使用单细胞转录组学表征阿尔茨海默病中的早衰细胞衰老
阿尔茨海默病中早熟的细胞衰老特征研究：单核转录组学的应用
研究背景与目的
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，简称AD）是最常见的晚年痴呆症类型，其特征包括β-淀粉样蛋白（β-amyloid）的细胞外沉积和细胞内神经纤维缠结。其他病理特征包括小胶质细胞增多、星形胶质细胞增多、线粒体和溶酶体功能障碍及神经退行性变。衰老是AD的最大风险因素，并且与细胞衰老密切相关。细胞衰老（cellular senescence）指的是细胞分裂达到所谓的“海弗利克极限”后的不可逆细胞周期停滞状态。然而，在慢性应激（如氧化应激和线粒体功能障碍）下，增殖和非增殖细胞都可能表现出早熟的细胞衰老。细胞衰老常被用来描述通过分泌多种因子的细胞状态转换，称为衰老相关分泌表型（SASP）。
虽然之前已有证据表明AD患者中胶质细胞的早熟衰老现象，但它们的总负担、最受影响的细胞类型以及触发衰老的机制并未得到充分描述。因此，本研究由Imperial College London和多个国际研究机构合作，旨在全面描述阿尔茨海默病中早熟的细胞衰老特征，探索其机制并为未来的治疗方案提供依据。
研究来源与作者
此研究由Nurun N. Fancy、Amy M. Smith、Alessia Caramello等18位学者联合完成，主要作者来自Imperial College London的Brain Sciences Department、University of Auckland的Centre for Brain Research、University of Geneva的Department of Psychiatry等研究机构。本文发表在2024年的《Acta Neuropathologica》期刊上，接收日期为2024年1月4日，修订日期为2024年3月11日，接受日期为2024年3月28日。
研究方法与流程
研究流程概述
该研究使用了成像质谱细胞学（Imaging Mass Cytometry, IMC）和单核RNA测序（Single Nuclear RNA Sequencing, snRNA-seq）技术，对超过200,000个核进行分析，并从非病变对照组（NDC）和AD捐献者的中脑和皮层组织中获取数据。研究过程包括：样本处理、IMC与snRNA-seq数据收集、数据分析和验证。
样本处理
研究样本来自两组捐献者，一组包括10名非病变对照（NDC）（Braak分期0-II级），另一组包括10名AD患者（Braak分期V-VI级）。使用成像质谱细胞学对这些样本进行标记，特别是对β-半乳糖苷酶（GLB1）和DNA损伤修复蛋白p16INK4a（p16）的免疫染色标记。
数据收集与分析
通过成像质谱细胞学技术，研究发现与NDC相比，AD中GLB1阳性的小胶质细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞分别增加了4.1、4.6和4倍，p16阳性的小胶质细胞增加了1.6倍。随后，使用单核RNA测序技术，对中脑和皮层组织的七种主要脑细胞类型分别进行了详细的基因表达分析。
研究使用基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis, GSEA）和假时间轨迹分析（Pseudotime Trajectory Analysis）等方法，描绘了与DNA双链断裂（DSBs）、线粒体功能障碍和内质网（ER）压力相关的早熟衰老特征，并验证了通过独立的AD snRNA-seq数据集观察到的现象。
主要结果
细胞衰老标志物的表达增加
成像质谱细胞学结果显示，在AD中，与NDC相比，GLB1和p16 Marker在小胶质细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞中的表达显著增加。同时观察到，AD中的小胶质细胞吞噬途径下调，表明其清除β-淀粉样蛋白的能力降低。
早熟衰老与β-淀粉样蛋白的关联
为了进一步理解β-淀粉样蛋白负担与细胞衰老之间的关系，研究发现，在AD捐献者的大脑组织中，对于靠近β-淀粉样斑块的小胶质细胞，超过25%的细胞同时表达GLB1和p16，而对于远离斑块的小胶质细胞，仅3%显示出这些标记。
单核RNA序列分析的结果
单核RNA测序数据揭示，小胶质细胞在AD中展现出显著的早熟衰老相关基因表达，如ATM、RB1、NFATC2和GLB1等基因。特别是AD中的小胶质细胞显示出蛋白质合成、代谢调控和内质网应激等路径的上调。这些数据表明AD中的小胶质细胞早熟衰老可能是一个突出的现象。
结论与意义
研究结果表明，在阿尔茨海默病中，早熟衰老的小胶质细胞负担较高，并且与病情进展密切相关。AD中的小胶质细胞不仅表现出了显著的早熟衰老标志物，还展示了与β-淀粉样蛋白负担相关的基因表达特征。这为未来的研究提供了新的视角，即小胶质细胞可能是AD中首要的治疗靶点，特别是通过去除衰老的细胞后，可能有助于减少病理负担和认知障碍。
这些发现还支持了早熟衰老可能在AD的进展中起到关键作用，这为设计基于去除衰老细胞的治疗策略提供了科学依据。
研究亮点
- 重要发现：研究揭示了AD患者大脑中早熟细胞衰老负担显著增加，特别是小胶质细胞。
- 衰老标志物：通过成像质谱细胞学和单核RNA测序，详细分析了细胞衰老标志物的表达差异。
- 机制构建：研究详尽描绘了与DNA双链断裂、线粒体功能障碍和内质网压力相关的早熟衰老机制。
- 潜在治疗靶点：研究数据支持小胶质细胞作为治疗阿尔茨海默病的主要靶点，为未来的治疗方案设计提供了重要依据。
其他有价值的信息
本研究不仅验证了先前的独立数据集的结果，还指出了进一步研究的方向，如如何更具体地定义驱动病理的特定基因表达。特别是在基於β-淀粉样蛋白相关的压力对小胶质细胞的影响，以及如何设计影响其衰老途径的治疗策略。