曲张投射星形胶质细胞（Varicose projection astrocytes）: 脑病理学中的保守反应性细胞（Conserved reactive cells in brain pathology）

《SCIENCE ADVANCES》：Varicose projection astrocytes: Conserved reactive cells in brain pathology

　　

星形胶质细胞（Astrocytes）在神经病理学中发挥重要作用。人类星形胶质细胞展现出独特的特性，凸显了在人类模型中研究星形胶质细胞反应的重要性。曲张投射星形胶质细胞（Varicose projection astrocytes），此前被认为仅存在于人科动物（hominoids）中且是一种生理性星形胶质细胞类型，曾被提示反映病理负担，尽管缺乏将它们与神经系统疾病直接关联的证据。在此，研究人员证实曲张投射星形胶质细胞也出现在其他哺乳动物中，并通过四种不同的基于人类疾病模型表明，曲张投射星形胶质细胞由神经炎症（neuroinflammation）诱导，并以独特的亚细胞特征为特点，表明参与细胞应激反应，且其密度在衰老和人类神经病理学中增加。研究人员的发现将曲张投射星形胶质细胞确立为与神经病理学相关的反应性表型（reactive phenotype）。

**论文解读：曲张投射星形胶质细胞——脑病理学中的保守性反应细胞**

**研究背景与问题**

星形胶质细胞（Astrocytes）是维持脑稳态的关键细胞，参与突触传递和神经元活动调节。在病理条件下，星形胶质细胞会发生反应性星形胶质细胞增生（reactive astrogliosis），表现为形态和功能改变，如细胞肥大、突起延长、胶质纤维酸性蛋白（GFAP）上调等。神经炎症（neuroinflammation）是星形胶质细胞反应性的重要触发因素，涉及小胶质细胞释放的促炎因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和补体成分1q（C1q）。然而，由于物种间差异，星形胶质细胞在人类病理中的具体作用尚不完全清楚。曲张投射星形胶质细胞（Varicose projection astrocytes，VP-As）最初被认为仅存在于人类和其他人科动物（hominoids），定义为一种生理性星形胶质细胞亚型，其特征是胞体位于深层皮质（V、VI层和白质），发出长而GFAP阳性的突起，突起上包含均匀间隔的曲张（varicosities，念珠状扩张）。然而，早期描述多在老年或患病人类脑中发现，且并非所有同种个体均存在，提示VP-As可能并非稳定生理类型，而是病理条件下的反应状态。因此，研究人员假设VP-As是对神经病理学（尤其是神经炎症）的反应，并可能出现在不同哺乳动物物种中。

**研究内容与主要结论**

研究人员利用多种基于人类的模型（包括人诱导多能干细胞（hiPSC）来源星形胶质细胞、人神经干细胞（hNSC）来源星形胶质细胞、脑类器官（cerebral organoids）以及人类死后脑组织和手术切除样本），结合小鼠模型（胚胎干细胞来源星形胶质细胞、控制性皮质撞击（CCI）创伤性脑损伤模型、脂多糖（LPS）诱导神经炎症模型），系统研究了VP-As的诱导条件和病理相关性。主要结论包括：（1）VP-As并非人科动物特有，也存在于小鼠和老虎等其他哺乳动物中；（2）VP-As由促炎细胞因子（IL-1β和TNF-α）诱导，且这种诱导具有可逆性；（3）VP-As的曲张结构包含细胞外囊泡（EV）标记物（整合素β1、CD9、CD63）以及细胞器（线粒体、内质网、高尔基体）成分，提示参与细胞应激和通讯；（4）在人类神经退行性疾病（阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、多发性硬化（MS））和癫痫中，VP-As密度显著增加，且随衰老积累。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。这些发现将VP-As确立为与神经病理学相关的反应性表型，而非生理性亚型，为神经炎症和神经退行性疾病提供了潜在生物标志物和治疗靶点。

**关键技术方法**

研究使用了多种模型系统：人源模型包括hiPSC和hNSC来源星形胶质细胞纯培养及混合培养（含神经元）、含小胶质细胞的免疫活性脑类器官；小鼠模型包括胚胎干细胞（mESC）来源星形胶质细胞培养、CCI创伤性脑损伤模型（CD-1小鼠，11周龄）以及LPS诱导神经炎症模型（使用Aldh1l1^CreERt2::floxTdTomato转基因小鼠实现稀疏标记）。人类样本来源：死后脑组织来自Netherlands Brain Bank（AD、PD、MS患者前额叶皮质）、Biobanc-Hospital Clinic-IDIBAPS（PD患者基底节（BG）包括尾状核、壳核、苍白球（BG-CPP）和丘脑底核（BG-STN））以及Vilnius Regional Biomedical Research Ethics Committee批准的手术切除样本（癫痫和肿瘤患者）。老虎脑组织来自University of Padua。主要技术方法为免疫荧光（IF）染色结合共聚焦显微镜成像，通过GFAP、S100β等标记物鉴定VP-As，并定量其密度。NF-κB p65核转位实验用于验证急性炎症反应。

**研究结果**

**1. 曲张投射星形胶质细胞并非人科动物特有，而是存在于哺乳动物中**
研究人员通过免疫荧光（IF）染色在小鼠胚胎干细胞（mESC）来源星形胶质细胞中观察到具有典型曲张的GFAP⁺突起，并在老虎（Panthera tigris）死后前额叶皮质中检测到类似细胞，表明VP-As不限于灵长类，且在不同物种中呈个体特异性分布，支持其病理相关而非生理亚型的假说。

**2. 曲张投射星形胶质细胞在体外人类星形胶质细胞中由促炎细胞因子诱导**
将hiPSC来源星形胶质细胞暴露于IL-1β和TNF-α（单独或联合，100 ng/ml）后，5-7天时出现VP-As，联合处理组比对照组增加高达45倍（联合组3.20% vs 对照组0.07%）。NF-κB p65核转位实验证实细胞因子处理诱导了急性炎症反应。在hNSC来源星形胶质细胞中，联合处理7天后，GFAP⁺/GLAST⁺/CD49f⁺和GFAP⁺/SOX9⁺/Aldh1l1⁺ VP-As均显著增加，且所有VP-As均表达这些星形胶质细胞标记物，排除了其他细胞类型污染。

**3. 曲张投射星形胶质细胞在去除细胞因子后逆转**
在hiPSC来源星形胶质细胞中，联合细胞因子处理7天后出现VP-As，去除细胞因子继续培养7天后，VP-As密度显著下降（从2.34%降至0.29%），表明VP-As是持续神经炎症下的可逆现象。

**4. 曲张投射星形胶质细胞在脑类器官中由促炎刺激诱导**
在含小胶质细胞的4个月龄人皮质类器官中，LPS（10 ng/ml）处理24小时导致VP-As密度显著增加（LPS组60.66% vs 对照组13.39%），在三维复杂环境中验证了炎症诱导VP-As的形成。

**5. 曲张包含细胞外囊泡标记物和亚细胞器**
对hiPSC来源星形胶质细胞进行IF共定位分析发现，曲张内含有整合素β1（integrin β1）、CD9、CD63（细胞外囊泡标记物）、TOMM20（线粒体外膜蛋白）、Calnexin（内质网蛋白）和MPR（甘露糖-6-磷酸受体，高尔基体标记物），表明曲张可能参与细胞间通讯和应激反应。

**6. 曲张投射星形胶质细胞在小鼠星形胶质细胞中由促炎条件诱导，体内外均证实**
mESC来源星形胶质细胞经IL-1β、TNF-α或联合处理7天后，VP-As密度增加（联合处理组1.10% vs 对照组0.60%）。在CCI小鼠模型中，伤侧半球三个皮质区域VP-As密度均显著高于假手术组（如Area 1: TBI-ipsi 31.24% vs sham-ipsi 12.15%）。在Aldh1l1^CreERt2::floxTdTomato小鼠中，LPS腹腔注射后初级运动皮层VP-As密度显著增加（LPS组13.05% vs 对照组0%），证实了体内病理条件下VP-As的诱导。

**7. 曲张投射星形胶质细胞密度在神经退行性疾病和癫痫患者中增加**
在AD、PD和MS患者死后前额叶皮质中，VP-As密度分别比对照组增加2.6倍、2.3倍和3.7倍（AD: 27.79% vs 10.85%; PD: 24.62% vs 10.85%; MS: 40.69% vs 10.85%）。在PD患者基底节（BG-CPP和BG-STN）中，VP-As密度分别增加约2倍和3倍。在癫痫手术切除样本中，海马硬化相关癫痫和肿瘤相关癫痫患者的VP-As密度均显著高于对照组（约2倍增加）。

**8. 曲张投射星形胶质细胞随衰老积累**
比较中年手术样本（31-61岁）与老年死后对照（77-81岁）发现，老年脑VP-As密度显著升高（10.85% vs 0.69%），支持其与年龄相关病理负担的积累关联。

**总结与讨论**

本研究改变了关于曲张投射星形胶质细胞（VP-As）的传统认识，证实它们不仅存在于人科动物，也出现在小鼠和老虎中，并且与神经病理学和神经炎症密切相关。通过多种基于人类和小鼠的模型，研究提供了VP-As并非生理性星形胶质细胞亚型，而是在特定病理条件下诱导的反应性表型的证据。VP-As的曲张结构包含细胞外囊泡标记物和亚细胞器，提示其在细胞应激、通讯和代谢调控中的潜在作用。在AD、PD、MS、癫痫及衰老中VP-As密度的增加，将其确立为神经病理过程的潜在生物标志物。研究还发现VP-As的形成具有可逆性，为干预炎症以减轻其形成提供了治疗思路。未来研究需阐明调控VP-As形成的分子机制（如NF-κB和STAT3信号通路），探讨其是加剧神经元损伤还是发挥保护作用，以及在不同脑区异质性中的作用。本研究与近期强调星形胶质细胞反应异质性的研究一致，将VP-As定位为反应谱系中的一个独特节点，为神经炎症和神经退行性疾病的转化研究开辟了新途径。

**研究结论部分翻译**：本研究通过证实曲张投射星形胶质细胞在小鼠和老虎中的存在及其与神经病理学和神经炎症的关联，改变了我们对曲张投射星形胶质细胞的理解，挑战了曲张仅为某种星形胶质细胞亚型结构特征的传统观点。研究人员的发现表明，曲张投射星形胶质细胞并非生理性表型，而是在特定病理条件下诱导的反应性表型。