高分辨率的发育、成年和病态人脑血管图谱

本文介绍了一项研究，该研究通过单细胞RNA测序构建了一个涵盖胎儿、成年健康和成年病态人脑血管的单细胞图谱，揭示了其分子结构和异质性，并捕捉到了重新激活的胎儿程序以及疾病状态下血管内皮中的保守特性。该图谱为理解通用、特化和激活的ECs和PVCs的组织原则和单细胞异质性提供了基础，对生理学和医学具有广泛的意义。

人脑血管对发育中和成熟的人脑至关重要，在多种脑病理学中扮演着关键角色。单细胞RNA测序使得构建一个涵盖胎儿、成年健康和成年病态人脑血管的单细胞图谱成为可能，揭示了其分子结构和异质性，并捕捉到了重新激活的胎儿程序以及疾病状态下血管内皮中的保守特性。

Wälchli. T. et al. Single-cell atlas of the human brain vasculature across development, adulthood and disease. Nature  (2024).

摘要

脑血管的生长和网络形成涉及内皮细胞（ECs，即血管最内层的衬里）和围血管细胞（PVCs，与血管紧密相关的异质细胞群），它们共同构成神经血管单元（NVU）。在发育期间这些过程高度动态，在健康的成人大脑中进入静止阶段，并且被认为在各种依赖血管生成（血管形成）的病理状态中被重新激活，包括脑肿瘤和血管畸形。然而，具体哪些分子信号被重新激活以及它们如何调节这些病理状态尚未得到充分研究。此外，在发育过程中、成人期生理或病态条件下，人脑血管的细胞和分子异质性及结构仍然不完全明了。

由于人类ECs的稀缺性，现有的细胞图谱常常无法充分捕获它们，因此不能充分反映EC的异质性。因此，我们的项目旨在构建一个全面的人类脑血管图谱，覆盖发育、成年和疾病阶段，并在单细胞分辨率下捕捉到EC的异质性。

发现

我们对来自68个人类胎儿和成人的117个样本中的606,380个ECs、PVCs和其他组织来源的细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）（图1）。我们图谱的优势在于直接比较了从胎儿、成年健康和成年病态人脑血管中分选的EC的单细胞转录组（完整的RNA转录物集）。值得注意的是，我们捕获了迄今为止报道的大脑样本中最多的ECs和PVCs数量，这使我们能够以前所未有的分辨率和粒度评估发育、成年和疾病期间的EC异质性。

图1 | 单细胞图谱揭示重新激活的胎儿程序和共有的疾病特征。我们使用来自胎儿以及成年对照（未患病）和病态大脑的样本，在单细胞分辨率下构建了一个人类脑血管图谱，包括成年脑血管畸形和脑瘤。我们通过将组织样本解离为单细胞悬液来获取新鲜分离的细胞，然后要么用荧光激活细胞分选（FACS）针对内皮细胞（EC）标记物（CD31+CD45−）进行分选，要么作为未分选样本处理以检查神经血管单元（NVU）的所有ECs和PVCs。单细胞转录组经过计算分析并通过各种方法进行了实验验证。我们的图谱为理解通用、特化和激活的ECs和PVCs的组织原则和单细胞异质性提供了基础，对生理学和医学具有广泛的意义。AV, 动静脉；IF, 免疫荧光；IMC, 成像质谱流式细胞术；NVL, 神经血管链接；UMAP, 统一流形近似和投影。

我们揭示了健康胎儿和成人人脑中ECs和PVCs的广泛分子异质性（在小直径血管如毛细血管中最高），并跨越了五种依赖血管或依赖血管生成的中枢神经系统（CNS）病理状态。我们还发现了病态血管的共同特征：病理性ECs表现出胎儿/发育程序的重新激活（在胎儿发育期间表达或活跃，然后在成人期沉默的基因和通路），以及在不同脑病理状态中保守的基因和通路的失调。病理性ECs进一步显示出动静脉属性和CNS特异性（例如，血脑屏障（BBB））属性的部分改变，以及主要组织相容性复合体（MHC）II类分子数量的增加（参与免疫反应），表明CNS ECs的非典型特征。细胞-细胞相互作用分析预测了丰富的EC到PVC的交叉通信，包括免疫相关、发育和血管生成通路，从而揭示了EC在NVU信号网络中的核心作用。我们的单细胞脑血管图谱提供了对发育和成年（健康和病态）人脑血管的分子结构和异质性的深入了解，并为未来的研究提供了一个有力的参考。

解读

这些发现揭示了各种脑病理状态下病态血管的共同特性。胎儿/发育程序的重新激活表明内皮谱系的功能可塑性。分子剖析进一步揭示了ECs和PVCs的人类特有特性，表明物种间在BBB调节上存在基线差异。这些发现对于生物学理解和治疗性靶向发育、生理和病态脑血管具有广泛的意义。

尽管我们的研究有其优势，但由于每个疾病组和胎儿阶段的样本量有限，以及与外科组织取样相关的无意偏见，我们的研究受到了限制。我们的图谱在空间方面和脑血管的区域特异性方面也是有限的5。

未来的研究应使用大队列来解决年龄、性别和脑区域特异性对脑血管的影响，旨在解决随时间变化的胎儿人脑血管的发展，并将推动不同疾病中分子亚组的调查。未来的工作将涉及利用我们的图谱整合单细胞多‘组学’数据，以实现对人类脑血管异质性的多尺度理解。这样的研究对于理解大脑发育、发现针对性治疗的候选物和优化治疗结果至关重要。

— Thomas Wälchli是多伦多西部医院Krembil大脑研究所实验和转化神经科学部门的一员，也是多伦多大学神经外科系的一员，位于加拿大多伦多。

审稿专家意见

“作者呈现了一个涵盖几个年龄组和疾病条件的人类脑血管分子图谱。虽然之前已发表过关于成人和胎儿脑血管以及特定疾病状态的大型数据集，但这篇手稿提供了这些图谱之间更直接的比较，并且样本数量相当大。与周围组织的比较使标记物的识别比之前的工作更清晰。”

论文背后故事

虽然这段旅程始于我在瑞士苏黎世和日内瓦的神经外科住院医师时期，但在加拿大多伦多与Ivan Radovanovic和Gary Bader的几次会面进一步奠定了基础。Ivan和我想到，结合我们的专业知识和研究小组可以在这个领域进行变革性的工作。鉴于该项目的跨学科和跨大西洋性质以及疫情引发的封锁，该项目充满挑战。包括Moheb Ghobrial和Marc Schwab在内的学生们在多伦多度过了漫长的时光，尽管他们注册在苏黎世。

我们花了几年时间来构建图谱、进行分析和验证发现。我很高兴我们的图谱终于可以为研究社区所用，并期待这一资源能够扩展我们对发育、稳态和疾病中的人类脑血管的了解。我们非常感谢所有参与者的组织捐赠，没有这些捐赠，我们的工作将不可能完成。— T.W.