单细胞分析脑脊液揭示神经炎症的共同特征
单细胞分析揭示脑脊液中神经炎症的共同特征
神经炎症(neuroinflammation)是神经系统疾病中一个核心病理特征,涉及到脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)和外周免疫系统之间复杂的相互作用。尽管过往研究揭示了多发性硬化(Multiple Sclerosis, MS)和其他神经炎症疾病中CSF中淋巴细胞克隆性扩展的现象,但关于这些免疫细胞特性、动态变化机制及其在健康和疾病中的区别,仍然存在许多未解的科学问题。为了解析CSF免疫微环境的构建特点,并阐明其在疾病状态中传递的生物学意义,Benjamin M. Jacobs等人展开了一项详细的研究。
这篇文章由来自英国剑桥大学(University of Cambridge)、伦敦玛丽女王大学(Queen Mary University of London)以及德国慕尼黑工业大学(Technical University of Munich)的研究者共同完成,于2025年1月21日发表在国际顶尖期刊《Cell Reports Medicine》上,并获得了包括英国MS Society和欧盟Horizon 2020科研项目的资助。研究将单细胞RNA测序技术与淋巴细胞受体测序相结合,分析脑脊液中细胞及其转录程序,进而揭示MS及其他神经炎症疾病中跨病种的共同免疫特征。
研究背景与目标
研究者指出,尽管CSF长期以来被视为一个“免疫豁免(immune privilege)”区域,但在多种神经疾病背景下,其已被发现含有丰富的免疫细胞。MS等慢性炎症性疾病尤为明显,其中特异性淋巴细胞克隆的扩展会导致免疫异常,包括寡克隆抗体带(oligoclonal bands)的形成。然而,尚不清楚B细胞和T细胞如何在炎症背景下进入CSF,以及这些克隆性扩展的驱动因素是否为MS独有还是在其他神经炎症疾病中同样存在。
因此,研究的主要目标是通过单细胞分辨率,对炎症性与非炎症性疾病背景下CSF免疫微环境进行系统分析,揭示MS和其他神经炎症疾病的共同特征及差异,为新药研发和疾病机制研究提供线索。
研究流程与方法
研究对象与样本
研究分别从123名患者与对照中提取了354,055个CSF细胞及422,809个外周血细胞(PBMC),包括以下四组: - 多发性硬化(MS):76名外周血样本,203,220个CSF细胞。 - 其他炎症性神经疾病(OIND):19名患者,30,796个CSF细胞。 - 感染性神经疾病(ID):23名患者,83,339个CSF细胞。 - 非炎症性神经疾病(NIND):36名对照,36,700个CSF细胞。
研究者使用单细胞RNA测序(scRNA-seq)和免疫受体组测序对上述细胞群进行全面分析,并整合了差异基因表达(Differential Gene Expression, DGE)的计算和配套生物信息学分析。
研究步骤与实验方法
(1)单细胞转录组测序及细胞组成分析
通过统一流形逼近与投影(uniform manifold approximation and projection, UMAP)分布,研究者在细胞类型分布上强调了CSF与PBMC的显著差异: 1. 非炎症状态下,CSF中富集了树突状细胞(dendritic cells, DCs)、CD8+ T细胞、调节性T细胞(Tregs)以及特异性巨噬细胞,而PBMC中则富含B细胞和单核细胞。 2. 在炎症状态下,CSF中明显富集了抗体分泌细胞(antibody-secreting cells, ASCs)。这种现象在MS和感染性疾病背景中尤为显著。
(2)淋巴细胞克隆分析与免疫受体基因组测序
研究检测到602个B细胞克隆群组和11,541个T细胞克隆体: - B细胞:克隆性扩展在MS组中更为突出(53.4%),主要为IgG1阳性抗体分泌细胞。 - T细胞:克隆性扩展的T细胞主要为效应记忆CD8+细胞,且观察到大量病毒特异性TCR(T细胞受体)扩展,与EB病毒(Epstein-Barr virus, EBV)和巨细胞病毒(Cytomegalovirus, CMV)反应性相关。
(3)差异基因表达分析与功能富集
- CSF中免疫细胞普遍上调了组织驻留标志物、细胞毒性及抗原呈递相关基因。
- 基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis, GSEA)表明CSF细胞中胆固醇稳态基因被广泛激活,推测由转录因子SREBF1与SREBF2驱动。
- 在MS特异性表达的基因中,CCL22在抗体分泌细胞中显著上调,而CD99、CRIP2等基因则分别显示在浆细胞样树突状细胞和CD4+ T细胞中。
(4)单细胞eQTL分析
研究检测到数个CSF特异性表达数量性状位点(expression quantitative trait loci, eQTL),包括与MS风险相关的EAF2和ZC2HC1A基因。其中,EAF2的低表达可能在B细胞克隆扩展及过度增殖中起重要作用,而ZC2HC1A的表达主要局限于CSF细胞,显示该基因在MS病理机制中的潜在调控作用。
主要结果与发现
抗体分泌细胞(ASCs)在CSF中的富集是神经炎症的标志
无论是MS、OIND还是感染性神经疾病,ASCs的比例在炎症条件下显著上升。然而,这种现象不是MS所特有,而是神经炎症的普遍标志。CSF免疫细胞具有特异的转录组和克隆扩展特性
抗体分泌细胞和记忆性B细胞在CSF中表现出独特的转录特性,显著区别于PBMC。而T细胞的克隆扩展以效应记忆表型为主,与病毒特异性相结合。MS患者CSF显示有限的特异性转录调控
尽管研究识别出部分在MS中特异表达的基因(如CCL22),但大部分CSF转录特征及免疫细胞行为在炎症性疾病间表现出高度一致性。eQTL分析揭示与MS风险相关的CSF特异性表达调控机制
研究发现了数个调控胆固醇代谢、免疫细胞迁移及克隆扩展的关键基因,进一步明确MS风险位点对免疫作用的调节功能。
研究意义与亮点
这项研究通过单细胞技术的全面应用,首次在极高分辨率下展示了CSF中免疫细胞在健康及病理状态中的特性。其重要意义包括: 1. 揭示MS及其他神经炎症疾病共同的免疫特征,为精确医学提供重要线索。 2. 丰富了针对MS病理机制的理解,特别是在免疫微环境和克隆性免疫细胞扩展方面。 3. 阐明了多个调控CSF免疫细胞行为并与MS病风险相关的重要基因,助力靶向治疗和药物开发。
研究不仅在方法及规模上领先,同时也为多种神经炎症疾病提供了新的研究视角,为未来深入研究神经系统疾病的免疫病理提供了强有力的理论依据。