Multiomic spatial landscape of innate immune cells at human central nervous system borders

引言

中枢神经系统（central nervous system, CNS）边界的免疫微环境长期以来被视为神经生物学领域的“黑箱”。尽管近年研究揭示了CNS相关巨噬细胞（CNS-associated macrophages, CAMs）在神经发育、稳态维持和疾病进程中的关键作用，但受限于技术手段，学界对这类细胞的空间分布规律、分子特征及功能异质性仍缺乏系统性认知。2024年发表于《Nature》的突破性研究《Multiomic spatial landscape of innate immune cells at human central nervous system borders》通过整合单细胞测序、质谱流式与空间转录组学等多维度技术，首次绘制了人类CNS边界先天免疫细胞的高精度分子图谱，为神经免疫调控机制提供了全新范式。

研究背景与科学挑战

1. 中枢神经系统免疫微环境的特殊性

传统观点认为CNS存在“免疫特权”，但近年研究证实其边界区域（如脉络丛、软脑膜、血管周隙）聚集着丰富的先天免疫细胞群体。这些CAMs不仅参与病原体清除，还通过调控神经血管耦合、突触修剪等机制深刻影响神经功能。然而，CAMs仅占CNS总细胞数的0.5-2%，且具有高度空间异质性，导致以下核心问题长期悬而未决：

• 细胞身份模糊：不同解剖部位的CAMs是否具有独特的分子标签？
• 动态调控机制：发育阶段与病理状态如何重塑CAMs的表型与功能？
• 治疗靶点匮乏：能否基于CAMs的分子特征开发神经疾病的新型干预策略？

2. 技术瓶颈与解决方案

既往研究多依赖批量测序或组织匀浆分析，导致细胞类型分辨率低下且空间信息丢失。该研究创新性地采用多组学联用策略：

• 单细胞RNA测序（scRNA-seq）：解析356,000个免疫细胞的转录组特征；
• 质谱流式技术（CyTOF）：量化78种表面蛋白的表达模式；
• 空间转录组学（10x Visium）：定位基因表达的三维坐标；
• 显微免疫组化：验证关键分子的组织分布 。

研究方法与核心发现

1. 样本采集与实验设计

研究纳入102例人类样本，涵盖胎儿（妊娠16-24周）至成人（20-75岁）各发育阶段，并包括胶质母细胞瘤等病理组织。通过以下步骤构建多组学数据库：

1. 细胞分选：磁珠分选结合流式细胞术富集CD45+免疫细胞；
2. 单细胞测序：10x Genomics平台完成转录组与表面蛋白组并行检测；
3. 空间定位：对冷冻切片进行空间条形码标记，实现基因表达与组织结构的精确关联 。

2. CAMs的分子异质性

研究鉴定出四大CNS边界区域（脑膜、脉络丛、血管周隙、硬脑膜）的12个CAMs亚群，其分子特征呈现显著空间特异性：

解剖区域	标志性分子	功能注释
脉络丛（Choroid Plexus）	LYVE1+、CD163+	调控脑脊液成分稳态
软脑膜（Leptomeninges）	CD74high、HLA-DR+	抗原提呈与T细胞激活
血管周隙（Perivascular Space）	CD206+、TREM2+	清除β-淀粉样蛋白等代谢废物
硬脑膜（Dura Mater）	CX3CR1+、CCR2+	介导外周免疫细胞向CNS迁移

 

单细胞轨迹分析显示，胎儿期CAMs高表达血管生成相关基因（VEGFA、ANGPT1），而成年后转向免疫调节功能（IL10、TGFB1），提示发育阶段对细胞命运的定向调控 。

3. 细胞互作网络的空间编码

空间转录组学揭示CAMs与周围基质细胞形成高度有序的“生态位”：

• 脉络丛微环境：CXCL12+成纤维细胞通过CXCR4信号招募LYVE1+ CAMs，维持血-脑脊液屏障完整性；
• 血管周隙区域：CD74-MIF轴介导CAMs与内皮细胞的黏附，促进代谢废物清除；
• 肿瘤微环境：胶质母细胞瘤中缺氧诱导CAMs表达PD-L1、VISTA等免疫检查点分子，形成免疫抑制微环境 。

临床转化价值

1. 疾病生物标志物挖掘

研究建立的CAMs分子数据库为神经疾病诊断提供新工具：

• 阿尔茨海默病：血管周隙CAMs中TREM2表达下调与β-淀粉样蛋白沉积正相关（r=0.68, p<0.001）；
• 多发性硬化症：软脑膜区CD74high CAMs比例升高预示疾病活动度（AUC=0.83）；
• 胶质母细胞瘤：肿瘤浸润CAMs中HIF-1α信号通路激活程度与患者生存期显著负相关（HR=2.41） 。

2. 精准治疗新策略

基于CAMs功能可塑性开发靶向干预方案：

• 免疫检查点阻断：抑制PD-L1/VISTA可逆转肿瘤相关CAMs的免疫抑制表型；
• 细胞替代疗法：体外诱导多能干细胞分化为特定CAMs亚群，用于修复血-脑屏障损伤；
• 代谢重编程：调控CAMs的OXPHOS通路增强其吞噬功能，延缓神经退行进程 。

技术局限与未来方向

1. 当前研究的局限性

• 动态追踪不足：现有数据为静态快照，难以解析CAMs的实时功能转换；
• 物种差异影响：人类CAMs的分子特征与小动物模型存在显著差异，制约临床前研究转化；
• 样本来源偏差：病理样本多来自晚期患者，无法捕捉疾病早期CAMs的动态变化。

2. 前沿技术突破方向

• 活体成像技术：开发双光子显微镜结合基因编码报告系统，实现CAMs行为的在体观测；
• 类器官模型：构建包含CAMs的脑类器官，模拟神经退行性疾病进程；
• 单细胞多组学：联合ATAC-seq与CITE-seq解析表观遗传调控网络 。

结论

该研究通过多组学技术全景式解析了人类CNS边界先天免疫细胞的空间分子特征，首次揭示CAMs亚群在发育、稳态与疾病中的动态演变规律。这些发现不仅深化了对神经免疫交叉对话机制的理解，更为阿尔茨海默病、多发性硬化症、胶质母细胞瘤等难治性疾病的精准诊疗开辟了新路径。随着单细胞技术与空间组学的持续进步，针对CAMs的靶向干预有望成为神经疾病治疗的下一个突破点。

名称	货号	规格
PerCP-Cy5.5 Mouse Anti-Human CD45(HI30)	564105	100Tst
PerCP-Cy5.5 Mouse Anti-Human CD45(HI30)	564106	25Tst
BV786 Mouse Anti-Human CD56(NCAM16.2 )	564058	100Tst
PerCP-Cy5.5 Mouse Anti-Human HLA-DR(G46-6)	560652	50Tst