整合单细胞RNA与空间转录组解析新生儿脑出血病理机制与修复过程

《Angiogenesis》：Integrative single cell RNA and spatial profiling identify mechanisms of neonatal brain hemorrhage pathophysiology and repair

本研究针对新生儿脑出血(ICH)病理机制不清的问题，通过整合单细胞RNA测序和空间转录组技术，在Itgb8/β8整合素突变小鼠模型中揭示了神经血管单元(NVU)内ECM信号失调导致出血、而Gas6/Axl轴和铁代谢通路激活促进修复的新机制，为脑血管疾病治疗提供了新靶点。

　　

大脑作为人体最精密的指挥中心，其正常运作离不开庞大的血管网络支撑。这些血管与神经元、胶质细胞共同构成神经血管单元(NVU)，通过复杂的信息交流维持着血脑屏障(BBB)的完整性和脑内环境的稳定。然而，在新生儿发育阶段，NVU的建立过程尤为脆弱，一旦细胞间通讯网络失调，就可能引发脑出血(ICH)等严重并发症。尽管临床观察发现新生儿脑出血并不罕见，但对其发病机制和后续修复过程的理解仍存在大量空白，特别是不同细胞类型在出血发生和消退过程中如何协同响应的分子图谱更是模糊不清。

为了揭开这一生命早期的神秘面纱，研究人员将目光投向了整合素β8(Itgb8)——一种在血管周胶质细胞中特异性表达的蛋白分子。既往研究表明，Itgb8通过激活转化生长因子β(TGFβ)信号通路，在脑血管发育中扮演着"质量监督员"的角色。当Itgb8基因发生突变时，小鼠出生后便会出现明显的脑出血症状，但令人惊奇的是，这些出血灶会在出生后10天内逐渐消退。这一独特的自我修复现象为研究脑出血的动态过程提供了理想模型。

发表在《Angiogenesis》上的这项研究，巧妙地结合了单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组(Xenium)两大前沿技术，对Itgb8突变小鼠大脑皮层进行了高精度解析。研究团队收集了出生后0天(P0)、5天(P5)和10天(P10)三个关键时间点的脑组织样本，通过10X Genomics平台分别构建了单细胞转录组图谱和空间基因表达谱。实验设计包括条件性基因敲除小鼠模型构建(Nestin-Cre;Itgb8^f/f)、组织切片制备、免疫荧光染色验证等关键环节，确保获得可靠的多组学数据。

单细胞转录组解析脑出血的细胞动态

通过对超过60,000个皮层细胞进行分群鉴定，研究人员成功绘制了出血不同阶段的细胞图谱。结果显示，内皮细胞和小胶质细胞/巨噬细胞是响应最强烈的两类细胞。在出血初期(P0)，内皮细胞表现出细胞外基质(ECM)相关基因的显著下调，包括Adamtsl2、Htra3和Lama4等已知的TGFβ信号靶基因。这些蛋白分子本是血管基底膜的"钢筋水泥"，它们的减少直接削弱了血管结构的稳定性。

空间转录组验证细胞特异性响应

为了确认这些发现的空间定位，研究人员定制了包含100个关键基因的探针面板，结合Xenium平台进行了亚细胞分辨率的空间分析。结果生动显示，在出血灶周围的血管内皮中，Htra3等基因确实呈现明显下调；而临近的小胶质细胞中，铁代谢相关基因Hmox1则显著上调。这种细胞类型的空间分布特异性，完美印证了单细胞测序的发现。

伪时间轨迹揭示修复路径转换

通过Slingshot算法重构细胞发育轨迹，研究发现出血大脑中的内皮细胞经历了独特的分化路径。P0期主要表现为细胞-基质粘附相关通路的紊乱，到P5期则转换为缺氧响应和铁离子代谢的激活，直至P10期出现血管重塑和伤口愈合的特征。这一动态过程揭示了出血大脑自我修复的分子路线图。

细胞通讯网络解析修复机制

利用CellChat算法预测细胞间相互作用，研究发现出血后期(P10)出现了显著的Gas6-Axl信号轴激活。这一发现特别值得关注，因为Gas6/Axl信号已知能够调节炎症反应并促进吞噬作用，可能是清除出血后残留铁离子的关键机制。同时，LAMA4信号通路在正常大脑中随发育逐渐增强，而在出血大脑中则出现时序紊乱。

综合这些发现，研究揭示了脑出血病理过程中的核心机制：Itgb8缺失导致TGFβ信号通路失调，进而引起ECM稳定性破坏，最终触发血管渗漏和出血。而在修复阶段，大脑启动了多层次的保护机制——一方面通过上调Timp3等基因抑制基质金属蛋白酶(MMP)的破坏作用，另一方面激活小胶质细胞/巨噬细胞中的Gas6/Axl信号轴和铁代谢通路(Hmox1、Cp、Slc40a1)，有效清除血源性毒性物质。

这项研究的突破性意义在于，首次在单细胞分辨率下描绘了脑出血全过程的多组学图谱，不仅揭示了已知病理机制的新细节，更发现了多个潜在的治疗靶点。特别是Gas6/Axl信号轴和铁代谢通路在出血修复中的关键作用，为开发针对出血性卒中(特别是新生儿脑出血)的精准治疗方案提供了理论依据。此外，研究所建立的整合分析方法也为研究其他器官的血管性疾病提供了可借鉴的技术路线。