人脑动脉瘤中的脑血管脆弱性与纤维化

《Nature Neuroscience》：Cerebrovascular vulnerability and fibrosis in human brain aneurysms

　　

脑动脉瘤是一种导致严重卒中亚型的脑血管疾病。其形成与破裂过程中的细胞特异性分子病理机制尚不清楚。研究人员对227,663个神经血管细胞进行了图谱分析，其中包括52,946个动脉瘤细胞，这些细胞来自14例成人脑动脉瘤和11条对照血管。人脑动脉瘤图谱以及细胞分辨率的空间转录组学分析揭示，病理性脑血管重塑伴随着结构性支撑作用的平滑肌细胞（SMCs）丢失以及活化周血管成纤维细胞的涌现，后者重新填充血管壁并表达多个与动脉瘤风险相关的基因。纤维化改变与成纤维细胞-髓系细胞信号通路以及一类特化巨噬细胞的浸润相伴随，这类巨噬细胞在非动脉瘤性脑血管中极少被检测到，且表达具有血管去稳定化作用的细胞程序。因此，研究人员揭示了脑血管纤维化与髓系炎症在疾病进展过程中存在未被认识的相互作用，极大地深化了对这一毁灭性脑血管疾病细胞驱动因素和机制的理解，将促进转化医学的发展。

脑动脉瘤是导致严重出血性卒中的重要脑血管疾病，其形成与破裂涉及复杂的细胞和分子病理机制，但既往研究对此认识有限。目前已知脑动脉瘤的发生与血管平滑肌细胞丢失、细胞外基质（ECM）蛋白降解以及遗传和环境因素相关，但不同细胞类型在疾病进展中的具体分子变化仍不完全清楚。特别是，纤维化作为脑动脉瘤的重要病理特征，其细胞来源和分子机制此前未被充分探索；同时，免疫炎症细胞在动脉瘤壁中的浸润规律及其与血管重塑的交互作用也有待阐明。明确这些细胞和分子机制对于开发针对性的治疗策略至关重要，因为目前脑动脉瘤的治疗仍局限于观察等待或高风险的手术干预。基于此，研究人员利用单细胞和空间转录组学技术，系统解析了人脑动脉瘤的细胞景观和分子特征，相关成果发表于《Nature Neuroscience》。

研究样本来源于四个大型神经外科中心的14例成人未破裂脑动脉瘤患者及11例对照血管，后者包括术中获取的软脑膜皮质血管和尸检获得的非动脉瘤性Willis环动脉。为克服动脉瘤组织样本量微小的技术挑战，研究人员联合应用了单细胞RNA测序（scRNA-seq）、单核RNA测序（snRNA-seq）以及10x Genomics Xenium和Slide-seq平台的空间转录组学技术，并对公共数据库中的批量RNA测序数据进行了整合分析。

**脑血管细胞类型特异性改变**

研究人员首先通过细胞图谱比较发现，脑动脉瘤中特定血管细胞群显著减少，尤其是平滑肌细胞数量明显下降，而POSTN⁺周血管成纤维细胞（aFB）在动脉瘤中选择性涌现，并替代了血管壁中原本由平滑肌细胞占据的位置。转录组影响评分分析显示，周血管成纤维细胞和平滑肌细胞是受动脉瘤病理影响最大的细胞群体。活化周血管成纤维细胞上调多种促纤维化ECM基因，包括COL3A1和SPARC等，同时下调血管稳定相关通路基因。空间转录组学和免疫染色证实了POSTN⁺周血管成纤维细胞在动脉瘤中膜层的显著富集。

**脑动脉瘤遗传风险的血管细胞贡献**

研究人员整合全基因组关联研究（GWAS）数据，发现除已知的内皮细胞风险基因SOX17和FDG外，多个脑动脉瘤风险基因在POSTN⁺周血管成纤维细胞中富集表达，包括BCAR1、PSMA4和P4HA2。MAGMA和scPagwas两种互补的基因组学方法均识别出POSTN⁺周血管成纤维细胞和平滑肌细胞与脑动脉瘤遗传风险显著相关，表明这两种周血管细胞类型对动脉瘤遗传易感性具有重要贡献。

**脑动脉瘤中的成纤维细胞活化**

研究证实了POSTN⁺周血管成纤维细胞的活化状态，其表达已建立的成纤维细胞活化转录特征，并在功能上富集于免疫应答和伤口修复通路，同时还涉及血管钙化相关过程。伪时间分析揭示了从静息状态到活化状态，再到肌成纤维细胞样状态的转录连续体。早期基因模块与免疫应答相关（如SFRP2和FAP），后期模块则与肌源性和收缩性基因相关。转录因子分析鉴定出GLIS2作为POSTN⁺周血管成纤维细胞中最富集的转录因子，过表达实验证实GLIS2可诱导原代脑周血管成纤维细胞呈现活化基因特征。细胞间通讯分析显示，活化周血管成纤维细胞是脑动脉瘤中细胞通讯的最强贡献者，与髓系细胞存在增强的交互作用，其中MIF-CD74信号通路被确定为最显著失调的 outgoing 配体-受体对。

**炎症与脑动脉瘤中的特化髓系细胞**

研究人员鉴定出一种先前未在脑血管中被描述的ACP5⁺巨噬细胞（aM?）群体，其在脑动脉瘤中大量增加，表达酒石酸抗性酸性磷酸酶（TRAcP，由ACP5编码）和CD68。该群体在转录组上与破骨细胞相似，但免疫染色证实其为单核细胞。ACP5⁺巨噬细胞表达多种ECM降解蛋白和平滑肌细胞死亡诱导因子，如MMP9和SPP1。功能实验表明，重组MIF蛋白可通过CD74受体诱导原代人类巨噬细胞表达ACP5和MMP9，空间最近邻分析支持该通讯轴的空间可行性。

**动脉瘤破裂与蛛网膜下腔出血**

通过批量RNA测序反卷积分析，研究人员发现ACP5⁺巨噬细胞在未破裂动脉瘤中已显著增加，而在破裂动脉瘤中进一步富集，同时平滑肌细胞持续减少。Scissor算法整合分析确认，与破裂相关的细胞主要富集于ACP5⁺巨噬细胞群体，这些破裂相关巨噬细胞在功能上富集于促炎信号程序。疾病严重程度伪时间分析揭示了疾病进展过程中的动态细胞变化：POSTN⁺周血管成纤维细胞在未破裂动脉瘤阶段即达峰值，而ACP5⁺巨噬细胞在后期增加并与破裂相关。

**讨论与结论**

该研究构建了迄今最全面的人脑动脉瘤细胞图谱，揭示了脑血管纤维化和髓系炎症在疾病进展中的关键作用。研究人员发现POSTN⁺周血管成纤维细胞的涌现替代了平滑肌细胞的结构支撑功能，可能导致血管壁力学特性向胶原主导转变，增加僵硬度并降低抗破裂能力。同时，GLIS2转录因子被确定为该活化的关键调控因素，其与常染色体显性多囊肾病相关脑动脉瘤风险的关联为研究结果提供了独立验证。此外，研究人员还鉴定了ACP5⁺巨噬细胞这一特化免疫细胞群体，并建立了其与活化周血管成纤维细胞的MIF-CD74通讯轴，该轴可能驱动炎症-纤维化恶性循环。

研究结论指出：研究人员揭示了人脑动脉瘤进展过程中脑血管纤维化与髓系炎症之间此前未被认识的相互作用，POSTN⁺周血管成纤维细胞和ACP5⁺巨噬细胞作为关键的细胞驱动因素，其动态变化贯穿疾病从发生到破裂的全过程。这一分子蓝图极大地拓展了对脑动脉瘤机制的理解，并为开发新型治疗策略提供了具有转化潜力的细胞和分子靶点。