年轻运动员反复头部创伤引发神经元丢失与神经炎症的单细胞转录组学研究

为解决反复头部撞击(RHI)如何导致慢性创伤性脑病(CTE)早期病理机制不明的问题，研究人员开展年轻运动员脑组织的单细胞转录组测序研究，发现RHI暴露诱导炎症性小胶质细胞(RHIM)、血管生成内皮细胞和皮质浅层神经元丢失，并鉴定TGFβ1介导的细胞互导信号。该研究为CTE早期诊断和干预提供新靶点。

　　

接触性运动中的头部撞击问题日益引发关注，数百万运动员、军人和家庭暴力受害者每年都会遭受反复头部撞击(RHI)。这些撞击大多是非震荡性、无症状的，但长期累积可能引发慢性创伤性脑病(CTE)——一种进展性tau蛋白病，甚至可在17岁青少年中发现。目前CTE只能在死后通过检测皮质沟深度血管周围磷酸化tau(p-tau)沉积来诊断，且年轻患者症状无法完全用p-tau沉积解释，这严重阻碍了治疗干预。

为揭示RHI早期引发的细胞变化，由Morgane L.M.D. Butler和Jonathan D. Cherry共同领导的研究团队在《Nature》发表了突破性研究。他们通过对28例年轻捐赠者脑组织进行单细胞核RNA测序(snRNA-seq)，结合多重复荧光原位杂交和免疫组化分析，首次系统描绘了RHI暴露后的细胞应答图谱。

研究人员运用多项前沿技术：对8例对照、9例仅RHI暴露和11例低阶段CTE患者的背外侧前额叶皮质沟灰质进行snRNA-seq分析，获得170,717个高质量细胞核数据；使用CellRanger、Seurat等工具进行细胞聚类和差异表达分析；通过Celda和hdWGCNA进行基因共表达模块鉴定；利用多重复荧光原位杂交(smFISH)和免疫荧光对35例个体进行组织学验证；采用MultiNicheNet进行细胞间配体-受体互作分析。

Cell-type analysis across groups

研究发现，虽然各组间细胞类型组成无显著差异，但在RHI暴露个体中，小胶质细胞、星形胶质细胞、内皮细胞和神经元出现特异性改变。值得注意的是，少突胶质细胞及其前体细胞变化最小，这可能与研究聚焦灰质区域有关。

RHI induces distinct microglia subtypes

小胶质细胞分析揭示11个亚群，其中簇0、2、3和9表达CX3CR1、P2RY12等稳态基因，被称为稳态小胶质细胞。这些细胞在对照组中显著富集，其比例随足球运动年限增加而下降。更重要的是，研究发现RHI暴露诱导产生三种新型炎症性小胶质细胞(RHIM1-3)：RHIM1表达GRID2等神经元相关基因，参与突触组织；RHIM2高表达SPP1、HIF1A、TLR2等炎症基因，并显著上调C1QA等补体成分，驱动异常突触吞噬；RHIM3主要富集于CTE样本，上调HIF1A和VEGFA等缺氧相关基因。组织学验证显示，P2RY12^hiIBA1⁺稳态小胶质细胞密度随运动年限增加而显著降低，而SPP1⁺HIF1A⁺炎症性小胶质细胞在皮质沟特异性增加。

Astrocytic responses to RHI

星形胶质细胞分析识别出4个亚型，仅Astro3在RHI个体中富集，表达CHI3L1、CD44等反应性基因以及IL6R、IL1R1等炎症基因，提示星形胶质细胞在早期病变中作用相对 subtle。

Endothelial angiogenic response to RHI

血管细胞分析发现，仅成纤维细胞比例在RHI和CTE组中显著降低。内皮细胞亚型分析显示，Cap2和Cap4在RHI和CTE样本中显著富集，表达HIF1A、ANGPT2等血管生成基因，CD59等补体调节基因，以及ICAM1等血管粘附基因。模块分析显示免疫信号、血管生成和胶原相关通路显著上调。ITGAV作为内皮标志物在RHI组中显著升高，组织学验证显示ITGAV⁺血管比例随运动年限增加。

Neuronal dysfunction and loss after RHI

最显著的发现是兴奋性神经元转录改变主要发生在RHI暴露初期，47%的差异表达基因在RHI和CTE组中共享。研究发现L2/3层CUX2⁺LAMP5⁺兴奋性神经元在RHI暴露个体中平均减少56%，且丢失程度与运动年限正相关，而与p-tau沉积无关。原位杂交验证显示，皮质沟L2/3层神经元密度显著降低，且这种丢失具有区域特异性，仅发生在机械力最集中的沟底区域。尼氏染色进一步证实，足球运动年限分组与L2/3层神经元密度下降显著相关。

Ligand-receptor pair analysis

配体-受体分析发现，在RHI暴露个体中，小胶质细胞来源的TGFB1通过ITGAV、TGFBR2等受体与内皮细胞、星形胶质细胞和神经元进行信号交流。组织学验证显示ITGAV⁺TGFBR2⁺血管随运动年限增加，且TGFB1⁺小胶质细胞与这些血管的近距离配对在CTE个体中增加。重要的是，ITGAV⁺TGFBR2⁺血管增加与神经元丢失显著相关。

该研究首次证实，长期RHI暴露足以诱导持续的细胞改变，包括炎症性小胶质细胞活化、血管生成反应和特异性神经元丢失，这些变化先于p-tau沉积发生，可能解释年轻运动员的早期症状。研究发现TGFβ1信号通路可能介导小胶质细胞-内皮细胞互导，为CTE早期诊断和治疗提供了潜在靶点。这些结果突显了接触性运动长期RHI暴露的日益关注的问题，强调需要新型生物标志物和治疗干预来识别运动员早期变化，防止神经退行性变发生。

研究局限性包括样本组织量小、CTE病变的 patchy 特性可能导致重要区域遗漏，以及年轻无疾病对照样本获取困难。未来研究应增加样本量、多脑区采样以提高细胞异质性检测分辨率。尽管如此，这项工作为理解CTE早期发病机制提供了重要突破，为开发早期诊断方法和治疗策略指明了新方向。