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导读
在医学计划的前沿，科学家们正在畴昔所未有的精度探索大脑老化的机制。最近，《Nature》发表的一项计划《Spatialtranscriptomicclocksrevealcellproximityeffectsinbrainageing》引入了“空间转录组学”（SpatialTranscriptomics）成见，它不仅大略以单细胞分辨率展示大脑内不同细胞类型的空间散布过火基因抒发特征，还能捕捉这些细胞随时刻的变化轨则。本文将聚焦于这项本领的中枢旨趣、应用实例过火在临床执行中的潜在价值。
计划布景
大脑老化是好多神经退行性疾病的垂危风险身分之一，如阿尔茨海默病和帕金森病。跟着年岁的增长，大脑中的干细胞活性收缩，更生神经元的数目减少，导致贯通功能下落。为了更好地理会这一进程，计划东谈主员独揽先进的基因抒发分析器具——空间转录组学——一种大略在组织切片中定位单个细胞并测量其基因抒发水平的本领。通过这种方法，不错绘画出高分辨率的大脑图谱，炫夸出不同类型的细胞在特定位置上的散布情况过火随时刻的变化趋势。
计划假想与收尾
在这项草创性的计划里，科学家们收罗了来自雄性小鼠的冠状面和矢状面脑切片，隐敝了从确立到老年的20个不同庚岁阶段。使用MERFISH本领，他们取得了每个切片上整个细胞的基因抒发情况。基于此，团队种植了一套名为“空间转录组学时钟”的辩论模子，用于评估每个细胞的老化进程。收尾炫夸，老年个体大脑中某些特定区域存在特殊活跃的免疫细胞群，尤其是T细胞，线路着非神经元细胞在脑老化进程中也演出着垂危变装。
此外，计划东谈主员还探讨了解析和部分重编程这两种搅扰要领对于逆转脑老化的影响。实验发现，经过为止磨真金不怕火或基因剪辑惩办后的小鼠大脑中，一些要害区域炫夸出明显的年青化迹象。举例，亚室带区内的更生神经元数目显耀增多，同期周围环境得到改善，标明更生细胞可能对其它熟习细胞产生积极影响。
图1：整个这个词生命周期的空间解析单细胞转录组谱
计划东谈主员通过多路抗错荧光原位杂交（MERFISH）本领，对20个不同庚岁的雄性小鼠冠状脑切片及6个不同庚岁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）。
独揽预界说的符号基因，到手识别了18种不同的细胞类型，其中包括神经元细胞类型：抖擞性神经元（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，计划东谈主员还把柄细胞邻域品貌聚类谛视了七个剖解亚区，最终将其手动分为四个主要区域，离别是（1）胼胝体和前联结白质纤维束；（2）CTX层1、皮质下膜和脑室上皮层，CTX层2/3，CTX层4/5/6；（3）尾状核过火相邻区域（STR）；和（4）VEN。这一分类为后续分析提供了坚实的基础图（图1b）。
细胞比例随年岁变化的趋势跟着年岁的增长，大脑皮层中胶质细胞、少突胶质细胞和T淋巴细胞的比例显耀增多，而神经前体细胞、干细胞和神经元祖细胞的比例则明显减少。突出是T淋巴细胞在整个这个词华样区域内往常散布且数目随年岁增长显耀增多；比拟之下，神经干细胞（NSC）主要集结于侧脑室，其比例在整个这个词生命周期内握续下落。这种变化趋势揭示了软弱进程中细胞类型比例的垂危转变（图1c-d）。小胶质细胞领有最丰富的年岁斟酌基因，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）。
计划东谈主员对每个组合中的整个20个年岁中每个基因、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刻轨迹，干扰素反应基因Stat1险些在整个细胞类型和亚区域内都炫夸了“逐渐增多”的轨迹；违犯，参与肌酸合成的基因Gamt盛大推崇为跟着年岁增长而“逐渐减少”的轨迹。此外，基因抒发不错径直可视化在脑切片上，阐发了基因抒发的细胞类型特异性和区域特异性变化（图1h-i）。
总而言之，计划者构建了一个详备的大脑软弱时空转录组图谱，揭示了软弱进程中细胞类型比例和基因抒发模式的紧要变化。
图2：空间老化时钟
为了精确测量单个细胞的生物年岁，计划东谈主员种植了一种名为“空间软弱时钟”的机器学习模子。该模子基于小鼠大脑的空间预惩办基因抒发数据测验而成，旨在预测每个细胞的实质生理年岁。为了在保握高精度的同期保留空间信息，计划团队引入了一种转变的软性空间伪聚类圭臬——SpatialSmooth。这一方法通过迭代地对团结类型细胞的邻近细胞进行基因抒发值的平滑惩办，从而优化了特定细胞类型的软弱时钟模子测验（图2a）。
使用SpatialSmooth方法，在冠状切片数据集上种植的空间软弱时钟在18种细胞类型中的14种中推崇出高精度（R>0.7），包括荒废的T细胞、神经干细胞（NSC）和神经元祖细胞（图2b）等。比拟于径直在冠状切片数据集的空间单细胞转录组中测验的其他时钟模子，SpatialSmooth测验的空间软弱时钟推崇出了显耀上风（图2c）。进一表情，该模子在一组孤独的MERFISH数据集结也展示了妥当性，到手分离了年青、中年和老年三个年岁段的小鼠脑样本（图2d）。
值得注主见是，这些空间软弱时钟不仅适用于冠状脑切片，还能履行到矢状面脑切片，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，该模子还大略在仅部分基因重迭的情况下，对孤独的啮齿动物部队进行外推，何况不错跨性别、跨脑区以及跨不同的单细胞转录组本领进行应用（图2f）。这些特质讲解注解了空间软弱时钟的雄壮泛化才智和往常的适用鸿沟。
图3：年青化政策、炎症和疾病对空间单细胞老化的影响
计划东谈主员独揽“空间软弱时钟”探索了其四肢评估大脑不同细胞类型和区域对再生搅扰反应的可膨胀器具的可能性。为此，生成了特殊的MERFISH空间转录组学数据集，并测试了两种抗软弱搅扰要领：自发解析和部分再行编程（即周期性抒发山中因子Oct4、Sox2、Klf4和Myc）的着力（图3a）。
解析搅扰数据集涵盖了越过90万个细胞，分为18种类型（图3b）。空间软弱时钟炫夸，解析显耀再行激活了几种细胞类型的转录组，突出是内皮细胞（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，解析后下调的基因在再激活区内皮细胞中显耀富集于细胞贯穿和焦点粘附进程，教导解析对特定脑区内皮细胞的区域性再激活。神经祖细胞也推崇出区域性再激活，尤其在会聚胼胝体（CC）的地方，这可能归因于该区域存在特殊的助长因子（图3f）。
部分重编程搅扰数据集包括越过一百万个细胞，分为15种类型（图3c）。空间软弱时钟揭示，部分重编程大略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），这与还原神经祖细胞的功能相一致（图3e）。室管膜细胞在CC隔壁炫夸出区域特异性逆转，而在VEN或STR隔壁未见此景色（图3g）。然则，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）则推崇出提前软弱反应，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。
计划东谈主员还分析了一个公开的MERFISH数据集，其中包含小鼠接受脂多糖（LPS）全身性炎症挑战后的CTX、STR和CC区域（图3h）。空间软弱时钟炫夸，几种细胞类型（包括胶质细胞、微胶质细胞）对LPS推崇出加快软弱反应，突出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）。收尾炫夸，大多数细胞类型（如小胶质细胞、神经元和大脑血管细胞）在多个脑区中推崇出加快的转录软弱（图3j）。
总而言之，空间软弱时钟不仅揭示了两种不同抗软弱搅扰要领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挫伤对大脑影响方面的后劲。
图4：在软弱和年青化进程中，细胞对邻近细胞的邻近效应
计划东谈主员独揽空间软弱时钟，量化了特定“效应”细胞类型对“盘算推算”细胞类型的软弱影响。通过分析给定效应细胞的空转折近度怎样改变盘算推算细胞的预测年岁（图4a），计划团队识别出了214种不同的细胞-细胞邻近效应（图4b）。突出存眷那些对邻近细胞有最强全局影响的效应细胞。收尾炫夸，T细胞具有最强的平均亲和力效应（图4c），ag百家乐网站尤其在少突胶质细胞和内皮细胞中推崇出显耀的促进软弱作用（图4b）。
违犯，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）和内皮细胞上尤为明显（图4b）。为了考证这些不雅察收尾不是由于年岁斟酌的细胞类型比例变化引起，计划东谈主员在每个样簿子区域内立地置换整个细胞的空间位置。收尾标明，这种立地化皆备甩掉了整个用应细胞类型的邻近效应（图4c），讲解注解了细胞类型比例或区域异质性不会显耀影响邻近效应的大小。
为了进一步理会特定细胞在其邻近细胞中的作用，计划东谈主员进行了诬捏细胞类型扰动实验，使用深度学习方法测验了一个图神经辘集（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软弱，界说为隔壁细胞平均年岁加快，仅依赖于细胞类型和图形连通性四肢特征（图4d）。通过交换中心细胞的细胞类型并测量对邻域软弱的影响，计划发现：对于T细胞，用另一种细胞代替T细胞（功能失活实验）导致邻域软弱减少（图4e），而用任何一种细胞替换为T细胞（功能激活实验）则增多了邻域软弱（图4f）；而对于NSC，功能失活增多了邻域软弱（图4e），功能激活则减少了邻域软弱（图4f）。
此外，替代或添加中性细胞类型（如内皮细胞）不会显耀影响邻域软弱（图4e,f），进一步证实了T细胞对其邻居有促进软弱的作用，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
计划东谈主员对越过12,000个基因进行了非偏倚互异抒发分析，揭示了T细胞隔壁的细胞推崇出与病毒免疫反应斟酌的基因增多抒发（图5a）。这种景色可能是在干扰素信号作用下的响应。具体来说，具有更大促软弱效应的T细胞炫夸出更高的“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夸出IFNγ嘱托基因的同步上调。匹配细胞类型和亚区域后，会聚T细胞的靶细胞推崇出“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，计划东谈主员使用抗CD3（T细胞符号物）和STAT1（干扰素反应符号物）抗体对28个月龄小鼠脑冠状切片进行了免疫荧光染色。收尾炫夸，会聚T细胞（CD3+）的细胞中STAT1强度显耀高于隔离T细胞的细胞，在胼胝体（CC）、皮层（CTX）和腹侧脑室区（VEN）中均呈统计学有趣有趣互异，而在纹状体（STR）中呈趋势性增多（图5d-e）。这些收尾通过实验考证了T细胞操纵效应与隔壁细胞上调的干扰素响应斟酌，并提倡了IFN信号可能介导T细胞促软弱效应的可能性。
非偏倚互异抒发分析还揭示了NSC隔壁的细胞中上调了与内吞阶梯和脂质代谢斟酌的基因（图5f）。进一步计划炫夸，具有更强促再收效应的NSC推崇出“胞吐”和“外泌体分泌”的假设基因抒发增多，以及外泌体符号物Cd9的增多，何况与Vegfa的增多趋势一致，这是MERFISH中独一由NSC分泌的助长因子的基因（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着力。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，会聚NSC的细胞推崇出与细胞摄入和内吞作用斟酌的假设基因上调，多种助长因子的细胞响应增强，何况“NADH生理学进程”增多，该进程与脂肪酸氧化代谢相关，关联到更年青的脑情景（图5h）。
为了考证NSC的再生促进效应，计划东谈主员使用抗神经干细胞符号物S100A6、外泌体符号物CD9以及脂肪酸氧化符号物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+）显耀高于其他细胞类型（non-NSC）。值得注主见是，在VEN中会聚神经干细胞的细胞，其CPT1A强度明显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强度呈正斟酌（图5m）。这些实验收尾维持了神经干细胞中外泌体符号物强度增多与其隔壁细胞中脂质氧化增强之间的关联，并提倡这些变化可能部分介导了神经干细胞的促再生操纵效应。
拓展延迟
空间转录组学在其他科研限制的应用：
1.肿瘤生物学
空间转录组学为肿瘤计划带来了全新的视角。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。然则，这些方法经常无法精确形色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，计划东谈主员不错直不雅地看到不同类型的细胞在肿瘤内的散布情况过火基因抒发特征，从而更好地理会肿瘤异质性和进化动态。举例，在乳腺癌的计划中，科学家们独揽该本领揭示了肿瘤旯旮区域存在一个由成纤维细胞、巨噬细胞及T细胞组成的独有生态位，这可能是导致化疗耐药性的原因之一。此外，对于转变灶的计划也标明，原发灶与转变灶之间存在着显耀的空间转录互异，教导着不同的调养政策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，细胞的空间成列和互相作用决定了器官酿成的要害圭臬。以往的计划大多基于形式学不雅察或基因敲除实验，难以捕捉到及时变化的信息。现时，借助空间转录组学，咱们不错跟踪特定细胞群体在整个这个词发育进程中的迁徙旅途过火分子调控辘集。比如，在腹黑发育限制，有计划发现心外膜下的祖细胞会沿着特定场地迁徙到心肌层，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理会，也为再生医学提供了新的念念路。雷同地，在神经管闭合时代，背侧和腹侧神经元前体细胞展现出截然有异的基因抒发谱，线路着它们异日功能上的单干早已注定。
3.免疫学
免疫反应常常触及多种细胞类型之间的伙同，包括抗原呈递细胞、T/B淋巴细胞以及当然杀伤细胞等。为了探究这些细胞怎样谐和责任以抵抗病原体入侵，计划东谈主员开动秉承空间转录组学来剖析局部免疫环境。一项对于流感病毒感染后肺部免疫嘱托的计划炫夸，感染初期，树突状细胞皆集于支气管旁淋凑趣隔壁，随后招募并激活多数的CD8+T细胞；而在还原阶段，则是由调遣性T细胞主导，保管组织稳态。此外，该本领也被应用于本身免疫性疾病如类风湿要害炎的计划中，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，它们握续分泌致炎因子，加重炎症反应。此类发现存助于种植更精确的靶向疗法，改善患者预后。
4.植物科学
尽管上述例子大多集结在动物模子上，但空间转录组学相似适用于植物科学计划。植物体内的细胞具有固定的相对位置，因此相等合乎用此本领计划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、维照应）的基因抒发模式，进而计算出它们各自承担的变装。另外，在叶片光合作用进程中，叶绿体周围的细胞推崇出特有的基因抒发谱，响应了光能接纳与转变所需的酶系组成。这类计划不仅能加深咱们对植物助长发育轨则的意志，还可能为农业出产提供本领维持，比如培育愈加耐旱或高效固氮的新品种。
临床应用与瞻望
带偶而刻序列的空间转录组学计划不仅加深了咱们对脑老化生物学进程的意志，也为寻找减慢甚而逆转软弱的有用方法提供了妥当的足迹。跟着后续责任的股东，笃信会有越来越多令东谈主激越的收尾袒表露来，最终造福全东谈主类。
注：本文旨在先容医学计划进展，不作念调养决策保举。如有需要，请扣问专科临床医师。
参考文件
SunED,ZhouOY,HauptscheinM,RappoportN,XuL,NavarroNegredoP,LiuL,RandoTA,ZouJ,BrunetA.Spatialtranscriptomicclocksrevealcellproximityeffectsinbrainageing.Nature.2024Dec18.
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