtranscriptomicclocksrevealcellproximityeffectsinbrainageing.Nature.2024Dec18.

（转自：生物谷）结衣波多野家庭教师