将血液输送到人脑的细胞的综合新图谱
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麻省理工学院的研究人员创建了一个全面的脑血管系统细胞类型图谱。图片来源：iStockphoto，由麻省理工学院新闻编辑
人类脑血管细胞的单细胞基因表达分析有助于揭示亨廷顿病的新药物靶点。
虽然神经元和神经胶质细胞是迄今为止大脑中数量最多的细胞，但许多其他类型的细胞也发挥着重要作用。其中包括脑血管细胞，它们形成向大脑输送氧气和其他营养物质的血管。
这些细胞仅占大脑细胞的 0.3%，也构成了血脑屏障，这是一个防止病原体和毒素进入大脑的关键界面，同时允许关键的营养物质和信号通过。麻省理工学院的研究人员现在对人类脑组织中这些难以找到的细胞进行了广泛的分析，创建了脑血管细胞类型及其功能的综合图谱。
他们的研究还揭示了健康人和亨廷顿病患者脑血管细胞之间的差异，这可能为治疗亨廷顿病的潜在方法提供新的靶点。血脑屏障的破坏与亨廷顿氏症和许多其他神经退行性疾病有关，并且通常在任何其他症状出现之前几年就发生了。
麻省理工学院脑与认知科学系副教授 Myriam Heiman 说：“我们认为这可能是一条非常有前途的途径，因为脑血管系统比位于大脑血脑屏障内的细胞更容易获得治疗。”皮考尔学习和记忆研究所的成员。
Heiman 和 Manolis Kellis 是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 的计算机科学教授、麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的成员，是该研究的资深作者，该研究于 2022 年 2 月 14 日发表，在大自然中。麻省理工学院脑与认知科学系的研究生弗朗西斯科·加西亚和电气工程与计算机科学系的孙娜是该论文的主要作者。
综合地图集
脑血管细胞构成了向大脑输送氧气和营养的血管网络，它们还有助于清除碎片和代谢物。这种灌溉系统的功能障碍被认为会导致亨廷顿病、阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病中的有害影响的累积。
在脑血管系统中发现了许多类型的细胞，但由于它们只占大脑细胞的一小部分，因此很难获得足够的细胞来进行单细胞RNA测序的大规模分析。这种允许破译单个细胞的基因表达模式的研究提供了大量关于特定细胞类型功能的信息，这些信息基于这些细胞中哪些基因被打开。
在这项研究中，麻省理工学院的团队能够获得 100 多个人类死后脑组织样本，并在手术期间取出 17 个健康脑组织样本以治疗癫痫发作。与死后样本相比，脑部手术组织来自更年轻的患者，这使研究人员也能够识别血管系统中与年龄相关的差异。研究人员使用离心法丰富了脑外科手术样本的脑血管细胞，并通过计算“分类”管道运行死后样本细胞，该管道根据脑血管细胞表达的某些标记物来识别脑血管细胞。
研究人员对超过 16,000 个脑血管细胞进行了单细胞 RNA 测序，并利用这些细胞的基因表达模式将它们分为 11 种不同的亚型。这些类型包括血管内皮细胞；壁细胞，包括毛细血管壁中的周细胞和有助于调节血压和血流的平滑肌细胞；和成纤维细胞，一种结构细胞。
“这项研究使我们能够放大这种令人难以置信的中央细胞类型，它促进了大脑的所有功能，”凯利斯说。“我们在这里所做的是了解这些构建块和这种细胞类型的多样性，这些细胞类型以前所未有的分辨率构成了数百个人的脉管系统。”
研究人员还发现了一种称为分区现象的证据。这意味着排列在血管中的内皮细胞根据它们所在的位置（在小动脉、毛细血管或小静脉中）表达不同的基因。此外，在他们发现的数百个在三个区域中表达不同的基因中，只有大约 10% 的基因与之前在小鼠脑血管系统中看到的分区基因相同。
“我们看到了很多人类特异性，”海曼说。“我们的研究提供了一系列标记和对这三个不同区域基因功能的见解。我们认为从人类脑血管系统的角度来看这些事情很重要，因为物种之间的保护并不完美。”
屏障击穿
研究人员还使用他们的新血管图谱分析了一组来自疾病患者的死后脑组织样本，证明了其广泛的用途。他们专注于亨廷顿氏病，其中脑血管系统异常包括血脑屏障渗漏和更高密度的血管。这些症状通常出现在与亨廷顿氏病相关的任何其他症状之前，并且可以使用功能性磁共振成像 (fMRI) 看到。
在这项研究中，研究人员发现，与健康细胞相比，亨廷顿病患者的细胞在基因表达上表现出许多变化，包括 MFSD2A 基因的表达下降，MFSD2A 是一种限制脂质通过血脑屏障的关键转运蛋白。 . 他们认为，该转运蛋白的丢失以及他们观察到的其他变化可能会导致屏障的泄漏增加。
他们还发现参与 Wnt 信号通路的基因上调，该通路促进新血管的生长，血管内皮细胞表现出出乎意料的强烈免疫激活，这可能进一步导致血脑屏障失调。
海曼说，由于脑血管细胞可以通过血液进入，它们可以成为治疗亨廷顿舞蹈症和其他神经退行性疾病的诱人目标。研究人员现在计划在亨廷顿病小鼠模型中测试他们是否能够向这些细胞提供潜在的药物或基因疗法，并研究它们可能具有的治疗效果。
“鉴于脑血管功能障碍在出现更多疾病特异性症状之前几年就出现了，也许它是疾病进展的一个促成因素，”Heiman 说。“如果这是真的，而且我们可以防止这种情况发生，那可能是一个重要的治疗机会。”
研究人员还计划从他们的组织样本中分析更多的 RNA 测序数据，而不是他们在本文中检查的脑血管细胞。
“我们的目标是建立一个系统的单细胞地图，以在数千个人类大脑样本中导航健康、疾病和衰老方面的大脑功能，”凯利斯说。“这项研究是该地图集的第一批一口大小的部分之一，着眼于 0.3% 的细胞。我们正在积极分析多个激动人心的合作中的其他 99%，许多见解仍在继续。”