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文献解析|且看Xenium技术如何助攻神经科学研究

作者:上海伯豪生物技术有限公司 2023-11-27T00:00 (访问量:10530)

自伯豪推出最新单细胞空间转录组技术——Xenium原位分析技术,我们已经分享了Xenium原位分析的技术原理,技术特点,样本制备,以及首篇文献案例解读。今天给大家分享另外一篇文献案例,详细解析如何通过Xenium技术探究多发性硬化症疾病进展的动态空间细胞图谱(目前Xenium技术仅发表两篇文章,技术红利期不容错过!)。文章标题:Single cell-resolution in situ sequencing elucidates spatial dynamics of multiple sclerosis lesion and disease evolution。

研究背景

多发性硬化症(MS)是一种原发于中枢神经系统的炎症性脱髓鞘疾病,会影响中枢神经系统(CNS)的不同解剖区域,包括大脑、脊髓的白质(WM)和灰质(GM)。对动物进行髓鞘蛋白免疫构建的实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)疾病模型与人类MS在临床、生化、免疫及病理等诸多方面具有相同的特征, 是MS理想的动物模型。

目前已有研究基于单细胞和单核RNA测序技术深入挖掘了MS和EAE中神经元、胶质细胞、血管细胞等各个细胞类型的转录差异,但缺乏在整个疾病过程中的真实细胞丰度、空间分布和细胞间相互作用的了解。

 

研究思路

该研究先使用单细胞原位测序技术(ISS)对EAE及对照小鼠不同疾病阶段(疾病高峰期和疾病晚期),不同解剖区域(脑、颈部脊髓、胸部脊髓、腰部脊髓)进行了检测,获得了MS病变过程中的时空动态图谱。然后利用Xenium原位杂交技术检测两个MS患者(病理注释为活动性和非活动性损伤)的人颈部脊髓组织,以前所未有的分辨率建立MS病变发展和进展的空间细胞谱。

 

研究结果

1. 原位测序(ISS)解析EAE中的主要细胞群和状态

在对照、高峰期和晚期EAE样本的所有选定解剖区域进行ISS分析后,共检测到499,978个细胞,通过层级聚类和细胞注释,得到41个细胞类群。然后,作者对注释到的神经元,胶质细胞,免疫细胞等主要的细胞群进行亚群细分,并发现有些独特的细胞亚群表现出对特定解剖区域的空间偏好。

2. 探究EAE小鼠不同病理区室的细胞组成和免疫及炎症特征

作者首先在空间上绘制并量化了腰椎、胸椎和颈椎脊髓和大脑中免疫细胞组成和占比,发现高峰期EAE脊髓内的免疫浸润从脊髓尾部到头部逐渐减轻,但大脑中存在明显的免疫浸润。接下来作者分别对高峰期EAE,晚期EAE和对照组的细胞进行邻域分析,然后聚类注释得到不同的生理病理区域,最后对得到的各个区域内细胞组成及占比,免疫浸润及炎症情况进行详细的描述与比较。

3. 探究疾病相关的神经胶质细胞的转录组特征及空间互作

在解析不同病理区域详细特征的过程中,作者将目标锁定到了疾病相关胶质细胞(DA-glial)。因此,作者进一步对高峰期和晚期EAE的DA-glial的转录组特征,空间分布,以及与其它细胞的互作关系进行了深入的挖掘。

4. Xenium技术构建人类MS的空间细胞图谱

为了将EAE发现与多发性硬化症(MS)患者的脊髓病理相关联,作者对两个注释为活动性和非活动性损伤的人颈脊髓切片进行了Xenium单细胞原位检测。Xenium技术使用了有着266个基因的人脑基因panel进行靶向检测。共鉴定了240,372个细胞,这些细胞平均表达144±95个转录本。根据聚类分群和注释结果,确定了38种细胞群,包括主要的胶质细胞(星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和雪旺细胞)、免疫细胞(巨噬细胞、淋巴细胞)、神经元、血管和室管膜细胞。其中一些细胞类型具有空间偏好性,比如灰质(GM)富集较多的神经元和血管软脑膜细胞。此外,星形胶质细胞和少突胶质细胞亚群MOL_Opalin偏好分布在GM中,而少突胶质细胞亚群MOL_Klk偏好分布在白质(WM)中。推测GM和WM的特异环境可以诱导不同的少突胶质细胞状态,或者这些区域内的神经元需要特定的少突胶质细胞的支持。

5. 解析人类MS的特定空间病变区域的病理变化

接下来,作者基于Xenium数据进行领域分析获得不同的病理区域,再进一步注释各个区域的特征。结果识别出九个成分和空间上不同的病变区域,与病理评估高度一致,且发现了新的病理区域。该结果表明Xenium技术具有识别组织学发现不了的病理变化的能力。最后将小鼠EAE的区域特征结果与人类MS样本数据联合,发现小鼠EAE和人类MS样本中某些神经胶质细胞的状态和分布是类似的。

这篇文章利用Xenium技术,选择人脑panel中266个基因对多发性硬化症的颈脊髓样本进行靶向检测,进而构建单细胞分辨率的细胞空间图谱。在数据分析部分,没有复杂的多种数据联合分析,而是仅基于Xenium数据,识别患者组织切片中的不同病理区域,进而再深入探究各个区域的细胞组成和转录特征。

这篇文章可以作为独立使用Xenium原位分析技术进行研究的案例模板了,当然,还是强烈建议Xenium原位分析技术与单细胞测序及空间转录组测序强强联合,从而能够更高分辨率,更深入,更精准地解析组织的空间异质性。详细的研究思路及案例解析见:Xenium空间原位分析高端局——从文献解析到研究思路大揭秘

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