芯空一号快讯｜空间多组学绘制衰老脑白质小胶质细胞图谱
文章背景
随着年龄增长，脑白质会发生结构和功能改变，并与晚年认知下降及神经退行性疾病密切相关。然而相较于灰质，脑白质为何表现出更显著的年龄相关易损性，其背后的细胞和分子基础仍未得到充分解析。近日，发表于《Nature Aging》的研究利用空间蛋白、GeoMx DSP和CosMx SMI等空间多组学技术，系统描绘了自然衰老小鼠脑内小胶质细胞的空间异质性。研究发现，衰老和疾病相关小胶质细胞表型主要汇聚于海马邻近白质区域，并进一步通过衰老细胞靶向干预，验证了这一异常状态具有一定的可逆性。
01 研究技术路径
研究首先对年轻与衰老小鼠不同脑区进行区域基因表达分析，重点比较海马灰质与邻近白质区域（包括穹隆伞和胼胝体）的衰老相关分子变化，并结合免疫荧光观察GAL3、IBA1等标志物的空间分布。随后，研究者利用空间蛋白IMC(Imaging Mass Cytometry)技术同时检测GAL3、TMEM173、MHCⅡ、uPAR、CD38等10种蛋白，验证衰老及疾病相关小胶质细胞的蛋白表型。
在空间转录组层面，GeoMx DSP根据GAL3、IBA1、SYTO83和GFAP信号对海马与穹隆伞区域进行空间分割，比较不同解剖区域的IBA1⁺小胶质细胞，以及穹隆伞内IBA1⁺GAL3⁺与IBA1⁺GAL3⁻细胞的全转录组表达差异。
CosMx SMI则将950-plex小鼠神经Panel与50基因衰老定制Panel结合，构建包含102个衰老相关基因的“SenBrain”Panel，在单细胞尺度解析海马、胼胝体、穹隆伞、皮层、背侧丘脑和脉络丛中的小胶质细胞状态。
最后，研究在p16-InkAttac小鼠中分别采用AP20187靶向p16表达细胞，以及BCL2抑制剂venetoclax进行药理干预，并通过区域基因表达和组织成像评估衰老白质小胶质细胞的分子、形态和空间组织变化，从而形成从多组学发现到干预验证的完整研究路径。
02 衰老与DAM特征在脑白质中集中富集
研究首先通过区域基因表达分析定位衰老相关分子变化显著的脑区，发现相比海马灰质，衰老小鼠穹隆伞和胼胝体等白质区域表现出更明显的衰老及疾病相关小胶质细胞（disease-associated microglia, DAM）转录特征。进一步结合免疫荧光和空间蛋白检测发现，GAL3⁺小胶质细胞主要聚集于白质纤维束，尤其是穹隆伞区域，并同时表达多种衰老相关蛋白标志物。上述结果提示，衰老过程中脑白质可能形成了特定的微环境，促进具有衰老和DAM特征的小胶质细胞异常积累，为后续利用空间转录组技术进一步解析其细胞状态和分子特征奠定基础。
衰老及DAM相关分子主要富集于穹隆伞和胼胝体等脑白质区域
03 DSP与SMI逐层解析衰老小胶质细胞状态
在明确白质为重区域后，GeoMx DSP进一步从组织区室层面对小胶质细胞转录特征进行分析。与海马IBA1⁺细胞相比，衰老穹隆伞IBA1⁺细胞富集Fth1、Ctss和Apoe等经典DAM及衰老相关基因。在穹隆伞内部，Apoe是区分IBA1⁺GAL3⁺与IBA1⁺GAL3⁻细胞最显著的基因之一，提示GAL3⁺小胶质细胞具有更加突出的DAM转录特征。
GeoMx DSP从组织区室层面筛选白质小胶质细胞特征
CosMx SMI则将这一发现推进至单细胞尺度。研究在衰老小鼠中识别出多个小胶质细胞亚群，其中一类白质富集亚群同时高表达Lgals3、Apoe、Clec7a、Spp1和Tyrobp等DAM相关基因，并具有最高水平的SenBrain评分。该亚群在细胞周期调控、核应激、衰老相关分泌表型、抗凋亡通路、细胞器应激和细胞表面重塑等多个衰老维度均表现出明显富集。独立年轻-衰老队列进一步识别出几乎仅存在于衰老脑内的cluster 10，其DAM特征增强，而小胶质细胞稳态特征逐渐降低。
通过整合两个独立CosMx数据集，研究再次获得具有一致SenBrain和DAM表达特征的小胶质细胞群，表明这一状态并非单一批次或单一组织切片产生的偶然结果。Monocle3轨迹分析进一步提示，稳态小胶质细胞可能经过cluster 13和cluster 3逐渐进入衰老特异性cluster 10。同时白质、室管膜和少突胶质细胞邻近的小胶质细胞也可能通过另一条更直接的路径进入这一终末状态。 这些结果表明，衰老相关DAM并不一定来源于单一细胞谱系，而可能是不同组织微环境和持续应激共同推动形成的细胞状态。
CosMx SMI在单细胞尺度识别衰老特异性的SenBrain高表达DAM亚群及其潜在状态转变轨迹
04 靶向衰老细胞可部分恢复异常小胶质细胞状态
为验证衰老相关小胶质细胞状态是否具有可干预性，研究进一步采用p16靶向策略AP20187和BCL2抑制剂venetoclax进行衰老细胞干预。结果显示，两种处理均可降低衰老穹隆伞区域GAL3⁺小胶质细胞的丰度，并减少APOE/DAM等相关分子信号。同时，干预后小胶质细胞的形态及空间组织特征也向年轻状态发生恢复。上述结果表明，衰老白质中的异常小胶质细胞状态并非完全固定，通过靶向衰老相关细胞，有望部分逆转年龄相关的分子和空间改变。
p16靶向与BCL2抑制均可减少衰老穹隆伞中的GAL3⁺、APOE⁺小胶质细胞，并使其形态及空间排列部分恢复至年轻状态
总结
本研究通过空间蛋白、GeoMx DSP和CosMx SMI构建了层层递进的空间多组学方案：首先定位衰老改变显著的脑白质区域，随后在特定组织区室中发现候选分子，再以单细胞空间成像解析细胞亚群、衰老程序及潜在状态转变，最终通过药理遗传和药物干预验证其可逆性。研究由此识别出一类集中于衰老脑白质、同时具有SenBrain衰老特征和DAM表达程序的GAL3⁺小胶质细胞，并将GAL3、APOE、uPAR等分子连接到潜在的干预方向。
从空间发现到细胞分型，再到靶向干预，这项研究体现了空间多组学在衰老与神经退行性疾病研究中的核心价值：不仅描述哪些分子发生改变，更能够确定异常发生于何种组织微环境、由哪类细胞承载，以及这些细胞状态是否具备治疗可塑性。未来，随着人脑组织和临床队列中的进一步验证，这类以空间微环境为基础的多组学研究有望推动脑白质易损机制解析，并为衰老相关认知下降及神经退行性疾病的精准干预提供新的细胞靶点与证据基础。
