CosMx 单细胞空间组学技术-揭示阿尔茨海默病小鼠模型中小胶质细胞与星形胶质细胞互作机制
编者按
阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性变，淀粉样蛋白-β（Aβ）沉积是该疾病的一个关键的神经病理学标志，小胶质细胞和星形胶质细胞的变化与疾病进展密切相关。本研究通过 CosMx SMI联合 Stereo-seq空间组学技术，研究AD小鼠模型中淀粉样斑块区域中细胞组成及互作机制。结果发现斑块区域以小胶质细胞积累的增加为标志，同时不同斑块区域的细胞组成存在异质性。并且随着斑块区域小胶质细胞密度的增加，星形胶质细胞获得更强的神经毒性表型，在诱导海马神经元GABAergic信号和降低谷氨酸信号中发挥关键作用。总之，本研究发现海马斑块周围的小胶质细胞的积累破坏了星形细胞信号，进而导致神经元突触信号的失衡。
一. 文章详情
文章题目：Microglia-astrocyte crosstalk in the amyloid plaque niche of an Alzheimer’s disease mouse model, as revealed by spatial transcriptomics
中文题目：空间转录组学技术揭示在阿尔茨海默病小鼠模型淀粉样斑块区域中小胶质细胞-星形胶质细胞的互作机制
发表时间：2024.06
期刊名称：Cell Reports
影响因子：8.8
实验平台：CosMx SMI；Stereo-seq
DOI：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114216
二．实验设计
1. CosMx SMI
👉 动物：18个月大的AppNL-G-F小鼠（n=4）
👉 组织：小鼠大脑组织切片（海马体和邻近区域）
👉 抗体：单克隆抗体MOAB-2
2. Stereo-seq
👉 动物：3个月大的AppNL-G-F小鼠（n=1）、3个月大的正常小鼠（对照组；n=1）、18个月大的AppNL-G-F小鼠（n=2）、18月的正常小鼠（对照组；n=1）
👉 组织：脑冷冻切片
3. 病理染色
👉 用于Stereo-seq 实验脑组织切片的邻片（间隔10 μm）
三．研究内容
1、利用CosMx SMI技术获得不同细胞类型的注释结果
通过分析CosMx SMI转录组数据，注释到了不同的细胞类型，包括小胶质细胞、星形胶质细胞以及各类型神经元细胞等。同时还通过结合组织内的空间分布，将谷氨酸能神经元注释为不同的细胞亚群，包括S1神经元、CA1-CA3神经元、CA4神经元以及齿状回（DG）神经元。
Fig.1 利用CosMx SMI技术获得不同细胞类型的注释结果
2、淀粉样斑块生态位区域细胞基因的空间表达特征
接下来，研究者重点关注淀粉样斑块区域的细胞组成及功能特征。通过CosMx SMI数据分析，研究者发现在靠近斑块区域（10μm以内），小胶质细胞的比例远远超过其它类型的细胞，并且随着与斑块距离的变化，小胶质细胞的基因表达特征也会随之发生改变。通过Stereo-seq进一步验证了这一结果。
Fig.2 与淀粉样斑块不同距离的小胶质细胞具有独特的基因表达模式
3、淀粉样斑块区域细胞组成的异质性
接下来研究者将每个斑块边缘40μm范围内的所有细胞定义为一个niche，发现不同niche的细胞数量具有明显的差异。研究者进一步计算了不同niche之间各细胞类型的密度（每种细胞类型的数量/特定niche中的细胞总数），结果发现不同niche中小胶质细胞以及其他细胞类型的细胞密度具有显著的异质性。然后通过Stereo-seq验证了在CosMx SMI分析中发现的细胞组成异质性的结果。
Fig.3 淀粉样斑块区域细胞组成的异质性
4、斑块区域胶质细胞活动改变对神经元的影响
利用CosMx数据，通过CellPhoneDB分析发现，在海马斑块区域中，星形胶质细胞具有最多的RL数量，说明在局部斑块环境中，星形细胞信号在细胞间相互作用中的重要性。接下来研究者进一步分析了海马不同亚区星形胶质细胞与神经元之间的相互作用，发现星形胶质细胞与GABA能神经元之间互作增强，与谷氨酸神经元之间的互作强度下降。研究者根据CellPhoneDB分析中预测的RL对的表达分别对与GABA信号和谷氨酸信号相关的RL对进行评分，发现与谷氨酸信号相关的对随着小胶质细胞密度的增加而减少。这些发现证实了斑块病理周围的小胶质细胞能够影响星形细胞功能，进而导致海马神经元突触传递受损。
Fig.4 斑块区域中的细胞相互作用
四．主要结论
本研究通过联合CosMx SMI和Stereo-seq 技术研究AD小鼠模型中Aβ斑块周围细胞和基因表达的变化，发现小胶质细胞和星形胶质细胞的功能具有空间特异性。此外，本研究还确定了斑块周围的细胞组成的异质性，值得注意的是，星形胶质细胞是斑块生态位中细胞相互作用的关键枢纽，会损害神经元突触功能（GABAergic信号增加，谷氨酸能信号减少）。本文还对CosMx SMI和Stereo-seq 两种空间技术的优缺点做了比较，利用了两种平台的优势，将两者进行了深入的联合，感兴趣的老师可以对文章进行详细的解读。
