单核细胞可有效替代所有脑巨噬细胞及胎肝单核细胞可生成真正的Sall1+小胶质细胞

神经病学 细胞生物学 生命科学 医学 免疫学
单核细胞 脑巨噬细胞 胎肝单核细胞 小胶质细胞 阿尔茨海默病 细胞替代疗法 表观遗传

学术背景

中枢神经系统（CNS）的稳态维持依赖于两类关键巨噬细胞：小胶质细胞（microglia）和边界相关巨噬细胞（BAMs）。传统观点认为，小胶质细胞源于胚胎期卵黄囊（yolk sac），具有终身自我更新能力，而成人骨髓（BM）来源的单核细胞（monocytes）无法替代其功能。这一特性限制了通过细胞移植治疗神经退行性疾病的潜力。然而，近年研究发现，在某些病理条件下（如阿尔茨海默病），单核细胞可能浸润脑实质，但其分化命运和功能特性尚不明确。本研究旨在解决以下核心问题：
1. 单核细胞能否完全替代大脑巨噬细胞？
2. 不同发育来源的单核细胞（如胎儿肝脏 vs. 成人骨髓）是否影响其分化为小胶质细胞的能力？
3. 人类单核细胞在异种移植模型中是否表现出类似特性？

论文来源

本论文由Jonathan Bastos（布鲁塞尔自由大学）、Carleigh O’Brien（宾夕法尼亚大学）等跨国团队合作完成，通讯作者为Kiavash Movahedi（布鲁塞尔自由大学），发表于Immunity期刊（2025年5月，卷58，页1269-1288）。研究得到欧盟ERC、比利时FWO等基金支持。

研究流程与结果

1. 单核细胞替换胚胎源性BAMs的能力验证

实验设计：
- 模型：使用Flt3Cre:YFP小鼠（标记骨髓来源细胞）联合PLX3397（CSF1R抑制剂）诱导巨噬细胞耗竭。
- 样本：对照组（n=6）与PLX处理组（n=7），耗竭2周后恢复7周。
- 方法：流式细胞术分析YFP+细胞在脑膜和脑实质中的分布，免疫荧光验证LYVE1+ BAMs的替换。

关键结果：
- PLX处理后，脑膜中的LYVE1+ BAMs几乎完全被YFP+单核细胞源性细胞替代（图1a-c）。
- 竞争机制：脑实质中内源性小胶质细胞的快速自我更新阻碍单核细胞定植，但局部辐射（600 rad）可破坏此屏障，使83.3%的脑巨噬细胞被替换（图1d-e）。

2. 单核细胞分化为长期存活的小胶质细胞

创新方法：
- 遗传模型：在新生CX3CR1CreER:CSF1Rfl/fl小鼠中诱导小胶质细胞耗竭，随后颅内注射GFP+单核细胞（图2a）。
- 长期追踪：移植后观察长达20个月，比较单核细胞与胚胎小胶质细胞的定植效率。

发现：
- 单核细胞分化的单核源性小胶质细胞（mo-microglia）与胚胎源性细胞（em-microglia）具有相似的扩增能力和寿命（图2c-d）。
- 表型差异：mo-microglia形态分支较少，且表达MS4A7（骨髓标记）而非SALL1（胚胎标记）（图2g）。

3. 单核细胞谱系决定其脑巨噬细胞身份

单细胞测序分析：
- 样本：从PLX处理后的小鼠脑膜分选Clec12a+细胞进行scRNA-seq（n=15）。
- 聚类结果：
- 胚胎源性BAMs（loBAM1）高表达COLEC12和CD163，功能富集于内吞作用。
- 单核源性BAMs（loBAM2）高表达炎症相关基因（如H2-Aa），提示功能差异（图4f-h）。

4. 胎儿肝脏单核细胞可生成真正的SALL1+小胶质细胞

关键实验：
- 将E14胎儿肝脏（FL）单核细胞移植至新生小鼠脑内，8周后分选GFP+细胞进行scRNA-seq。
- 表观遗传分析：snATAC-seq显示FL单核细胞的SALL1基因座染色质开放性显著高于BM单核细胞（图6k-l）。

突破性发现：
- FL单核细胞可分化为SALL1+微胶质细胞，其转录组与胚胎源性细胞无差异（图5l-n），而BM单核细胞仅生成SALL1−细胞。

5. 人类单核细胞在异种移植模型中的行为

临床关联实验：
- 样本：将人类脐带血或成人外周血CD14+单核细胞移植至hCSF1KI免疫缺陷小鼠脑内（n=17）。
- 单细胞分析：
- 人类细胞形成KCNQ3+微胶质样细胞，但缺乏SALL1表达（图7g）。
- 在阿尔茨海默病（AD）患者脑样本中，发现类似的ZNF804A+微胶质细胞簇，其丰度与疾病严重度正相关（图7l）。

结论与价值

  1. 理论意义：

    • 推翻“仅胚胎源性巨噬细胞可定植脑实质”的传统认知，证明单核细胞具有全脑巨噬细胞替换潜力。
    • 揭示发育起源（ontogeny）通过表观遗传调控（如SALL1可及性）决定细胞命运。

  2. 应用前景：

    • 为神经退行性疾病（如AD）提供新型细胞治疗策略：使用脐带血单核细胞替代病变小胶质细胞。
    • 提出CD163和MS4A7作为区分内源性与单核源性巨噬细胞的标记物。

研究亮点

  • 方法创新：结合遗传耗竭模型、单细胞多组学（scRNA-seq + snATAC-seq）及异种移植。
  • 跨物种验证：从小鼠到人类数据，证实单核源性微胶质细胞在AD中的病理相关性。
  • 临床转化：首次证明胎儿肝脏单核细胞可突破“SALL1表达障碍”，为再生医学提供新细胞来源。