MERFISH技术揭示大脑衰老的细胞邻近效应

随着人类寿命的延长，脑部衰老与相关疾病（如阿尔茨海默病和其他形式的痴呆）成为全球关注的重要健康问题。现有研究发现，脑部衰老过程伴随着复杂的细胞和分子变化。然而，这些变化的空间背景和细胞间的相互作用机制尚未被充分揭示。为了解决这一问题，斯坦福大学研究团队利用MERFISH技术生成了具有高空间和时间分辨率的大脑单细胞转录组图谱，全面解析了细胞邻近效应对脑部衰老的影响，为探索抗衰老干预策略提供了新的视角。这一研究于2024年12月18日发表在Nature杂志上。

本项研究主要聚焦脑部衰老这一复杂的动态过程，尝试揭示细胞间的邻近效应对衰老的作用机制，并评估不同干预措施的抗衰老效果。研究中使用了MERFISH技术，收集跨越小鼠生命周期的包括衰老和干预后脑部样本，获取了包含300个基因的小鼠大脑单细胞转录组数据，以确保高空间和时间分辨率。构建大脑空间转录组图谱，系统性分析不同细胞类型的空间分布和基因表达特征。使用机器学习方法开发“空间衰老时钟”，精确预测单细胞的生物年龄。通过空间衰老时钟和邻近效应分析，揭示干预措施对不同细胞类型及其空间关系的潜在作用。确定特定细胞（如T细胞和NSCs）的邻近效应在脑部衰老中的关键作用。量化运动和部分重编程两种干预措施对不同脑区域和细胞类型的再生或复年轻化效果，为未来的治疗设计提供靶点和依据。

研究结果

01 在整个生命周期中对大脑进行空间分辨的单细胞转录组分析

研究团队基于MERFISH技术生成了整个生命周期内衰老小鼠大脑的单细胞空间转录组图谱（图 1a）。收集了 20 个不同年龄雄性小鼠的冠状脑切片，覆盖了整个生命周期，以及 6 个不同年龄雄性小鼠的矢状脑切片。检测了整个冠状或矢状切片中 300 个基因的转录本。这个 300 个基因panel旨在包含细胞类型标记物基因、衰老相关通路中的基因以及参与其他过程的基因。

图1a. 使用 MERFISH 从成年生命周期内收集的小鼠大脑中生成空间转录组学数据的实验工作流程。

图1c.d. 在衰老过程中，小胶质细胞、少突胶质细胞和 T 细胞的比例整体增加，而冠状切片数据集中的 OPC、NSC 和神经母细胞的比例整体下降，T 细胞和 NSC 随年龄变化最明显。

02 基因表达变化与衰老相关

随年龄增长，免疫相关基因表达上调，而代谢和发育相关基因表达下调。

小胶质细胞表现出的表达随年龄变化的基因数量最多，其中Pdcd1基因（编码PD-1受体）表达显著上调，Fcrls基因（编码Fc受体样分子）显著下调。

基因在特定细胞类型和脑区的时空表达模式如下图i。干扰素反应基因（如Stat1）呈现晚期上调趋势，而Gamt(一种参与肌酸合成的基因)表达呈现出逐渐下调的趋势。

03 建立SpatialSmooth训练的空间衰老时钟模型

为了测量单个细胞的生物年龄，研究团队训练了机器学习模型，以根据每个细胞的空间预处理基因表达数据（以下简称“空间衰老时钟”）预测小鼠年龄。使用 SpatialSmooth 方法在冠状切片数据集上开发的衰老时钟在 18 种细胞类型中的 14 种中取得了高性能 (R > 0.7)，包括非常罕见的细胞类型，例如 T 细胞、NSC 和神经母细胞。

04 使用空间衰老时钟记录活力恢复

使用MERFISH技术，生成年轻和老年小鼠在两种干预措施（运动和部分重编程）下的大脑空间转录组数据。发现空间衰老时钟可以识别不同干预措施对脑部细胞和区域的具体影响。运动和部分重编程的复年轻化模式具有互补性，揭示了针对不同细胞类型设计干预策略的可能性。

图 3d.e. 内皮细胞（中位恢复时间为 4.9 个月）、周细胞（中位恢复时间为 3.4 个月）和 VSMC（中位恢复时间为 4.7 个月）。这些对脑血管细胞的强烈恢复作用存在于多个脑区（VEN 除外）（图 3f），与运动的全身效应一致。

图3e.g. 少数细胞类型的转录组通过部分重编程而恢复活力，包括 NSC（中位恢复时间为 2.7 个月）和神经母细胞（中位恢复时间为 2.8 个月。其他细胞类型（中棘神经元、小胶质细胞和神经胶质细胞）在部分重编程后在多个大脑区域过早衰老（图 3g）

05 使用空间衰老时钟评估已知对大脑有害的干预和疾病的影响

图3i.j. 多种细胞类型（如星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞）在炎症条件下表现出加速衰老。星形胶质细胞的衰老主要集中在皮质区域，而少突胶质细胞和小胶质细胞的衰老影响则遍布多个脑区。

阿尔茨海默症包括小胶质细胞、神经元和脑血管细胞在内的多数细胞类型表现出加速的转录组衰老。

06 大脑衰老的细胞邻近效应

使用空间衰老时钟，研究团队量化了给定“效应”细胞类型对“目标”细胞类型的预期预测年龄偏差（“衰老加速”）的空间邻近效应（图4a.b.c.）。

T 细胞具有最强的促衰老平均邻近效应；NSC 具有最强的促再生平均邻近效应（图 4c ）。

MERFISH价值

#1

本项研究基于MERFISH技术生成包含4.2百万个细胞的全脑空间转录组图谱，涵盖小鼠从成年到衰老的整个生命周期。这种高分辨率技术支持了对不同细胞类型在空间分布和基因表达变化上的详细研究。使用MERFISH对300个与细胞类型标志物、衰老相关路径和其他重要生物过程的基因进行检测，揭示了随年龄变化的基因表达模式。这些基因表达模式帮助研究团队构建了“空间衰老时钟”，以预测细胞的生物年龄和衰老进程。MERFISH数据支持研究不同细胞类型在相邻细胞中产生的衰老或复年轻邻近效应。例如，T细胞被发现对邻近细胞具有显著的促衰老效应，而神经干细胞（NSCs）则展现出强大的促复年轻效应。

#2

本研究通过MERFISH同时获得了单细胞水平上的空间和时间分辨率，为研究包括衰老、疾病和干预措施对细胞的影响提供了一个整合平台。通过MERFISH生成的数据，可以验证和训练机器学习模型（如深度学习工具和图神经网络），用于量化和预测细胞邻近效应及其对整体组织衰老的影响。总体而言，MERFISH技术在本文中的应用显著提高了脑衰老研究的精度和广度，为理解衰老相关的细胞间相互作用以及探索潜在的抗衰老治疗策略奠定了基础。

2021年，Vizgen率先将整合了MERFISH与超分辨率成像技术的MERSCOPE分析系统推向市场。基于核心技术MERFISH技术，MERSCOPE可对最多3cm²的组织进行超分辨成像，分辨率100nm，定位单细胞中RNA的空间分布以及定量基因表达。实现真正意义上的原位单细胞空间转录组分析，让基因的表达和定位可视化，推动基因组学的研究步入下一代。

基因有限公司于2022年3月正式签约成为美国Vizgen公司MERSCOPE超分辨显微成像分析系统在中国区的合作伙伴。负责该仪器的售前技术咨询、售后安装培训、应用支持等工作。同时，上海贝晶生物技术有限公司也提供MERFISH技术服务。

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参考文献：

Eric D. Sun, Olivia Y. Zhou, et al. Spatial transcriptomic clocks reveal cell proximity effects in brain ageing. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08334-8