近日， Thomas Wälchli等人从68名胎儿和成人的117个样本中，对606,380个脑血管细胞进行了单细胞RNA测序，建立了一个涵盖发育中和成人脑血管的分子图谱。他们揭示了健康与疾病状态下人类大脑血管的分子异质性。
他们的成果发表在最新一期的Nature杂志上，名为 “Single-cell atlas of the human brain vasculature across development, adulthood and disease”
脑血管对大脑功能和多种血管依赖性中枢神经系统疾病起到重要作用，尤其是脑肿瘤和中风。了解血管的细胞和分子机制对开发治疗策略至关重要。血管生成过程在大脑发育中高度活跃，而在成年大脑中则相对静止，但在疾病状态下会重新激活。
1. 构建人脑血管的sc-atlas
作者构建了涵盖胎儿及成人（包括脑血管畸形和脑肿瘤等病变）的人类脑血管单细胞图谱（sc-atlas），分析了606,380个单细胞的转录组数据（图1a）。他们揭示了内皮细胞（ECs）在不同脑实体中的显著异质性，定义了18种主要脑细胞类型，并验证了关键特征和差异表达基因（图1b-f），加深了对脑血管细胞在健康和疾病状态下的理解。
图1构建人脑血管的分子单细胞图谱以及病理状态下脑血管内皮细胞胎儿程序的重新激活。2. 病理性脑ECs中胎儿程序的重新激活
作者评估了ECs在发育阶段和病理条件下的差异。研究揭示了胎儿与成人以及病理状态大脑内皮细胞中差异表达基因和途径的富集，强调了发育途径在大脑疾病中的重要性。数据显示，胎儿大脑发育中的信号在成人被抑制，而在病理状态下重新激活，这在脑肿瘤和脑血管畸形中尤为明显。
3. 大脑EC的组织间异质性和AV分区
为解决大脑内不同细胞实体间单细胞水平上的异质性问题，作者汇集并整合了来自43名患者的胎儿、成人/对照及病理脑EC转录组，对它们进行校正和分类（图2a）。他们揭示了人脑沿动静脉（AV）轴的EC沿分区及其表达模式的细微差别。作者识别了44个EC亚群，进一步分为14个主要集群（图2a）。此外，新发现的EC标记揭示了人类大脑中AV分区的细胞表达多样性及其在病理状态下的变化（图2e）。
在胎儿与成人脑中，毛细血管、动脉和静脉ECs的分布与病理状态下的血管生成能力的变化相关（图2b-d）。此外，作者通过比较人类和小鼠的数据，揭示了两者在脑血管特性上的基本差异，并探讨了EC集群间的细胞通信路径，发现病理和胎儿状态下的EC间通信增强，尤其是在血管生成相关的信号通路上调中起到关键作用（图2g-k）。这些研究结果为理解人类脑血管的细胞异质性和相互作用提供了新的视角。
图2脑血管EC的组织间异质性和AV分区。4. 病理性脑EC中AV规范的改变
作者通过分析人脑内血管EC的转录梯度，揭示了动脉、静脉和毛细血管在正常和病理状态下的分布特征（图3b，f，j）。他们进一步探索了血管生成过程中EC的时空关系（图3a，e，i），强调毛细血管EC对局部微环境的反应显示出较高的敏感性和组织特异性（图3m-p），这表明毛细血管EC对局部组织微环境的反应更为敏感，与大动脉和大静脉的EC表现出更多的保守性标记形成对比。
图3病理性脑血管EC中AV规范的改变。5. 病理性脑EC中CNS特异性的改变
作者研究了人类和小鼠中枢神经系统与外周EC之间的分子差异。他们发现人类胎儿大脑的血脑屏障（BBB）特征随妊娠年龄增加而表达增强。作者还观察到在疾病状态下，中枢神经系统特征的表达明显下降，而外周特征则相对上调，特别是在大动脉和大静脉中（图4e，f和补充图14p，q）。这一变化反映了在病理条件下，中枢神经系统EC可能逐渐失去其特有的功能性标志，而趋于外周EC样状态。研究还探讨了BBB功能障碍与CNS和外围特征的相关性，显示出在疾病状态下ECs的功能性转变。这些发现强调了CNS EC在发展和病理状态下的动态变化，及其在维持脑内环境稳定中的关键角色。
图4病理性脑血管EC中中枢神经系统特异性的改变。6. 病理性脑EC中MHC II类的上调
作者发现人类大脑的EC表达多种MHC II类基因，如CD74和HLA系列，显示出潜在的免疫功能。作者评估了这些基因在大脑发展和疾病中的表达差异，发现这些MHC II类特征在脑肿瘤和脑血管畸形等病理状态中上调，尤其在大动脉和大静脉的EC中更为显著（图5a-c，g-z）。
作者确认了这些基因在病理性人类脑血管中的表达。分析揭示了MHC II类配体和受体在颞叶和恶性胶质瘤中的空间共定位，表明MHC II类信号主要由特定的配体-受体对介导。这揭示了大脑EC在免疫监视中可能扮演的角色，并为进一步研究提供了基础。
图5病理性脑血管EC中MHC II类受体的上调。7. EC在人脑NVU（neurovascular unit）中的关键作用
作者进一步揭示了EC和PVC在神经血管单位（NVU）中的关键角色。EC在多种细胞相互作用中居中位置，特别是在胎儿和病变大脑中。研究强调了MHC II类信号在EC与免疫细胞相互作用中的重要性，表明这些相互作用对疾病状态下的NVU功能调节至关重要。
总结
作者利用scRNA-seq技术制作了一个涉及606,308个细胞的人类脑血管单细胞分子图谱，覆盖了从胎儿到成人及病患的广泛样本。这一图谱基于新鲜获得的脑血管细胞样本，避免了死后组织相关的转录变异。研究揭示了脑血管内皮细胞和血管周细胞在不同发展及病态阶段的分子特征，为理解其组织原则和异质性提供了宝贵的参考。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07493-y
参考文献
Wälchli T, Ghobrial M, Schwab M, Takada S, Zhong H, Suntharalingham S, Vetiska S, Gonzalez DR, Wu R, Rehrauer H, Dinesh A, Yu K, Chen ELY, Bisschop J, Farnhammer F, Mansur A, Kalucka J, Tirosh I, Regli L, Schaller K, Frei K, Ketela T, Bernstein M, Kongkham P, Carmeliet P, Valiante T, Dirks PB, Suva ML, Zadeh G, Tabar V, Schlapbach R, Jackson HW, De Bock K, Fish JE, Monnier PP, Bader GD, Radovanovic I. Single-cell atlas of the human brain vasculature across development, adulthood and disease. Nature. 2024 Jul 10. doi: 10.1038/s41586-024-07493-y. Epub ahead of print. PMID: 38987604.
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
