单细胞重分析可识别Osmr+星形胶质细胞的状态，并预测创伤性脑损伤后24小时内向Cox6b1+谷氨酸能神经元传递的中激酶信号

《Brain Research》：Single-cell reanalysis characterizes an Osmr+ astrocyte state and predicts midkine signaling to Cox6b1+ glutamatergic neurons at 24?h after traumatic brain injury

　　

摘要

背景

创伤性脑损伤仍是全球范围内导致死亡和长期神经功能障碍的主要原因。受伤大脑中的细胞异质性及细胞间通讯机制至今尚未完全明确，尤其是可能为干预措施提供依据的星形胶质细胞与神经元的相互作用。

方法

我们重新分析了公开的单细胞RNA测序数据集GSE290150，该数据集包含60,962个高质量细胞，这些细胞来自脑损伤或假手术后24小时的小鼠同侧大脑皮层。通过整合生物信息学分析方法，包括无监督聚类、基因集活性评分、伪时间推断、使用SCENIC进行的转录调控网络分析，以及使用CellChat进行的细胞间通讯推断，来描述脑损伤后的早期细胞状态。

结果

我们发现了五种星形胶质细胞亚群。对所有细胞的分析显示，脑损伤组中C3 Osmr⁺ 星形胶质细胞的相对比例高于假手术组。这类亚群表现出高度活跃的转录状态，同时具有保护作用相关特征和神经毒性相关特征，其氧化磷酸化及谷氨酸代谢相关的活性评分也相对较高，且Tfe3调控子组的活性也有所上升。在十种神经元亚群中，C0 Cox6b1⁺ 谷氨酸能神经元表现出与氧化磷酸化和有氧呼吸相关的特征。CellChat分析表明Mdk–Ncl可能是C3 Osmr⁺ 星形胶质细胞与C0 Cox6b1⁺ 神经元之间通讯的候选分子通路，这提示脑损伤后可能存在星形胶质细胞与神经元之间的通讯模式。

结论

本研究发现了与脑损伤相关的C3 Osmr⁺ 星形胶质细胞亚群，这类细胞具有最高的整体反应特征，同时还具备保护作用相关、神经毒性相关以及代谢相关的基因表达特征。同时，C0 Cox6b1⁺ 谷氨酸能神经元被认为是星形胶质细胞产生的MK信号的作用靶细胞。Tfe3也被认为是与C3 Osmr⁺ 星形胶质细胞状态相关的候选转录调控因子。这些发现为进一步研究脑损伤后星形胶质细胞与神经元之间的通讯提供了重要依据。

引言

创伤性脑损伤是全球性的重大健康问题，也是导致创伤相关死亡和长期神经功能障碍的主要原因。其高发率以及神经退行性疾病、癫痫等持续性后遗症给患者、医疗系统和社会带来了沉重负担（Wu等人，2025；Yao等人，2025；Zheng等人，2022）。脑损伤的病理过程包括由机械力引发的初级损伤，以及在数小时内出现并可能持续较长时间的二级损伤反应。初级损伤可导致脑挫伤、血管破裂、急性神经元死亡、缺血和缺氧（Jamjoom等人，2021），而二级损伤则涉及线粒体功能紊乱、神经炎症异常、兴奋性毒性以及其他相互关联的机制，这些都会进一步导致细胞功能衰退和神经功能受损（Chi等人，2025；Qiu等人，2025）。

脑损伤发生后，星形胶质细胞会迅速发生反应，并表现出显著的分子和功能多样性（Kwon等人，2025）。传统上，人们使用A1/A2分类体系对反应性星形胶质细胞进行分类，其中A1型与A2型分别对应有害功能和保护功能（Ding等人，2021）。然而，越来越多的证据表明，这种二元分类方式只能涵盖部分反应状态（Santiago-Balmaseda等人，2024）。单细胞和单核RNA测序研究进一步表明，星形胶质细胞实际上包含多种在分子和功能上存在差异的亚群（Hennes等人，2025）。例如，在败血症模型中发现的某类星形胶质细胞同时表达了A1型和A2型相关的基因特征（Liu等人，2025）。Zhou等人则在小鼠新皮层中发现了五种具有不同分子特征和功能的星形胶质细胞亚群（Zhou等人，2025）。因此，反应性星形胶质细胞应被视为具有多样性的、可能处于过渡状态的细胞群体，而非固定不变的神经毒性或神经保护型细胞。

神经元是脑损伤的主要作用目标，其存活能力的保持及其功能正常与否与神经功能的恢复密切相关。神经元的生理功能在很大程度上依赖于线粒体的能量供应。脑损伤后会由于线粒体动态改变、氧化磷酸化功能受损、钙离子平衡失调、活性氧生成过多以及ATP生成减少等因素，导致神经元能量供应不足（Debnath等人，2025；Xu等人，2025；Zhang等人，2024；Sridharan等人，2024）。这些变化不仅会影响神经元的能量代谢，还可能导致线粒体DNA损伤。神经炎症和活性氧的产生又会进一步相互加剧，从而加重氧化应激反应（Fu等人，2025）。此外，脑损伤还可能通过影响谷氨酸能系统和γ-氨基丁酸能系统的功能，打破神经系统的兴奋与抑制平衡，进而导致神经网络不稳定，引发运动和认知功能障碍（Witkin等人，2024）。与这种复杂性相对应，单细胞研究也发现脑损伤后神经元存在显著异质性，谷氨酸能神经元和GABA能神经元会对损伤产生不同的转录反应（Alkaslasi等人，2025；Shi等人，2022）。

批量RNA测序方法会将不同类型细胞的信号平均处理，因此无法区分不同细胞类型或亚群的特殊反应。尽管单细胞转录组学研究已经开始用于解析脑损伤后的细胞特征（Zhao等人，2025；Zhao等人，2025；Nie等人，2026；Cheng等人，2024），但特定星形胶质细胞和神经元亚群的分子状态，尤其是在损伤早期的代谢和调控特征，仍不完全清楚。此外，目前也不清楚特定的反应性星形胶质细胞状态是否会通过特定的信号通路与某些神经元亚群进行交流。GSE290150数据集最初是为了研究脑损伤后应用低温疗法的效果而建立的（Kerr等人，2025）。在此，我们重新分析了正常温度下的假手术组和脑损伤组样本，旨在研究损伤后24小时同侧大脑皮层的早期细胞反应。我们分析了星形胶质细胞和神经元的多样性，研究了它们的代谢特征、转录调控程序以及潜在的细胞间通讯机制。通过分析，我们发现了具有不同转录特征的Osmr⁺ 星形胶质细胞亚群和Cox6b1⁺ 谷氨酸能神经元亚群。我们还研究了Tfe3调控子组，并发现Mdk–Ncl可能是星形胶质细胞与神经元之间通讯的候选分子通路，这些发现为脑损伤后星形胶质细胞与神经元之间的相互作用提供了可验证的假设。

章节节选

单细胞RNA测序数据的获取与预处理

原始的单细胞RNA测序数据来自Gene Expression Omnibus（GEO）数据库，具体访问地址为https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/，数据集的编号为GSE290150。该数据集包含了6个正常温度条件下的样本，其中3个为假手术组样本，3个为脑损伤组样本。我们使用Cell Ranger工具对原始的测序读段进行处理，从而生成基因-条形码计数矩阵。随后将这些计数矩阵导入R软件（版本4.4.3），并使用Seurat包（版本4.3.0）对数据进行进一步分析。

在初始分析阶段

脑损伤后同侧大脑皮层的细胞组成及转录特征

通过对Kerr等人（2025）发布的GSE290150单细胞RNA测序数据集进行重新分析，我们从假手术或脑损伤后24小时采集的同侧大脑皮层样本中获得了60,962个细胞。根据典型的标记基因，我们共识别出了13种主要的细胞类型，包括小胶质细胞、星形胶质细胞、血管内皮细胞、周细胞、少突胶质细胞、神经元、神经干细胞/前体细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、脉络丛上皮细胞、上皮细胞以及血管平滑肌细胞。

讨论

传统的A1/A2分类体系将反应性星形胶质细胞简单地归为具有神经毒性或神经保护作用的细胞，但这一分类方式无法全面体现脑损伤后星形胶质细胞反应在空间、时间和功能上的多样性。越来越多的研究都指出了这种二分法存在的局限性，因此人们开始主张摒弃“有益/有害”以及“神经毒性/神经保护作用”这类过于僵化的分类方式，转而采用更为多元的综合评估方法。

结论

在本研究中，我们在单细胞分辨率下分析了脑损伤后24小时小鼠大脑皮层的细胞组成、功能特征以及潜在的细胞间通讯模式。我们发现了与脑损伤相关的C3 Osmr⁺ 星形胶质细胞亚群，这类细胞同时具有保护作用相关、神经毒性相关以及代谢相关的转录特征，同时我们还将Tfe3调控子组视为与这种星形胶质细胞状态相关的候选调控因子。C0 Cox6b1⁺ 谷氨酸能神经元

CRediT作者贡献说明

Fu Zhao：负责撰写论文初稿、数据可视化、结果验证、软件使用、方法设计、实验开展、正式数据分析、数据整理以及概念构思工作。Luxi Cao：负责撰写论文初稿、正式数据分析、数据整理以及概念构思工作。Jianan Chen：负责撰写论文初稿、数据可视化以及概念构思工作。Guanglei Li：负责数据整理工作。Yu Guo：负责论文的审阅与编辑、项目监督以及项目管理工作。Yimin Zhang：负责论文的审阅与编辑、项目监督、资源协调以及项目整体管理相关工作。

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号为82205249和82174483）、广东省自然科学基金（项目编号为2024A1515012169）、广州科技青年博士“启航”计划（项目编号为2025A04J4040）、国家中医药管理局的创新团队与人才培育项目（项目编号为ZYYCXTD-C-202004），以及2025年度临床应用基础研究项目。

Fu Zhao|Luxi Cao|Jianan Chen|Guanglei Li|Yu Guo|Yimin Zhang|Shujun Lin

济南大学中医学院，中国广州510632