曾虎等建立新型空间测序技术，精确测定阿尔兹海默病的脑细胞变化

阿尔兹海默病（Alzheimer's disease，AD）是一种逐步进展的神经退行性疾病，是造成老年人痴呆的最常见原因，也是在发达国家耗费社会资源最多的一种疾病【1】。广泛沉积的β淀粉样蛋白 ( amyloid-β，Aβ）斑块和神经纤维缠结（hyperphosphorylated tau，p-tau）是AD的主要神经病理学特征【1】。AD研究的一个关键问题是组织病理特征（Aβ斑块和p-tau）如何与驱动神经退行性病变的分子紊乱相关联。

2023年2月2日，哈佛-MIT Broad 研究所的 Xiao Wang 团队与 Morgan Sheng 团队合作 (曾虎博士，黄家浩和周皓文为共同第一作者) 在 Nature Neuroscience 期刊发表了题为：Integrative in situ mapping of single-cell transcriptional states and tissue histopathology in a mouse model of Alzheimer’s disease 的研究论文。

该研究建立了新型空间测序技术——STARmap PLUS，可同时测定空间转录组与蛋白质信号。将该技术用于阿尔兹海默病（AD）小鼠模型，绘制了AD小鼠脑组织的单细胞空间图谱和AD病理特征蛋白质的空间分布，揭示了AD小鼠脑组织中Aβ斑块和p-tau蛋白附近的关键细胞结构和基因表达变化。

该研究基于Xiao Wang等之前开发的空间转录组测序技术——STARmap（spatially resolved transcript amplicon readout mapping）【3】，开发了新的空间测序技术——STARmap PLUS（STARmap with protein localization and unlimited sequencing）（图1），可在同一组织切片同时测定空间转录组与蛋白质信号，并且将编码容量从1024提升至106，足够进行全转录组（20000-30000个基因）测序。

图1. STARmap PLUS原理图

研究团队将STARmap PLUS用于AD小鼠模型（TauPS2APP）在疾病的8个月和13个月两个不同阶段的脑组织，并且同时测定了对应年龄的正常小鼠用于比较。

基于STARmap PLUS测序结果的单细胞分辨率，研究团队定义了AD小鼠脑中的13种主要细胞类型和33种亚细胞类型。基于STARmap PLUS结果的高空间分辨率，研究团队观察到，在8个月早期阶段，Aβ斑块被疾病相关的小胶质细胞（Disease-associated Microglia，DAM）【4】直接包围，DAM在距离Aβ斑块0-10 µm区域富集。基因表达的空间特征分析进一步显示出离Aβ斑块较近的小胶质细胞显示出与神经退行性变有关的遗传特征。在13个月阶段，观察到和疾病相关的星形胶质细胞类似细胞（Disease-associated Astrocyte-like，DAA-like）【5】在Aβ斑块与DAM复合结构周围出现，富集在距离Aβ斑块10-40 µm区域。

对少突状胶质细胞系细胞的空间分析结果显示，少突状胶质细胞前体细胞（Oligodendrocyte Precursor Cells，OPCs）富集在距离Aβ斑块10-20µm区域，少突状细胞富集在距离Aβ斑块10-40µm区域。对于神经元细胞的空间分析结果显示，在Aβ斑块周围神经元密度显著下降。

基于以上观察到的Aβ斑块周围细胞分布的空间特征，研究团队提出了环绕Aβ斑块的核壳结构（Core–shell structures）（图2）：在AD疾病早期，DAM细胞在Aβ斑块周围出现作为核结构，壳结构是胶质细胞生发区域，并且富集有DAA-like、OPCs和少突状胶质细胞。壳结构在AD疾病后期形成，并且可能依赖于内环核结构的DAM细胞。

p-tau蛋白相关的空间分析结果显示p-tau蛋白主要富集在海马区域的CA1神经元胞体及其周围的神经纤维区域（alveus）。少突状胶质细胞在p-tau蛋白密度高的区域显著富集，尤其是在海马神经纤维区域（图2），显示神经纤维的p-tau蛋白和与少突胶质细胞之间存在潜在的相关性。

图2. Aβ斑块和 p-tau蛋白周围细胞组成示意图

该研究将STARmap PLUS用于阿尔茨海默病（AD）小鼠模型，揭示了AD病理特征蛋白质周围的细胞组成和基因表达改变。STARmap PLUS将单细胞基因表达与组织病理连接起来，为精确定位病理过程中分子和细胞层面的改变提供了工具。STARmap PLUS还可用于人体组织，对其他复杂疾病的研究也具有重大潜力，比如系统探究肿瘤微环境的细胞组成和基因表达特征等。