Nat Neurosci｜空间蛋白组解密阿尔兹海默症的脑组织微环境，发现特异性的人类斑块相关小胶质细胞亚型

阿尔茨海默病AD的进展被认为与疾病相关小胶质细胞DAM有关但受限于技术我们一直难以在人体组织中精准刻画它们的特征以及它们与周围病理环境如Aβ斑块的真实互动。近期《Nature Neuroscience》上发表了一篇题为“Spatial proteomic analysis in human Alzheimer’s disease brains enables identification of microenvironment-dependent microglial cell states”的研究论文。研究团队优化了CODEXPCF空间单细胞蛋白组现已升级为Phenocycler-Fusion流程开发了一种专门针对人脑组织的检测和分析流程CODEX-CNS并以此绘制了AD大脑中小胶质细胞Microglia的高分辨率图谱最终鉴定出一种与淀粉样蛋白斑块紧密相关的特殊小胶质细胞状态。CODEX-CNS的技术创新体现在两个方面1去自发荧光Autofluorescence reduction脑组织尤其是老年痴呆样本充满了脂褐素等会发荧光杂质。研究团队加入了“过氧化氢广谱 LED 光照”的预处理步骤大幅提高了信噪比。2AI 驱动的细胞分割Cell Segmentation神经细胞有着复杂的分支如神经元和小胶质细胞的突起传统的细胞核分割算法很难实现精准分割。研究团队引入了基于深度学习的 ariadne.ai的商业化 SPATIAL平台成功实现了对复杂细胞胞体和突起的分割。研究团队设计了一个包含32 种抗体的检测Panel涵盖了神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞、血管以及 AD 核心病理Aβ。研究分析了8名AD患者和8名健康对照者额叶皮质FFPE样本结果证明CODEXPCF空间单细胞蛋白组技术能在同一张人脑切片上完美区分灰质GM、白质WM甚至软脑膜结构展现了极高的分辨率。研究发现了在健康人的灰质中小胶质细胞最喜欢和星形胶质细胞待在一起或者贴附在血管上而神经元周围则环绕着少突胶质细胞。但在AD患者的灰质中小胶质细胞与小胶质细胞之间的接触显著增加。它们受到了Aβ斑块的吸引发生了趋化性迁移。研究揭示了在致密的Aβ 斑块周围聚集了大量表达GFAP 和 Vimentin 的反应性星形胶质细胞以及表达 IBA1 和 CD163 的小胶质细胞/巨噬细胞。在斑块附近正常的突触小泡蛋白PSD95, synaptophysin斑点状染色消失了取而代之的是异常的轴突球状体spheroid accumulations。这直接可视化了AD中突触丢失的病理过程。并且与星形胶质细胞发生接触的神经元其 DNA 损伤标志物γH2A.X水平更高。这说明星形胶质细胞正在与受损/濒临死亡的神经元进行密切的交流。小胶质细胞是中枢神经系统的免疫细胞其形态直接反映了其功能状态静息态呈高度分支状激活态呈阿米巴圆润状。作者计算了 63,873 个人类小胶质细胞的12种形态学特征。结果将小胶质细胞分为了三种基础形态圆润型 (Rounded)、中间型 (Intermediate)和高度分支型 (Ramified)。圆润型无分支高表达CD14和CD163多见于血管附近具有浸润/迁移特性。中间型 (Intermediate)具有少量粗短突起。高度分支型的 突起多且长高表达小胶质细胞特异性标志物TMEM119主要行使免疫监视功能。高度分支型又被细分为Ramified 1, 2, 3 三个亚型。在白质WM中主要是 Intermediate 亚型。而在灰质GM中 Ramified 2和3占主导。基于小胶质细胞形态的邻域分析揭示了Ramified 3在健康大脑中主要与神经元标志物MAP2, NeuN邻近。但在AD大脑的灰质中Ramified 3 的周围出现了大量的 Aβ 和 ApoE。这意味着这种原本负责稳态的大型分支小胶质细胞在 AD 病理微环境中被“招募”到了斑块旁边随时准备转变为吞噬状态。抛开形态研究直接根据11种髓系细胞标志蛋白如 IBA1, TMEM119, CD163, CD68, CD11b 等的表达高低对所有IBA细胞进行了无监督聚类Leiden clustering最终划分出了 5 个截然不同的蛋白表型亚群单核细胞monocytes (MO)、血管周巨噬细胞perivascular macrophages (PVMs)、边界相关小胶质细胞BAM-like microglia (BLM)、microglia 1 (MG1)和microglia 2 (MG2)。基于Aβ荧光信号特征研究将Aβ分为了致密型和弥漫型。对所有IBA1⁺髓系细胞计算其胞体中心到最近Aβ斑块的距离。结果发现了形态层面的5个亚群与致密/弥漫型Aβ斑块的邻近比例无显著差异提示单纯形态不足以区分斑块相关小胶质。蛋白层面的5个亚群中BLM亚群是唯一与致密Aβ斑块强关联的亚群且比例随距离增加显著下降但是弥漫型Aβ斑块附近仅~20%为BLM且比例不随距离变化。拟时序分析揭示了BLM处于PVM向小胶质的过渡态。邻域分析揭示了BLM周围血管蛋白的表达显著高于MG1、MG2等其他小胶质亚群。距离分析证实了BLM是所有脑实质髓系亚群中距离血管最近的。研究者推测BLM并非脑内固有小胶质转化而是PVM浸润脑实质后获得小胶质特征。最后研究者利用空间邻域特征进行聚类分析发现了一类与Aβ紧密相关的髓系细胞亚群被命名为人类斑块相关小胶质细胞Human Plaque-Associated Microglia, HPAM。HPAM同时高表达吞噬与免疫激活相关标志物CD68、CD11c、HLA-DR以及巨噬细胞/边界相关标志物CD163而稳态小胶质细胞标志物TMEM119表达显著降低。相较于其他小胶质细胞HPAM的体积最大且细胞突起变得最为粗壮呈现出典型的活化/吞噬形态。HPAM几乎紧紧环绕着致密的Aβ淀粉样蛋白斑块并且与反应性星形胶质细胞GFAP高表达紧密相邻。在疾病对照分析中HPAM在阿尔茨海默病患者的大脑样本中呈现特异性高度富集而在健康老年对照组的大脑中则极为罕见。这些结果说明了HPAM的聚集是AD病理微环境的一个核心标志性事件。总结与讨论这项研究利用CODEX(PCF)空间单细胞蛋白组为神经科学提供了适用于人脑FFPE样本的高通量空间单细胞蛋白组分析工具可同时解析细胞身份、形态、互作与微环境。首次在人类AD脑中鉴定出HPAM这一疾病富集的小胶质亚群明确了其与致密Aβ斑块的强空间关联为AD免疫机制研究提供了新靶点。HPAM高表达吞噬与抗原呈递相关分子可能在Aβ清除或神经炎症中发挥关键作用为AD免疫治疗提供了细胞层面的解释依据。| 参考文献Sanchez-Molina, P., Rosmus, DD., Brownell, D. et al.Spatial proteomic analysis in human Alzheimer’s disease brains enables identification of microenvironment-dependent microglial cell states.Nat Neurosci (2026). https://doi.org/10.1038/s41593-026-02267-3