人類腦血管系統是具有關鍵作用的組成系統，血管系統的功能障礙會導致中風、先天性神經系統疾病以及神經退行性疾病甚至會造成死亡，但另一方面大腦中的血管系統所形成的血腦屏障(Blood-Brain Barrier，BBB)這一結構成為了幾乎所有腦內疾病治療的“魔障”。血腦屏障介導了血液與大腦之間分子的選擇性以及血流動力學反應，對神經功能的正常進行是必要的，于此同時導致治療大腦疾病藥物也很難通過。因此，如果能夠對大腦中的血管系統進行深入理解，將有助于解決藥物開發中的這一“魔障”。
2022年2月14日，美國加州大學舊金山分校Tony Wyss-Coray研究組與Andrew C. Yang(第一作者)合作發文題為A human brain vascular atlas reveals diverse mediators of Alzheimer’s risk，通過構建血管分離與細胞核提取的單細胞測序技術VINE-seq，對人類大腦主要血管以及血管周圍的細胞類型進行刻畫，并通過對比無認知障礙患者與阿爾茲海默癥患者的海馬區和大腦皮層樣本，揭示出老年癡呆癥發生介導因子，有助于對大腦健康、疾病治療等方面的理解。
為了對人腦血管系統進行刻畫，首先需要從微血管中提取細胞核，但是該過程需要分離血管基底膜釋放細胞核，但又不能損傷細胞核本身。通過系統性探索酶、化學以及物理方法，作者們最終決定采用一種溫和細胞分離方法，通過使用蔗糖以及熒光激活分選的方式確保對細胞核的提取，從而確定能夠獲得高質量的測序數據(圖1)。作者們利用建立的VINE-seq工作流程，一共處理了25個腦區樣本，涵括了老年癡呆癥患者以及健康對照組的海馬區以及大腦皮層結構。通過質量控制處理流程，作者們共獲得了143,793個單核轉錄組數據，通過對基因表達的特征進行聚類分析，共鑒定發現了15種細胞類型，主要包括內皮細胞、星形膠質細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞、T細胞以及血管周圍和腦膜成纖維細胞等(圖1)。關于免疫細胞方面，VINE-seq捕獲了人類大腦中的三種免疫細胞:小膠質細胞、巨噬細胞和T細胞。該單細胞核測序方法為人類大腦血管系統的分子研究以及不同細胞類型的探索提供了新的方法與數據資源。
血管分離與細胞核提取的單細胞測序技術VINE-seq與腦血管系統細胞圖譜
通過這一大規模測序結果，作者們試圖對人腦中血管動靜脈軸的的內皮細胞以及壁細胞組織的分子基礎進行揭示。該圖譜揭示出7個特異性表達基因逐漸改變的模式，分別代表動脈、毛細血管以及靜脈標記物，以及它們之間的不同組合，由此建立起一個逐漸分區的連續體。而關于壁細胞，作者們將所獲取的細胞核聚類分析后可以集成為動脈平滑肌細胞、小動脈平滑肌細胞，一個用于富集小分子的跨膜運輸，另一個富含細胞外基質組織。因此，細胞功能而非解剖學的位置決定了人類腦血管系統中細胞的轉錄特征。
在老年癡呆癥中，存在一種被稱為血管細胞類型干擾型老年癡呆癥，伴有認知功能損害，損傷原因主要是細胞組成以及基因表達的復雜擾動。為此，作者們試圖利用該單細胞圖譜對老年癡呆癥患者腦內血管系統的變化進行描述。作者們發現與無認知障礙對照組相比，老年癡呆癥患者的海馬區以及大腦皮層中的內皮細胞、平滑肌細胞、周細胞、成纖維細胞樣細胞中有大量的腦血管核丟失，而且該細胞丟失的表型在動靜脈軸中廣泛存在。另外，老年癡呆癥患者腦內血管系統的周細胞中細胞外基質組織出現明顯的脆弱性。因此，在老年癡呆癥患者腦內血管系統中多種細胞表現出強烈的基因表達抑制。
進一步擴大腦細胞類型的研究，作者們引入了全基因組關聯分析，與阿爾茨海默病相關的45個基因中，有30個基因在人腦血管中有表達，作者們通過免疫染色也證實了這一點。血管全基因組的關聯分析發現這些基因定位于內皮蛋白轉運、適應性免疫和細胞外基質等多種信號通路。
總的來說，該工作首次建立起了人腦的血管系統單細胞圖譜，揭示了大腦脈管系統組織的分子生物學基礎，通過對老年癡呆癥患者腦血管系統的分析，發現了其中關鍵的細胞類型變化與基因表達擾動，將有助于對多種大腦疾病進行理解以及進一步助力藥物開發。
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