利用空间生物学技术来探究阿尔茨海默病

空间生物学的目标是分析组织内基因或蛋白质表达的水平和位置。这种技术促进了我们对多个组织类型的了解，但它在大脑中的应用尤其具有启发性。

大脑中存在众多的细胞类型和无数的细胞间相互作用，随着科学家开始利用空间生物学来绘制组织图谱和细胞图谱，大脑的秘密正在慢慢揭开。如今，人们对大脑中的疾病病理和神经退行性变的机制有了新的认识。

下面，我们就来看看研究人员如何利用空间生物学技术来研究阿尔茨海默病。

不同阶段的基因表达变化

阿尔茨海默病（AD）和多发性硬化症（MS）等神经退行性疾病通常会逐渐发生，并分为多个阶段。研究人员如今正利用空间转录组学和10x Genomics公司的Visium空间分析平台，研究AD和MS不同阶段的基因表达变化。

10x Genomics公司的高级营销经理Jyoti Sheldon称：“具体来说，人们通常利用空间转录组学来研究疾病标志物周围的细胞景观，以及基因表达模式的改变如何驱动各种疾病状态。”例如，匹兹堡大学的研究人员将Visium分析与单细胞RNA测序结合起来，鉴定了淀粉样斑块周围的独特转录反应，以便分析外周炎症和AD病理的关联机制¹。

对于需要将空间转录组学和组织学流程相结合的研究人员，10x Genomics还提供了与Visium配合使用的CytAssist平台，将形态结果和空间转录组学数据配对。它扩大了使用范围，有助于获得更多的空间见解。

“这使得研究人员能够分析石蜡包埋或存档组织，同时还能使用标准载玻片上的组织切片，”Sheldon说。有了CytAssist平台，研究人员能够预先筛选组织切片，选择最适合分析的切片，这在研究稀有或珍贵样本时特别有用。

今年年初，10x Genomics还推出了更高分辨率的工具——Visium HD分析。“随着新的细胞群被发现，研究人员正在进一步比较这些独特细胞群在不同疾病状态下的转录组特征，” Sheldon谈道。

AD的空间表型分析

与空间转录组学中的RNA检测不同，空间生物学的另一种模式是分析各个组织中表达的蛋白质，有时也称为空间表型分析。西达赛奈医学中心的研究人员将这种方法与Akoya Biosciences公司的PhenoCycler-Fusion系统结合使用，在小鼠模型中研究了空气污染对AD发病的影响²。

他们发现，小鼠暴露于空气中的颗粒物后，体内阿尔茨海默病的标志物表达增加。Akoya Biosciences公司的应用科学家Dmytro Klymyshyn表示：“这种增加具有区域特异性，相对于大脑皮层而言，海马区的增加更高，这凸显了空间蛋白质分析的需求。”

PhenoCycler-Fusion系统的一个重要特点是能够对整张玻片进行无偏的空间表型分析。“它能够以单细胞分辨率同时绘制不同细胞类型及其位置，这对于分析阿尔茨海默病的较小病理特征（如淀粉样蛋白斑块）尤为重要，” Klymyshyn说。

斯坦福大学的研究人员利用Akoya PhenoCycler技术和56个标志物的panel，对患者来源诱导多能干细胞（iPSC）分化出的神经元培养物进行了表征³。培养的iPSC能够分化成多种神经元细胞类型，在研究神经元功能障碍和开发治疗药物方面具有重要价值。

Akoya Biosciences公司的高级数据科学家Aditya Pratapa表示：“利用PhenoCycler-Fusion准确捕捉神经元细胞的精细过程，可以为基于AI的神经炎症分析铺平道路。通过空间蛋白质组和转录组数据的整合，它还推进了计算方法的开发，可应用于空间标志物发现。”

单细胞级的基因表达分析

基因表达研究可以帮助我们了解不同细胞类型的生理作用，并确定潜在的致病机制。利用Vizgen公司的MERSCOPE平台，研究人员能够原位分析单细胞基因表达。它结合了超分辨率成像和基于MERFISH技术的空间转录组学。

艾伦脑科学研究所的研究人员近日利用MERSCOPE平台和单细胞分析，绘制出一幅全面、多模态的AD细胞图谱⁴。Vizgen公司的科学事务高级主管Jiang He表示：“他们绘制了大脑在AD不同阶段的不同细胞类型空间分布图，并将特定细胞亚型的比例变化确定为疾病严重程度的指标。”

“有意思的是，他们发现在疾病进展过程中，Sst+抑制性神经元亚型在早期减少，而上颗粒层的端脑内侧束（IT）兴奋性神经元和Pvalb+抑制性神经元在晚期减少。”

对于空间生物学分析而言，脑组织带来了独特的挑战，例如脂褐素（lipofuscin）的存在，这种含有棕色色素的颗粒常常出现在衰老大脑中，它们会引起背景自发荧光，干扰成像。

“为了解决这个问题，Vizgen开发了MERSCOPE光漂白装置，并在样本制备过程中加入了组织透明化步骤，以减少成像背景，让研究人员能够对不同年龄或疾病阶段的大脑样本进行成像。”

MERSCOPE等空间生物学技术还将继续推动细胞图谱绘制工作，以便创建大脑的参照图谱。科学家们将依靠这些图谱，利用多组学数据来更新对大脑功能的认知。

“例如，将多重蛋白质成像与MERSCOPE成像结合起来，研究人员能够观察阿尔茨海默病患者大脑中的斑块，并表征斑块周围的细胞组成和状态，” He谈道。

随着空间生物学方法的不断进步，未来人们还将进一步揭开大脑的神秘面纱，为阿尔茨海默病的预防和治疗带来曙光。

相关文献

1. Lu Y, Saibro-Girardi C, Fitz NF, et al. Multi-transcriptomics reveals brain cellular responses to peripheral infection in Alzheimer's disease model mice. Cell Rep. 2023 Jul 25;42(7):112785. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112785

2. Israel LL, Braubach O, Shatalova ES, et al. Exposure to environmental airborne particulate matter caused wide-ranged transcriptional changes and accelerated Alzheimer's-related pathology: A mouse study. Neurobiol Dis. 2023 Oct 15;187:106307. https://doi.org/10.1016/j.nbd.2023.106307

3. Heinrich L, Zafar F, Morato Torres CA, et al. Multiplex imaging of human induced pluripotent stem cell-derived neurons with CO-Detection by indEXing (CODEX) technology. J Neurosci Methods. 2022 Aug 1;378:109653. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2022.109653

4. Integrated multimodal cell atlas of Alzheimer’s disease. doi: https://doi.org/10.1101/2023.05.08.539485