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江苏省卒中学会

Genome Med︱南京大学徐运课题组揭示缺血性卒中相关小胶质细胞亚群

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撰文︱李慧雅，刘品一

责编︱王思珍

缺血性卒中的高致残率和高致死率与神经元损伤程度密切相关。缺血性卒中后，缺血核心区的神经元由于持续缺血或再灌注损伤而逐渐死亡，形成梗死灶。而缺血核心周围的组织——缺血半暗带，尚未出现明显的神经元死亡，若血流及时恢复仍可以挽救。但在某些情况下，半暗带会向梗死灶转化，而小胶质细胞介导的免疫炎症反应在此过程中发挥关键作用[1, 2]。

作为大脑的固有免疫细胞，小胶质细胞帮助维持大脑正常的生理和免疫稳态[3]。脑缺血后，小胶质细胞迅速做出反应，在转录、代谢和功能状态等多方面都发生改变，以响应局部微环境刺激。然而，卒中后小胶质细胞的异质性及其相关机制目前尚不清楚。既往研究通常将外周巨噬细胞的M1/M2极化也应用于小胶质细胞的分型[4, 5]，但这种分类方法基于不同的体外刺激条件，也过于简单笼统[6, 7]。对小胶质细胞复杂表型的探究应当在不同疾病模型下通过体内蛋白组学或转录组学等方法来分析确定。因此，为解决这一问题，本研究旨在联合单细胞和空间转录组学，探究与缺血性卒中特异性相关小胶质细胞亚群的基因表达、空间定位、代谢特点、功能及诱导因素等多方面特征。

近日，南京大学医学院附属鼓楼医院徐运教授团队在Genome Medicine上发表了题为“Acute ischemia induces spatially and transcriptionally distinct microglial subclusters”的研究论文，首次发现并定义了两个缺血性卒中相关小胶质细胞亚群。李慧雅博士、刘品一博士和张冰教授为论文共同第一作者，徐运教授为论文通讯作者。在此项研究中，作者发现，缺血性卒中急性期，主要存在两个卒中相关的小胶质细胞亚群。这两个亚群具有不同的基因表达谱和空间分布特点。其中一个亚群位于缺血核心，由损伤相关分子模式（damage associated molecular pattern，DAMP）诱导，糖酵解供能，具有强促炎和趋化功能，而BACH1是诱导其形成的关键转录因子。脑缺血后半暗带升高的糖皮质激素可能触发另一亚群形成，该亚群由三羧酸循环和氧化磷酸化供能，具有炎症缓解相关代谢特征和神经保护作用。（拓展阅读：徐运课题组研究进展，详见“逻辑神经科学”报道：本文末【特别专栏】）

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本研究采用大脑中动脉阻塞模型（middle cerebral artery occlusion，MCAO），并于造模后3小时、12小时和3天分别取MCAO小鼠的缺血半球进行单细胞转录组测序，最终确定了脑缺血后急性期小鼠脑15种主要的细胞类型（图1）。对小胶质细胞进行亚群分析，发现其主要分为4个亚群，而与脑缺血相关的亚群主要为Cluster 1和Cluster 3（图1）。差异基因表达分析和RNAscope等实验进一步明确了不同小胶质细胞亚群特异性标记基因（图1）。此外，为探究这两个缺血性卒中相关小胶质细胞亚群的空间分布特征，研究者对MCAO后相同时间点的小鼠脑组织切片进行空间转录组测序。结果表明，缺血性卒中后急性期，小胶质细胞Cluster 1主要位于缺血半暗带，而Cluster 3则主要集中在缺血核心区（图1）。根据这一特点，课题组将Cluster 3定义为缺血核心相关小胶质细胞（ischemic core-associated microglia，ICAM），Cluster 1定义为缺血半暗带相关小胶质细胞（ischemic penumbra-associated microglia，IPAM）。以上结果提示脑缺血主要诱导两个缺血性卒中相关的小胶质细胞亚群。

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图1 脑缺血诱导两个缺血性卒中相关小胶质细胞亚群

为探究ICAM和IPAM不同的功能特征，研究者使用GSVA分析，发现ICAM显著富集糖酵解信号通路，而IPAM显著富集三羧酸循环和氧化磷酸化通路。此外，代谢重编程所依赖的HIF-1α通路在ICAM中也显著高表达，提示这两个小胶质细胞亚群具有完全不同的能量代谢方式（图2）。GSVA分析、AddModuleScore和空间转录组学等进一步表明ICAM具有强促炎特性，并可招募外周免疫细胞浸润中枢，在脑缺血急性期加重组织损伤。而CellphoneDB分析、GSVA分析和AddModuleScore等分析提示IPAM富集炎症缓解性相关代谢特征并可能发挥神经保护和髓鞘保护作用（图2）。

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图2 两个缺血性卒中相关小胶质细胞亚群具有不同的代谢及功能特征

为探究诱导不同小胶质细胞亚群产生的外源性微环境因素，研究者使用IPA分析及免疫荧光染色、RT-qPCR等实验验证，发现DAMP是促进ICAM产生的最强因素（图3）。并且除外在微环境因素外，课题组进一步寻找驱动不同亚群产生的内源性转录因子。通过SCENIC分析和shRNA敲减等验证实验，BACH1被证明是调控ICAM产生及其促炎功能的关键转录因子之一（图3）。

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图3 DAMP和关键转录因子诱导ICAM产生

同时，研究者使用IPA分析、靶向代谢组学等进一步明确脑缺血后半暗带处升高的糖皮质激素是诱导IPAM形成的关键微环境因素（图4）。研究人员对MCAO小鼠于造模后复灌时、1天和2天分别腹腔注射皮质酮或糖皮质激素受体抑制剂（RU486），并通过mNSS评分、行为学检测、梗死体积测量及TUNEL染色等进一步验证了糖皮质激素诱导形成的IPAM可能在脑缺血后急性期发挥神经保护作用（图4）。

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图4 糖皮质激素诱导IPAM形成

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，本研究（1）首次发现并定义了两个缺血性卒中相关的小胶质细胞亚群-ICAM和IPAM，这两个亚群具有不同的基因表达谱和空间分布特点；（2）ICAM位于缺血核心，由DAMP诱导，糖酵解供能，具有强促炎和趋化功能，并且BACH1是诱导ICAM形成的关键转录因子之一；（3）脑缺血后半暗带升高的糖皮质激素可能触发IPAM形成，而IPAM可能由三羧酸循环和氧化磷酸化供能，具有炎症缓解相关代谢特征和神经保护作用。缺血性卒中相关小胶质细胞亚群的发现为临床转化提供了新思路。


此外，本研究未能在体内验证BACH1对ICAM形成的诱导作用及其机制，并且除BACH1外，另一诱导ICAM形成的关键转录因子FOSL1也值得进一步研究。


原文链接：https://genomemedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13073-023-01257-5

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通讯作者：徐运教授

（照片提供自：徐运教授团队）


通讯作者简介：徐运，女，南京大学鼓楼医院神经科主任，主任医师，教授、博导。国家首席科学家，国务院政府特殊津贴专家。中国杰出神经内科医师，江苏省优秀医学领军人才等。国家和省临床重点专科、省神经病学重点学科主任、省脑血管病诊疗中心主任，省神经内科质控中心和脑卒中质控中心主任等。曾在德国海德堡大学、美国霍普金斯大学留学。现任中华医学会神经病学分会副主任委员，中华预防学会预防与控制专业委员会副主任委员，中国医师协会神经内科医师分会副会长，江苏省卒中学会理事长等，Neuroscience Bulletin、《国际脑血管病杂志》等副主编，Advanced Neurology主编等。主持国家、省部级重点科研项目30多项。其中科技部脑科学重大项目1项，国自然重点项目和重大国合4项。发表论文300余篇，第一和通讯SCI文章 226 篇，IF 976.588，H因子 50。（PNAS，Advanced science, Stroke，Brain Behav Immun，Mol Endocrinol，JCBFM， Aging Cell，J Neuroinflammation等），发明专利10项。入选2020、2021和2022年“中国高被引学者”。主编和参编论著12部，主编研究生教材1部，副主编和参编“五年制”、“八年制”教材4部。获省部级科技1、2等奖5项。


特别专栏：徐运课题组进展报道

【8】Neurosci Bull︱南京大学徐运/陈妍团队揭示MFG-E8通过吞噬髓鞘碎片改善慢性脑缺血相关认知障碍

【7】PLOS Biol︱南京大学徐运课题组揭示小胶质细胞调控卒中后神经炎症新机制

【6】iScience︱南京大学徐运课题组揭示QHRD106作为一种新型长效的组织型激肽释放酶制剂改善缺血性脑损伤

【5】Neurosci Bull︱南京大学徐运课题组揭示小分子药物和厚朴酚改善缺血性脑白质损伤和相关认知障碍的机制

【4】Aging Cell︱南京大学徐运团队揭示AIM2通过补体依赖的小胶质细胞突触吞噬介导衰老相关认知功能障碍

【3】J Neuroinflammation︱南大徐运/邱树卫团队揭示星形胶质细胞源性CXCL5在慢性缺血性脑白质损伤中的作用及机制

【2】Adv Sci︱徐运课题组揭示特异性激活内侧前额叶谷氨酸能神经元改善慢性缺血性脑白质损伤

【1】NPP︱徐运课题组揭示前额叶皮层小清蛋白阳性中间神经元在阿尔茨海默病早期情绪障碍调控中发挥重要作用



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参考文献

1.Cserép C, Pósfai B, Dénes Á: Shaping Neuronal Fate: Functional Heterogeneity of Direct Microglia-Neuron Interactions. Neuron 2021,109:222-240.
2.Ma Y, Wang J, Wang Y, Yang GY: The biphasic function of microglia in ischemic stroke. Prog Neurobiol 2017, 157:247-272.
3.Borst K, Dumas AA, Prinz M: Microglia: Immune and non-immune functions. Immunity 2021, 54:2194-2208.
4.Lan X, Han X, Li Q, Yang QW, Wang J: Modulators of microglial activation and polarization after intracerebral haemorrhage. Nat Rev Neurol 2017, 13:420-433.
5.Yin N, Zhao Y, Liu C, Yang Y, Wang ZH, Yu W, Zhang K, Zhang Z, Liu J, Zhang Y, Shi J: Engineered Nanoerythrocytes Alleviate Central Nervous System Inflammation by Regulating the Polarization of Inflammatory Microglia. Adv Mater 2022, 34:e2201322.
6.Ransohoff RM: A polarizing question: do M1 and M2 microglia exist? Nat Neurosci 2016, 19:987-991.

7.Masuda T, Sankowski R, Staszewski O, Prinz M: Microglia Heterogeneity in the Single-Cell Era. Cell Rep 2020, 30:1271-1281.

编辑︱王思珍


本文完

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