综述：解码阿尔茨海默病：单细胞测序揭示脑细胞异质性和发病机制

这篇综述聚焦阿尔茨海默病（AD），介绍单细胞测序技术在其研究中的应用。通过分析不同脑细胞类型和亚型的异质性，揭示 AD 发病机制，还探讨了该技术在发现新靶点、构建基因调控网络等方面的作用，为 AD 研究和治疗提供新思路。

　　

阿尔茨海默病与单细胞测序技术概述

阿尔茨海默病（AD）是一种常见的进行性神经退行性疾病，是痴呆的主要病因，全球患者众多，预计到 2050 年患者数量将大幅增加。其临床特征为记忆障碍、认知衰退等，病理特征包括神经元丢失、淀粉样 β（Aβ）斑块沉积、tau 蛋白过度磷酸化形成神经原纤维缠结，还涉及神经炎症、胶质细胞激活等多种异常。

传统研究方法存在局限性，如批量转录组分析掩盖细胞亚型特异性变化，动物模型无法完全模拟人类 AD 病理。单细胞测序技术应运而生，它能在单细胞水平进行转录组和基因组分析，揭示细胞异质性，已成为 AD 研究的有力工具。例如，单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和单细胞染色质可及性测序（ATAC-seq）等技术，有助于深入了解 AD 的发病机制。

单细胞测序在 AD 研究中的应用

1. 细胞类型和亚型的异质性：通过单细胞测序，可依据细胞标记、差异基因表达和聚类技术，对 AD 相关脑区（如大脑皮层和海马体）的细胞进行分类。不同细胞类型有其特定标记，如兴奋性神经元的神经颗粒素（NRGN）、抑制性神经元的谷氨酸脱羧酶 1（GAD1）等。与健康对照相比，AD 患者多种细胞类型存在显著的基因表达差异。例如，兴奋性和抑制性神经元中与突触组织和粘附相关的基因表达改变；星形胶质细胞中与突触信号转导和谷氨酸分泌相关的基因下调 。

2. 神经元亚群：正常大脑中，兴奋性和抑制性神经元保持动态平衡，而 AD 会破坏这种平衡。scRNA-seq 分析显示，AD 早期兴奋性神经元亚群会出现短暂的过度活跃，之后数量减少；抑制性神经元中，表达生长抑素的亚型对 AD 病理尤其敏感，其数量减少与认知能力下降密切相关 。此外，Aβ 斑块和 tau 蛋白对不同神经元亚群的影响存在差异，tau 蛋白异常在早期主要出现在兴奋性神经元中，且基因表达和功能的异常与突触损伤和认知缺陷相关。

3. 小胶质细胞亚群：小胶质细胞在突触形成、修剪和免疫反应中起重要作用。在 AD 中，小胶质细胞发生显著变化，出现转录激活和细胞数量增加。根据基因表达模式，可分为与早期 AD 相关的（MAEAD）和与晚期 AD 相关的（MALAD）等亚型。AD 中还存在具有神经保护作用的小胶质细胞亚群，但会随着疾病进展而逐渐丢失。载脂蛋白 E（APOE）和触发受体表达于髓样细胞 2（TREM2）这两个 AD 主要风险基因，在小胶质细胞反应中起关键作用 。

4. 星形胶质细胞亚群：星形胶质细胞对神经元起支持作用。通过单细胞测序，在小鼠中枢神经系统中鉴定出多种星形胶质细胞亚型。在 AD 中，出现疾病相关星形胶质细胞（DAA），其特征为高表达胶质纤维酸性蛋白（GFAP），且相关基因表达发生变化，影响谷氨酸 / GABA 平衡和突触功能 。此外，AD 患者的星形胶质细胞炎症反应增强，神经递质和脂质代谢相关基因下调。

5. 少突胶质细胞亚群：少突胶质细胞参与髓鞘再生和维持等过程。单细胞测序将其进一步分为不同亚型，各亚型在基因表达和功能上存在差异。在 AD 中，少突胶质细胞的转录和功能出现异常，促进髓鞘形成的基因下调，抑制髓鞘形成的基因上调，导致成熟髓鞘形成的少突胶质细胞数量减少，同时炎症反应相关通路被激活。

6. 脑血管细胞：神经血管功能障碍是 AD 发病的重要因素。单细胞测序揭示了 AD 患者脑血管系统存在细胞异质性和区域易损性。例如，脑血管内皮细胞基因表达改变，影响血脑屏障（BBB）功能；周细胞亚型变化与 BBB 破坏有关 。此外，AD 患者脑血管细胞的转录和功能异常，导致 BBB 功能受损，有害物进入脑组织，加速疾病进展。

单细胞测序在揭示 AD 细胞异质性中的应用及未来方向

1. AD 的分子特征：单细胞测序显示，AD 早期转录组发生显著变化，且与淀粉样斑块和神经原纤维缠结负担正相关。不同 AD 风险基因携带者的细胞存在特定的转录状态改变，如 TREM2 少突胶质细胞的自噬 - 溶酶体途径受损 。在 AD 进展过程中，早期以局部表观基因组变化为主，晚期则出现整个表观基因组失调。

2. 构建基因调控网络：通过分析细胞间基因表达模式，单细胞测序有助于构建 AD 相关的基因调控网络。研究发现，遗传风险因素通过影响脑血管细胞与其他细胞的通讯，参与 AD 发病机制。同时，AD 进展过程中存在阶段依赖和细胞类型特异性的转录模块变化 。

3. 确定新的治疗靶点：分析单细胞转录组可发现新的治疗靶点。例如，通过单细胞测序发现与早期 Aβ 产生和积累相关的基因，以及针对易受 tau 蛋白积累影响的兴奋性神经元和功能异常的胶质细胞的治疗靶点 。

4. 表观基因组研究进展：高通量 ATAC-seq 可分析染色质可及性，结合其他分析方法能确定与 AD 相关的关键转录因子。此外，单细胞 DNA 甲基化分析和单细胞染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）也揭示了 AD 中表观遗传变化的重要信息 。

5. 空间转录组学的未来应用：空间转录组学可揭示基因表达的空间模式，与单细胞测序结合，能更全面地了解脑细胞功能。研究发现，AD 不同阶段基因共表达网络存在差异，早期与髓鞘和少突胶质细胞相关，晚期涉及补体系统、氧化应激等 。

AD 研究的未来方向与未解问题

尽管单细胞技术和多组学方法在 AD 研究中取得进展，但仍有许多问题待解决。例如，需要进一步明确细胞变化的时间动态，纵向研究有助于更精确地识别早期生物标志物和治疗窗口；深入理解大脑微环境在 AD 中的作用，空间转录组学与单细胞分析结合有望揭示其影响机制；探究遗传和表观遗传改变影响疾病进展的具体机制，通过单细胞测序发现新的生物标志物，结合大规模队列研究，有助于了解患者对治疗的反应差异 。

结论

单细胞测序技术为 AD 研究带来突破，揭示了脑细胞的多样性和转录动态，发现了疾病相关的基因表达模式和调控通路，确定了选择性易损细胞类型及其动态变化。将单细胞多组学与空间和表观基因组数据整合，为个性化治疗策略的开发奠定了基础，有助于发现新的分子靶点，推动 AD 精准医学的发展 。