综述：空间转录组学与多组学方法在解码神经退行性疾病和衰老过程中与年龄相关的组织微环境及治疗策略中的应用

《Ageing Research Reviews》：Spatial transcriptomics and multi-omics approach to decipher age-related tissue microenvironments and therapeutics in neurodegeneration and aging

　　阿普尔瓦·拉克拉（Apurva Lakra）|尼希塔·辛格（Nishita Singh）|舒特里克里蒂·瓦希什特（Shrutikriti Vashishth）|拉什米·K·安巴斯塔（Rashmi K Ambasta）|普拉维尔·库马尔（Pravir Kumar）
分子神经科学与功能基因组学实验室，生物技术系，德里技术大学（原德里中央工程学院），印度德里110042

**摘要**
传统的批量转录组学方法掩盖了细胞和组织层面的异质性，而这些异质性对于理解与年龄相关的神经退行性疾病至关重要。虽然单细胞转录组学能够解析细胞身份，但它牺牲了空间背景信息——这是理解疾病机制的基本限制。空间转录组学作为一种变革性技术，能够在保持天然组织结构的同时，实现亚细胞分辨率下的全基因组转录组分析，从而成为分子发现与临床应用之间的重要桥梁。本文综述了空间转录组学平台的最新进展以及用于分析空间分辨转录组数据的计算整合策略。我们探讨了空间转录组学如何通过绘制细胞异质性、微环境功能障碍和神经炎症网络来揭示与年龄相关的病理变化。将空间转录组学与多组学方法及临床成像技术相结合，可以为早期疾病检测和患者分层提供全面的生物标志物。我们还讨论了预测神经退行性疾病进展的空间分辨生物标志物的发现与验证，从而实现针对个体老化特征的精准医疗。最后，我们讨论了从空间微环境分析中得出的治疗靶点，并指出了将空间发现转化为临床应用所面临的挑战。

**引言**
神经退行性疾病（NDDs），尤其是阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD），是21世纪最重大的生物医学挑战之一，因为全球老龄化人口不断增加。在分子层面上，NDDs与已知的与年龄相关的损伤特征密切相关，如错误折叠蛋白质聚集物的逐渐积累、线粒体功能障碍以及异常的神经炎症反应。涉及NDDs的神经通路包括tau蛋白级联反应、β-淀粉样蛋白（Aβ）的积累以及α-突触核蛋白（α-syn）的沉积，这些通路都依赖于特定的解剖学连接网络，表明某些神经元会因网络异常而受损。尽管经过数十年的研究及大量的转化医学工作，但将分子发现转化为有效的疾病治疗手段仍面临困难，临床试验的失败率仍然很高，且目前仍缺乏可靠的早期诊断方法。这一挑战并非源于生物学知识的不足，而是因为我们在探究大脑病理的细胞和空间复杂性时存在方法论上的缺陷。当前的临床诊断主要依赖于脑脊液（CSF）和血浆中的生物标志物，这些标志物虽然有助于疾病分期，但分辨率有限。具体而言，来自整个中枢神经系统（CNS）的病理信号通过CSF和血浆标志物传递时，会掩盖区域脆弱性和触发微米级网络故障的初始分子事件（Chen等人，2022；Habib等人，2020；Mathys等人，2019；Yu等人，2024）。虽然液体生物标志物能够成功检测到Aβ或过度磷酸化的tau蛋白，但它们无法表征如斑块周围微环境或神经血管单元等特定细胞微环境，在这些环境中病理过程开始发挥毒性作用。传统的基于批量组织分析的方法虽然识别出了与疾病相关的基因和蛋白质，但却掩盖了衰老大脑中显著的细胞异质性。批量组学分析（转录组学、蛋白质组学、代谢组学）稀释了功能性关键但数量稀少的细胞群体（如反应性星形胶质细胞、疾病相关的小胶质细胞（DAM）和易受损伤的神经元亚型的转录特征（Kluever和Fornasiero，2021）。这种平均效应使得驱动疾病发生的精确细胞表型变得难以察觉。正如当代单细胞技术综述所指出的，批量分析假设所有细胞的反应是一致的，但生物学现实并非如此；在退化的脑组织中，相邻的相同类型细胞会根据与病理区域的距离表现出截然不同的表型状态（Jin等人，2024）。这种分辨率差异导致了转化医学的困境：基于批量分析的候选药物可能针对的是整个脑组织中普遍升高的通路，但实际上在特定类型的神经元中可能具有保护作用或无关紧要。此外，传统方法无法从机制上绘制病理扩散的图谱，因为AD中的tau蛋白和PD中的α-突触核蛋白的典型分布无法通过传统的分子分析方法准确描述（Pinky等人，2023）。因此，迫切需要能够在疾病层面以及单个细胞的天然组织结构基础上解析大脑复杂性的技术（图1）。

**空间转录组学的概念创新**
最近的空间分辨转录组学（SRT）发展代表了神经生物学领域的概念创新，因为它能够同时测量完整组织切片中的转录本丰度和离散的空间定位。这种方法论的转变认识到大脑结构是决定大脑功能的关键因素，细胞的空间背景对表型和疾病行为有重要影响（Chen等人，2024）。SRT克服了批量和单细胞方法的主要局限性，能够在保持解剖学组织结构的同时实现转录组学级别的分辨率。初步的AD研究显示，与淀粉样斑块直接接触的小胶质细胞的转录特征在三维空间中具有局部性，即使相距50微米的细胞也表现出显著的转录组差异，表明免疫反应具有高度局部化特征（Chen等人，2020a）。这与批量研究形成对比，后者无法区分斑块邻近区和远端区的信号。除了表征斑块微环境外，空间组学还通过详细绘制突触的三部分结构（突触可塑性的关键）来阐明突触功能障碍（Pinky等人，2023）。在更严重的突触损伤发生之前，空间数据已显示出局部mRNA运输和翻译不足的早期迹象。远端轴突和树突区线粒体活动的空间失调是年龄依赖性突触退缩的主要驱动因素，这只能通过高分辨率的空间分析才能检测到（Daneshpour等人，2025；Selvaraji等人，2019）。从计算角度来看，空间数据整合通过预测配体与受体表达的空间共定位来研究细胞间信号传导，揭示了衰老大脑中受损的星形胶质细胞-神经元信号通路及代谢支持机制（Kluever和Fornasiero，2021）。单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学彻底改变了神经生物学领域，能够在数万个细胞中客观分析数千个转录本，推动该领域从组织层面描述向动态细胞状态表征的转变（Chen等人，2024）。单细胞转录组学揭示了在衰老和疾病压力下，先前被认为是离散类别的细胞实际上具有流动性。例如，与神经退行性疾病相关的小胶质细胞在转录上存在差异（稳态基因减少，脂质代谢和吞噬程序增加，如Apoe、Trem2、Spp1）（Keren-Shaul等人，2017）。值得注意的是，这种转变是连续的，中间状态具有治疗窗口而非二进制切换（Gudkov等人，2023）。星形胶质细胞的异质性也促进了疾病的发展；单细胞转录组学显示存在两种类型的反应性星形胶质细胞：神经毒性（A1）和神经保护性（A2）亚型，但最新数据表明其反应性更为复杂（Gudkov等人，2023）。随着年龄增长，某些星形胶质细胞亚型无法维持血脑屏障的完整性和突触谷氨酸的调节，从而促进炎症性衰老（Behl等人，2024）。单核RNA测序（snRNA-seq）还揭示了特定神经元的脆弱性：例如，在内嗅皮层中，RORB阳性的兴奋性细胞在AD中较早受到影响，这并非由于普遍的神经元丢失（Chen等人，2024；Stranahan和Mattson，2010）。在神经元死亡前确定其分子信号有助于寻找提高神经元抵抗力的靶点。空间和单细胞组学结合了神经科学、基因组学和计算生物学，是衰老研究和精准神经病理学的未来方向（Chen等人，2024）。客观和中立的生物标志物发现变得尤为重要：基于空间分辨的DNA甲基化和组蛋白修饰层次可以用来根据患者的不同分子病理而非表面临床表型进行分层（Behl等人，2024）。在AD中表达模式具有高度脑稳定性和区域特异性的环状RNA是新型生物标志物的例子（Huang等人，2020）。正在发展的多模态、空间分辨的大脑图谱整合了转录组学、蛋白质组学、代谢组学和神经成像技术，以构建能够预测个体疾病进展的数字模型，这得益于独特的细胞结构和疾病易感性（Jin等人，2024）。将大脑视为动态相互作用系统的网络医学需要这种系统层面的知识。要实现这一目标，必须克服重大障碍：需要复杂的计算基础设施来整合、存储和分析高维数据，并在各种光谱平台（如Visium、Xenium、MERFISH）之间建立标准化协议，以确保结果的可重复性和可比性（Chen等人，2024）。然而，对大脑的空间和分子解析逐渐揭示了神经退行性疾病的机制异质性，为开发比现有疾病修饰疗法更复杂的精准治疗手段提供了基础。

**结论**
衰老和神经退行性疾病是分子、细胞和空间层面复杂相互作用的结果，传统批量分析方法无法充分理解这些过程。新的高分辨率转录组学技术现在可以用于在细胞和组织层面研究这些过程，为理解细胞和空间数据之间的相互作用如何重新定义衰老神经病理学的研究奠定了基础。

**部分摘录**
**范式转变：空间转录组学与单细胞转录组学在衰老和神经退行性疾病中的协同作用**
该领域长期以来依赖还原论方法，虽然这些方法在检测疾病（如AD中的淀粉样斑块或PD中的路易小体）的粗略病理指标方面很有用，但不足以深入研究这些疾病背后的细胞生态系统。最近，单细胞RNA测序（scRNA-seq）与空间分辨转录组学（SRT）的结合引发了范式转变。这种协同作用使得……

**与衰老相关的单细胞和空间平台**
空间转录组学技术彻底改变了神经退行性疾病的研究，因为它能够在自然组织框架内分析数百万个单个细胞。这种范式转变不再局限于组织观察，而是提出了以前无法回答的问题，例如在AD中小胶质细胞的转录状态如何随着与淀粉样斑块的接近程度而变化，以及神经元的各种分子特征是什么……

**NDDs中细胞异质性和微环境病理的空间映射**
传统的批量转录组学和神经病理学一直掩盖了病理损伤、细胞功能障碍和区域脆弱性之间的空间相互作用。空间分辨转录组学（SRT）现在能够在解剖学背景下同时测量基因表达，揭示与病理负担相关的层特异性、区域特异性和细胞类型特异性的转录失调，这对于理解神经退行性疾病的机制至关重要……

**定义衰老和NDD研究中的空间-细胞生物标志物及发现流程**
空间-细胞生物标志物不仅是基于其丰度定义的分子特征，还取决于它们在哪些细胞中发生改变，以及这些变化如何与疾病机制和临床轨迹相关。从概念上讲，它们具有五个核心属性：（1）特定解剖区域、皮层层或微环境的空间限制；（2）细胞类型特异性，即改变的表达仅限于特定的神经元或胶质细胞群体；……

**多组学整合将空间微环境与衰老表型和临床结果联系起来**
空间转录组学与互补的高维分子层次的结合代表了神经退行性疾病研究中的根本性范式转变，能够在保持天然组织结构的同时，同时分析基因组、转录组、蛋白质组、表观基因组、代谢组和脂质组维度（Miyoshi等人）。Miyoshi等人将空间转录组学与单核RNA测序结合，用于散发性AD和唐氏综合征相关AD皮层的研究……

**临床转化和实施挑战**
疾病修饰疗法和基于血液的生物标志物正在将阿尔茨海默病（AD）及相关痴呆症从单纯的症状护理转变为针对机制的干预和风险分层管理（Janelidze等人，2020；Pascoal等人，2024）。然而，将这些研究成果转化为常规临床护理仍然受到复杂的监管、实施以及从试验设计到整个治疗过程中的全球公平性挑战的制约。如今，大规模、全球协调的联盟对于神经退行性疾病的生物标志物和治疗发现至关重要，它们能够对具有高度表型多样性的群体进行超高效蛋白质组学和多组学分析，这是单个中心无法独自完成的（Hawrylycz等人，2011年；Huber等人，2025b年；Imam等人，2025年；Wang等人，2024年）。然而，大多数证据仍然主要来自欧洲的高收入人群，这引发了关于将研究结果推广到其他地区的担忧。

未引用的参考文献（Li和Zhang，无日期；Li等人，2022年；Sofroniew等人，无日期；Wang等人，2023年；Wang等人，2023年；Zhang等人，2023年）

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
我们想感谢德里技术大学的高层管理人员一直以来的支持和指导。A.L. 感谢印度政府生物技术部门提供的初级研究奖学金（编号：#DBT/2025-26/DTU/2821）。N.S. 正在德里技术大学攻读博士学位。资助方在本手稿的设计、构思和准备过程中没有发挥任何作用。