活体人脑多组学分析揭示神经炎症为术后谵妄的分子机制

《Molecular Psychiatry》：Neuroinflammation as molecular landscape of post-operative delirium revealed by live human brain multi-omics profiling

　　

术后谵妄（POD）是手术特别是老年人中的一种严重并发症，其特征为意识和认知的急性障碍，并与死亡率增加和长期认知障碍相关。尽管具有临床相关性，但其潜在病理生理学机制仍知之甚少。为了解决这一问题，研究人员对接受神经外科手术的患者活体脑组织进行了多组学分析。单核RNA测序（snRNA-seq）揭示了神经胶质细胞，特别是小胶质细胞中POD特异性的转录改变，其特征为神经炎症信号增强。星形胶质细胞在突触和迁移途径也表现出变化。上游分析表明外部细胞因子是胶质细胞反应的潜在驱动因素，而下游分析将POD与脑炎和痴呆联系起来。DNA甲基化分析发现了与免疫相关的表观遗传改变，表明其在POD相关神经炎症中具有调节作用。整体甲基化和细胞类型特异性转录组数据的整合表明，表观遗传变化可能影响POD发病机制中的基因表达。这些发现基于首次使用患者脑组织进行的多组学分析，提供了神经炎症和胶质细胞参与作为POD病理生理机制的令人信服的证据。

谵妄是一种以注意力和认知急性障碍为特征的严重神经精神疾病。术后谵妄（POD）在老年手术患者中尤为常见，与死亡率增加、住院时间延长及长期认知衰退相关。尽管POD具有显著的临床意义，但其病理生理机制仍不清楚。既往研究主要集中在外周血液或死后脑组织，由于活体脑组织获取困难，限制了对POD发病初期大脑特异性分子变化的直接探索。为阐明POD的细胞和分子机制并寻找有效治疗靶点，研究人员开展了本项研究。该研究首次将单核RNA测序（snRNA-seq，一种在单细胞分辨率下分析转录组的技术）与全基因组DNA甲基化分析相结合，对来自POD患者活体脑组织进行多组学分析。研究揭示了POD特异性的转录组和表观遗传改变，发现神经炎症及胶质细胞的激活在POD病理机制中发挥核心作用，并指出小胶质细胞和星形胶质细胞可能是潜在治疗靶点。该研究发表于《Molecular Psychiatry》。

在技术方法与样本队列方面，研究人员选取了来自爱荷华大学医院和诊所（University of Iowa Hospitals and Clinics）的18例接受脑切除术的难治性癫痫患者脑组织样本队列，其中9例为POD组，9例为非POD组。主要关键技术包括：利用snRNA-seq技术对冷冻脑组织进行细胞类型特异性的转录组图谱分析；使用全基因组DNA甲基化芯片进行表观遗传分析；以及通过整合甲基化与转录组数据，进行基因本体（GO）、上游调控因子及下游通路富集分析。

研究结果部分总结如下：

**受试者特征**
通过分析18例患者的脑组织，发现POD组与非POD组在基线特征及大部分癫痫和手术特征上无显著统计学差异，但POD组术后状况更差。

**snRNA-seq分析**
对18例受试者脑组织进行snRNA-seq分析，质控后保留95,017个细胞核，分为7种主要细胞类型。 Exploratory分析显示大脑区域异质性对细胞类型比例影响有限，且各样本均包含所有细胞类型。

**小胶质细胞转录图谱揭示POD组神经炎症上调**
鉴定出12,859个小胶质细胞核及332个差异表达基因（DEGs）。通路分析显示，POD组中“神经炎症信号通路”和“干扰素α/β信号”被激活，而“IL-10信号”等抗炎通路被抑制。亚群分析发现，炎症性疾病相关小胶质细胞（Inf-DAM，一种在神经炎症中激活的小胶质细胞亚型）表现出强烈的神经炎症激活；稳态小胶质细胞也表现出炎症倾向。这表明POD中的神经炎症激活广泛存在，但由特定小胶质细胞亚群驱动。

**POD特异性转录图谱改变发生于星形胶质细胞**
在16,080个星形胶质细胞核中发现1,271个DEGs，主要与突触信号传导相关。亚群分析表明，稳态星形胶质细胞的DEGs在突触和神经递质通路富集；激活的星形胶质细胞的DEGs在迁移和RHO GTP酶信号通路富集，提示其可能参与了兴奋-抑制失衡和胶质增生。

**少突胶质前体细胞（OPC）和少突胶质细胞在POD中转录图谱改变轻微**
OPC的DEGs富集于突触传递通路，而少突胶质细胞的DEGs未显示显著通路富集，提示其在POD中转录改变有限。

**包括细胞因子在内的外源信号影响POD发病中的胶质细胞反应**
下游分析显示，小胶质细胞与脑炎和认知障碍相关，星形胶质细胞与胶质瘤和认知障碍相关；两者在转录特征上与痴呆病理存在重叠。上游分析预测了53个富集于小胶质细胞的调控因子，其中含有11种被激活的细胞因子（如IL1B），提示胶质细胞对源自血液或受损组织的外部细胞因子产生反应。CSF1和TGF-β1被预测影响星形胶质细胞和小胶质细胞的病理激活。

**兴奋性和抑制性神经元的转录图谱**
在兴奋性神经元中发现GABA能信号上调和谷氨酸能信号下调，提示兴奋性神经元活动降低。源自内侧神经节隆起（MGE）的抑制性神经元也表现出类似趋势，表明POD早期存在神经元活动失调，并伴有痴呆相关转录特征。

**POD的DNA甲基化图谱中观察到炎症状态**
全基因组DNA甲基化分析鉴定出3,774个差异甲基化CpG位点（DMCs）。高度甲基化且发生去甲基化的DMCs富集于免疫/炎症相关通路，如“适应性免疫反应”和NF-κB信号通路。整合分析显示，DMCs与DEGs在细胞类型间存在重叠，其中小胶质细胞重叠最大。基因HLA-DPB1的甲基化水平与基因表达呈正相关，提示免疫相关基因的表观遗传调控参与POD。

**结果严重程度与转录组/DNA甲基化图谱的关系**
基于术后临床结局将POD患者分为轻度和重度亚组。重度组在胶质细胞中表现出更明显的转录组改变，且DNA甲基化变化幅度更大，提示POD相关CpG位点的甲基化改变幅度可能与临床预后相关。

在讨论部分，研究人员总结了该研究的核心结论与意义：本研究首次在活体人脑组织中整合了snRNA-seq与DNA甲基化分析，提供了POD早期神经炎症和胶质细胞参与的直接转录组与表观遗传证据。小胶质细胞的强烈炎症激活及星形胶质细胞在突触和迁移通路的改变，共同促成了POD的发病机制。这些胶质反应可能受到来自外部的细胞因子信号驱动，且在转录特征上与脑炎和痴呆存在共享，印证了POD与长期认知衰退的临床联系。同时，神经元活动的降低支持了脑电活动减慢作为POD早期预测生物标志物的潜力。表观遗传层面，免疫相关基因高甲基化区域的去甲基化揭示了DNA甲基化对神经炎症的调控作用。尽管样本量有限且存在脑区异质性，该研究仍为POD的病理生理学提供了分子层面的深刻见解，并提出靶向小胶质细胞和星形胶质细胞以及调控PPARα等通路有望成为缓解POD风险、改善患者预后的新型治疗策略。