利用单细胞空间成像技术绘制多发性硬化症的病变形成过程

- 多发性硬化症 -

MULTIPLE SCLEROSIS

喝杯咖啡，读这篇文章，吃点零食，查收电子邮件。在您做完这些事情的时候，又有一人被诊断出患有多发性硬化症（MS），每周大约有200人。

这个人将体会到疼痛、刺痛、疲劳、麻木、视力问题以及情绪或记忆的改变，就像世界上另外280万患者一样。他们会担心自己的症状是否会恶化，以及恶化速度有多快。由于目前还无法治愈，他们面临的挑战是接受这种新常态。

尽管人们在努力开发治愈方法，但中枢神经系统（CNS）病变在解剖、空间和细胞方面的异质性让了解MS变得无比复杂。虽然中枢神经系统的任何部位都可能出现新病变，但有些患者的病变似乎是在特定区域形成的。病变可能发生在脱髓鞘活跃或不活跃的组织、或两者的混合体，甚至可能是重新髓鞘化的组织。单细胞技术可帮助人们了解哪些细胞类型参与了这些病变，但这些细胞在病变中的位置——以及它们扮演了有益还是有害的角色——仍然是一个未解决的问题。

为了阐明这一重要问题，研究人员近日深入分析了MS的空间动态，利用新型的单细胞空间成像技术以高分辨率观察了这些病变微环境的细胞景观以及它们是如何驱动疾病的(1)。

试水：表征MS样病变的细胞景观

“疾病相关的胶质细胞在EAE高峰期的脊髓中最为丰富。重要的是，它们还在大脑和EAE晚期脊髓中检测到，表明疾病相关的胶质细胞状态在EAE疾病进程中的早期诱导和持续存在。”——Langseth等人

研究人员利用MS的实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）小鼠模型，以及在MS单细胞研究和已知的疾病相关标志物的指导下设计出的含有239个基因的组合，采用CartaNA原位平台*绘制出MS样病理学中病变的细胞景观，包括空间和时间背景。

通过分析不同时间点的冠状脑、颈部、胸部和腰部组织，研究团队共鉴定出41个独特的细胞群，包括所有主要的中枢神经系统稳态细胞类型。尽管EAE小鼠和对照小鼠都存在这些稳态细胞类型，但EAE小鼠的疾病相关细胞类型急剧增加，包括小胶质细胞和星形胶质细胞亚型，以及T细胞群（这是EAE小鼠特有的）。

这些细胞类型还表现出很强的空间依赖性，其中浸润免疫细胞的密度沿着脊髓逐渐降低，越靠近大脑越低（与EAE小鼠病变形成的时间模式吻合）。有意思的是，尽管EAE模型不会在大脑中形成病变，但研究人员在小鼠脑室和胼胝体内侧都发现了EAE富集的免疫细胞群，显示这种MS样病理学存在炎症和病变形成的空间要素。

*CartaNA现已成为10x Genomics的一部分。

图1. 脱髓鞘病变被CD68阳性的巨噬细胞（通过免疫组化染色，棕色）包围。
图片来源：Marvin 101，在CC-BY-SA-3.0许可下使用。

利用单细胞空间成像绘制MS病理学和进展过程

“随着脊髓内的免疫细胞浸润和增殖不断增加，病变区室化并发生同心的离心扩张。”——Langseth等人

组织学方法对EAE中病变的区分是十分简单的，但却将我们对感兴趣组织的分类限制在“病变”或“非病变”的二元范畴。为了开发一种更好的方法来表征这些病变，研究人员利用原位数据来表征细胞“邻域”。

通过这种方法，他们不仅能够区分脊髓和大脑中已定义的解剖学区域，还能区分病变中五个转录上不同的亚区（称为“区室”）。其中一个亚区是大脑中的胼胝体特有的。另一个亚区表现出空间（腰部脊髓）和时间（EAE晚期）特异性。最后，其余三个亚区则在“EAE高峰期”时间点广泛存在于脊髓中。

然而，它们的分布并不是相同的——研究团队在将这些亚区与EAE高峰期的复杂和简单病变相叠加时发现了一个有趣的现象。离大脑最远的复杂病变（更有可能是最早发生的病变）由所有三个区室组成：病变核心区室（LCC）、病变边缘区室（LRC）和病变周围区室（PLC）（距离核心区依次由近到远）。

研究人员随后发现，只有一个区室、离大脑较近的最简单病变由PLC组成，而包含两个区室的病变中心部分是LRC，边缘是PLC。综合来看，解剖分布和原位数据都符合这样一种观点，即病变一开始处于PLC状态，随着病变的扩散，其中心部分转变为LRC边缘区室，然后再进一步转变为LCC核心区室，这为病变的起始和演化提供了一个框架。

在空间背景下绘制细胞间的关联

“我们观察到单核细胞、树突状细胞和T细胞与其他细胞类型的分离，这与病变核心区室（LCC）的形成一致。”——Langseth等人

尽管单细胞转录组学技术彻底改变了我们分析细胞间相互作用的方式，但由于缺乏空间背景，它们提供的答案又很有限。然而，研究人员在使用CartaNA单细胞空间成像技术后，能够将转录组数据与空间信息相结合，更准确地观察MS样病理学中的细胞间相互作用。

虽然在解剖和时间上不同的生态位中能看到不同的模块，但研究人员在EAE晚期的脊髓中发现了一个独特的中心，由单核细胞、T细胞及其他细胞类型组成。与大脑中观察到的模块不同，疾病相关的少突胶质细胞优先与其他疾病相关胶质细胞（包括星形胶质细胞和小胶质细胞）相互作用，而不是T细胞，这种现象符合“这个模块可能不是由免疫细胞相互作用所诱导”的观点。

以这些潜在的细胞相互作用为指导，研究团队接下来试图找到配体与受体的相互作用，它们可作为疾病相关细胞状态的触发器。将单细胞RNA-seq数据与单细胞空间成像方法结合起来，他们发现损伤相关少突胶质细胞、稳态少突胶质细胞和疾病相关小胶质细胞之间存在一系列潜在的相互作用，包括补体家族成员和髓鞘调节复合物。

打开新视野：为人类病理学带来更好的工具

“新发现的病变以及病理学亚区突出了这种方法具有识别组织病理学分析未发现的病理变化的强大功能。”——Langseth等人

为了确定这些发现是否反映了人类MS中的变化，研究人员转而采用Xenium原位分析技术进行单细胞空间成像。利用这项技术，他们分析了两个人类脊髓样本，这两个样本既存在活动性病变，也存在非活动性病变，而且之前已经做了病理注释，可与Xenium数据进行比较。

与之前的成功相呼应，研究人员鉴定出38种转录上不同的细胞类型，并利用它们来表征神经解剖学上的不同区域。之后，他们用这些细胞簇来表征病变，在人类MS患者样本中鉴定出9个独特的区室，覆盖活动性和非活动性病变。

这些研究成果凸显了Xenium支持传统病理学的能力。在一个实例中，神经病理学对某个病变的注释为非脱髓鞘病变。然而，研究人员注意到少突胶质细胞和髓鞘标志物减少，这与髓鞘减少和病理学变化一致。

第二个实例更令人兴奋：在某个人类样本中，神经病理学只注释了一个病变。但Xenium分析在同一块玻片上又发现了两个区域，它们的区室组成与已注释的病变相似，代表了传统神经病理学方法未能识别的感兴趣区域。

10x助力深入挖掘单细胞空间位置信息

本文介绍的工作不仅让我们对MS病理学的结构和演化有了前所未有的了解，还显示了新工具推动科学进步的方式。通过将单细胞分辨率与空间成像相结合，研究团队能够鉴定细胞间相互作用，挖掘病理状态的潜在机制，并在传统病理学的基础上进行扩展，从而更清晰地了解疾病背后的生物学机制。

深入了解Xenium原位分析如何帮助您收集疾病生物学的更多线索>>

参考文献：

1. Langseth CM, et al. Single cell-resolution in situ sequencing elucidates spatial dynamics of multiple sclerosis lesion and disease evolution. bioRxiv (2023). doi: 10.1101/2023.06.29.547074