项目文章Science：欧易单细胞转录组助力首次验证神经疾病研究

摘要：2025年7月10日，复旦大学脑科学转化研究院彭勃、饶艳霞团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院曹立团队合作，在Science（IF45.8）上发表题为”Microglia replacement halts the progression of micro

前言

2025年7月10日，复旦大学脑科学转化研究院彭勃、饶艳霞团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院曹立团队合作，在Science（IF45.8）上发表题为”Microglia replacement halts the progression of microgliopathy in mice and humans“的论文，首次证实传统骨髓移植（tBMT）通过替换致病性CSF1R突变的小胶质细胞，可有效阻断成人起病的脑白质病伴轴索球样变和色素胶质细胞（ALSP）的疾病进展。为这种既往无药可医的致命性疾病提供了有效的治疗策略。这一突破不仅为ALSP患者带来生机，更为小胶质细胞功能障碍相关的中枢神经系统疾病开辟了新治疗方向。欧易生物为单细胞转录组测序提供了服务。

发表期刊：Science

影响因子：45.8

涉及的欧易生物服务产品：单细胞转录组测序

研究背景

小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）关键的免疫细胞，其功能障碍可引发多种CNS疾病。基因主要在小胶质细胞表达，对其存活和功能至关重要。双等位基因突变导致小胶质细胞先天性缺失，在人类和小鼠中均为围产期致死；而单等位基因突变则引起CSF1R相关小胶质细胞病（CAMP），这是成人起病的脑白质病伴轴索球样变和色素胶质细胞（ALSP）的主要形式，目前尚无有效疗法。鉴于致病突变存在于小胶质细胞特异的基因，使用野生型（WT）小胶质细胞替换缺陷细胞可能阻止ALSP进展。作者前期开发了高效小胶质细胞替换策略（现统称为MISTER），验证其对ALSP的治疗潜力也可能惠及其他存在小胶质细胞功能障碍的中枢神经系统疾病的治疗。

研究内容

本研究通过构建新型ALSP小鼠模型（CSF1R和CSF1R），首次利用致病性突变导致的细胞竞争劣势，实现传统骨髓移植（tBMT）对缺陷小胶质细胞的高效替换。通过scRNA-seq揭示替换后野生型小胶质细胞重塑CSF1R下游信号通路，并驱动少突胶质细胞表型逆转，同时证实CCR2信号是替换的必要条件。临床研究显示，tBMT介导的小胶质细胞替换在8例ALSP患者中显著提升脑葡萄糖代谢，并在24个月内完全阻止疾病进展，为目前致死性神经系统疾病提供了首个有效疗法，并为其余小胶质细胞相关疾病开辟新路径。

研究思路

研究结果

Result1 生成模拟人类ALSP症状的CAMP模型

适当的动物模型是研究ALSP的先决条件。本研究作者成功构建了两种新型 CSF1R 基因突变小鼠模型（CSF1R和CSF1R），精准模拟了人类 ALSP的核心病理特征：小胶质细胞数量显著减少、典型神经病理三联征（脑室周围钙化、髓鞘结构异常、轴突损伤）以及运动功能障碍和认衰退，且病理定位（如钙化集中于脑室周围）与人类患者高度一致，为后续机制研究和治疗干预提供了理想平台。

Result2 MrBMT纠正致病基因并减轻ALSP小鼠疾病进展

作者通过Mr BMT将I792T小鼠的缺陷小胶质细胞替换为β-actin-绿色荧光蛋白（GFP）小鼠的正常细胞（图1A），发现91.15%的I792T ALSP小鼠小胶质细胞被GFP⁺细胞替换且ALSP中减少的小胶质细胞数量增加（图1B）。随着正常小胶质细胞的替代，髓鞘病理得到缓解，包括正常髓鞘化轴突数量增加、高或低髓鞘化轴突百分比降低及G-比值改善（图1C）。此外，轴突肿胀和球样体得到挽救（图1D-E），钙化未减少（图1F）。为探究髓鞘和轴突超微结构的保留是否能改善神经信号传导，作者电刺激一侧胼胝体并在另一侧记录复合动作电位（CAP），发现Mr BMT纠正缺陷变异成功减轻了I792T小鼠的ALSP病理并改善了神经信号传导（图1G）。为检验Mr BMT的病理缓解是否能改善I792T小鼠的运动和认知表现，作者在3-16月龄小鼠中进行了多项行为测试，包括平衡木、转棒、后肢抓握、NOR和Y迷宫测试，与未处理的I792T小鼠相比，接受Mr BMT治疗的I792T小鼠表现出更好的运动和认知表现（图1H-L）。

图1 MrBMT纠正致病基因并减轻ALSP小鼠疾病进展

作为额外对照，作者用相同基因型的I792T供体细胞替换I792T小鼠的小胶质细胞（不涉及基因纠正）（图2A）。在此情况下，无基因纠正的Mr BMT在ALSP小鼠中未显示治疗效果（图2B-I）。这部分研究结果证明，通过Mr BMT纠正致病基因可有效挽救ALSP小鼠的脑病理变化、运动障碍和认知衰退。

图2 MR BMT的治疗作用归因于基因校正，不依赖于条件方法

Result3 CCR2信号是小胶质细胞替换所必需的

作者先前的研究表明小胶质细胞替换可能由CCR2信号驱动，所以，作者使用CCR2⁻/⁻骨髓细胞作为供体细胞，CX3CR1/小鼠作为受体进行Mr BMT。治疗一个月后，脑中仅检测到极少量被替换的小胶质细胞（GFP IBA1⁺），表明CCR2信号通路是小胶质细胞替换所必需的。

Result4 小胶质细胞替换重塑CSF1R信号传导并使少突胶质细胞恢复至更接近正常的表型

为深入表征Mr BMT的影响，作者收集了WT、未处理I792T和Mr BMT处理的I792T小鼠的脑组织进行scRNA-seq（图3A）。小鼠脑中鉴定出14种细胞类型，包括多个小胶质细胞/巨噬细胞簇（图3B-C）。由于缺陷小胶质细胞是ALSP的致病细胞，作者首先比较了CSF1R功能的差异，发现短期和长期Mr BMT的基因纠正均降低了I792T小鼠的过度自磷酸化（图3D）。接下来，作者们检测了CSF1R信号传导的下游靶点基因表达情况，参与CSF1R下游信号传导的基因在未处理I792T小胶质细胞中表达失调，小胶质细胞替换后，CSF1R信号在正常的Mr BMT细胞中几乎完全恢复，所有上调基因均被纠正，5个下调基因中有4个被纠正（图3E）。正常与缺陷小胶质细胞之间的差异基因富集分析结果显示，若干生物过程与ALSP病理相关，包括轴突发生、神经元死亡、轴突髓鞘形成调控、髓鞘形成调控和免疫系统过程负调控（图3F），CSF1R再激活后，这些通路被重塑（图3G），表明Mr BMT的治疗效果可能由这些过程介导。作者进一步比较了不同小胶质细胞对少突胶质细胞亚群的影响（图3H）。I792T小鼠的少突胶质细胞主要位于与WT小鼠不同的簇中（图3H-I）。我们将这些簇命名为ALSP主导簇和正常主导簇（图3I-J）。在未处理I792T小鼠中，61.47%的少突胶质细胞位于ALSP主导簇，MBT治疗后，I792T小鼠中62.86%位于正常主导簇（图3J-K），表明MBT的基因纠正可能使少突胶质细胞恢复至更接近正常的表型。

图3 小胶质细胞替换重塑CSF1R信号传导并使少突胶质细胞恢复至更接近正常的表型

Result5 ALSP中tBMT的替换效率与Mr BMT相似

为检验正常与缺陷小胶质细胞间的细胞竞争，作者将等量的GFP⁺ WT小胶质细胞和GFP⁻ I792T细胞注射入无小胶质细胞的FIRE小鼠脑侧脑室。注射21天后，发现GFP⁺ WT小胶质细胞竞争胜过GFPI792T细胞，表明，缺陷可能降低ALSP小胶质细胞相对于WT供体细胞的竞争力。作者进一步对I792T小鼠进行了tBMT（图4A）。发现通过tBMT，84.08%的小胶质细胞被GFP⁺细胞替换（图4B），表明由于缺陷，tBMT在ALSP小鼠中的小胶质细胞替换效率与Mr BMT相似。

图4 tBM纠正致病基因并减轻ALSP小鼠疾病进展

Result6 tBMT实现的小胶质细胞替换纠正致病基因并减轻ALSP小鼠疾病进展

tBMT纠正后，减少的小胶质细胞数量增加（图4B）。与Mr BMT的治疗效果相似，tBMT减轻了I792T小鼠的髓鞘病理（图4C），轴突肿胀和球样体得到缓解（图4D-E），tBMT未减少钙化（图4F）。表明，通过tBMT介导的小胶质细胞替换纠正Csf1r缺陷变异，有效减轻了I792T小鼠脑中的ALSP病理，效果与Mr BMT相当。作者进一步探究了tBMT介导的ALSP相关脑病理变化缓解是否能改善小鼠的运动和认知功能，结果显示与未处理I792T小鼠相比，接受tBMT的I792T小鼠表现出运动功能改善，以及12月龄NOR测试中的识别记忆改善（图4G-K）。综上所述，缺陷导致细胞竞争劣势。在此情况下，tBMT可作为MISTER方法，有效替换缺陷ALSP小鼠的小胶质细胞，从而纠正致病变异，有效减轻脑病理变化的发展并改善运动和认知功能。

Result7 治疗效果源于小胶质细胞替换而非外周巨噬细胞

Mr BMT和tBMT不仅替换ALSP小鼠的脑小胶质细胞，也替换外周巨噬细胞。为排除外周机制对治疗效果的贡献，作者通过头部屏蔽（HS）辐照方法应用tBMT（图5A），该方法使脑小胶质细胞不受tBMT影响，而外周巨噬细胞被替换（图5B）。结果表明，替换外周巨噬细胞未挽救ALSP小鼠的脑病理（图5B-C）。对于脑功能，HS tBMT治疗未改善运动能力的同时还增加了I792T小鼠在平衡木测试中的滑倒次数和通过时间，加剧了运动障碍（图5D）。此外，HS tBMT未改善I792T小鼠的认知功能（图5E）。这些结果表明治疗效果可能并非源于外周巨噬细胞的替换。

图5 治疗效果源于小胶质细胞替换而非外周巨噬细胞

Result8 小胶质细胞替换后I792T小鼠与tBMT后人类ALSP患者均观察到一致的PET成像模式

随后作者启动了临床试验，对8例携带CSF1R突变的ALSP患者实施传统骨髓移植（tBMT），通过静脉输注HLA匹配供体的CD34⁺骨髓细胞（图6A），并利用F-FDG PET无创监测脑内小胶质细胞替换效果。4名ALSP个体在tBMT前后进行了F-FDG PET成像，tBMT后12个月，所有个体脑内均显示F-FDG信号增加（图6B）。不同脑区的F-FDG信号比较结果显示29个脑区中，有23个区域显示tBMT后ALSP个体的F-FDG信号高于tBMT前（图6C）。这些结果表明tBMT可能在人类ALSP个体中实现小胶质细胞替换，如同在ALSP小鼠中一样。

图6 传统骨髓移植（tBMT）可增强ALSP患者脑部的F-FDG信号，并有效延缓脑部病理进展、运动障碍及认知衰退。

Result9 小胶质细胞替换阻止ALSP个体脑病理进展、运动障碍和认知衰退

最后，作者探究小胶质细胞替换能否在临床上阻止或减轻人类ALSP的进展。MRI影像学显示：tBMT组在24个月随访期内皮质与胼胝体萎缩停止（T1序列，图6D），脑室周围白质高信号未增加（T2-FLAIR/DWI序列，图6D），Sundal MRI严重程度评分（SSS）维持基线水平（图6E），而未治疗组在12个月内即出现萎缩加剧、白质病变扩展及SSS评分显著恶化（图6D-E），说明小胶质细胞替换可阻止ALSP个体的脑病理进展。功能评估证实：首先与健康个体相比，ALSP个体表现出运动障碍降，表现为更高的UPDRS-III评分和更低的ADL评分，相比之下，替换后24个月随访期间，ALSP个体的运动功能保持稳定（图6F-G）。此外未接受BMT的个体在24个月随访测试中显示认知功能下降，而接受tBMT的个体在替换后24个月随访期间认知功能稳定（图6H-I）。以上结果证明tBMT的小胶质细胞替换可减少或阻止ALSP个体的疾病进展发展。

研究总结

本研究结果表明，小胶质细胞替换有效地纠正了ALSP小鼠和人类中的致病性CSF1R突变，阻止了疾病进展并改善了神经功能。这些结果提供了令人信服的临床前和临床证据，支持小胶质细胞替换（MISTER）作为一种新开发的治疗策略，不仅适用于 ALSP，而且可能适用于其他具有小胶质细胞功能障碍的中枢神经系统疾病。

参考文献：

Jingying Wu et al. ,Microglia replacement halts the progression of microgliopathy in mice and humans.Science389,eadr1015(2025).DOI:10.1126/science.adr1015

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