在中枢神经系统（CNS）这个精密而复杂的“司令部”里，驻守着一群特殊的免疫哨兵——小胶质细胞（Microglia）。它们不仅是大脑的常驻免疫细胞，负责日常的“巡逻”和“清洁”，更是感知和响应任何病理变化的第一道防线。近年来，单细胞研究技术如雨后春笋般涌现，为我们揭示了小胶质细胞在发育、稳态和疾病状态下存在惊人的多样性。然而，一个根本性的谜团也随之浮现：在不同的大脑疾病中，比如阿尔茨海默病、多发性硬化症或脑肿瘤，小胶质细胞表现出的不同“面孔”，究竟是每种疾病独有的、特异性的“身份标识”，还是它们共享的、可塑的激活状态谱系中的不同“表情”？
这个问题之所以难以回答，是因为此前的研究存在诸多局限。各个实验室使用的技术平台、分析方法、小鼠品系乃至肠道微生物环境都存在差异，导致研究结果难以直接比较。人类研究则面临样本来源（尸检vs.活检）、处理方式（新鲜vs.固定）等带来的技术变异性。更重要的是，大多数研究的病理学范围有限，缺乏一个跨越多种疾病、在人和小鼠之间进行系统性比较的全面图谱。这就像试图用不同语言、不同标准绘制的零碎地图，去拼凑一张完整的全球地形图一样困难。因此，我们亟需一个统一、标准的框架，来对小胶质细胞的状态进行分类、比较和分层，从而理解它们在健康和疾病中的核心作用。
为了解决这些悬而未决的问题，一项宏大的研究在《Nature Immunology》上展开。研究人员雄心勃勃地试图绘制一份覆盖人与小鼠、跨越超过30种生理和病理条件的中枢神经系统髓系细胞全景图谱。他们采用一致的实验流程和计算分析方法，对超过一百万个细胞进行了单核RNA测序，并结合高分辨率的空间转录组学技术，旨在建立一个具有空间感知能力的、系统的免疫细胞分类学框架。这项研究不仅希望厘清小胶质细胞状态的保守性与特异性，更期望揭示这些细胞在组织中的空间组织方式以及与局部微环境的相互作用，并探索关键信号通路如何调控这些状态的转变。
研究人员综合运用了多项前沿技术来构建这一宏大的图谱。核心在于单核RNA测序，他们对来自212个高质量人类CNS样本（涵盖12种疾病及对照）和245个小鼠样本（涵盖18种疾病模型及对照）的细胞进行测序，建立了超过百万细胞的转录组数据库。为了在空间原位验证并映射这些转录组定义的细胞状态，他们采用了两种空间转录组学技术：一是靶向性的、亚细胞分辨率的CosMx空间分子成像（使用一个包含1,000个探针的髓系细胞聚焦面板），二是全转录组的Visium HD空间基因表达分析。此外，还利用成像质谱流式细胞术对特定蛋白标志物进行了验证。在功能机制探索上，他们使用了条件性基因敲除小鼠（如Cx3cr1CreERT2 介导的Ifnar1fl/fl 和Ifngr1fl/fl ）以及小分子抑制剂（如CSF-1R抑制剂），在实验性自身免疫性脑脊髓炎等模型中进行体内扰动，以评估特定信号通路对小胶质细胞状态的影响。
研究结果
人类CNS图谱中的超簇反映了髓系细胞的功能多样性
通过对约57.6万个人类CNS细胞进行单核RNA测序和聚类分析，研究人员建立了一个层次化的转录组分类学。他们共定义了192个转录学上独特的髓系细胞簇，包括149个小胶质细胞簇、10个CNS相关巨噬细胞簇和33个单核细胞来源的巨噬细胞簇。通过基于文献的基因集进行模块评分，这些簇被进一步归纳为8个主要的功能性“超簇”：监视、神经保护、吞噬、炎症、细胞因子产生、抗原呈递、干扰素（IFN）特征和增殖。分析发现，在所有的病理状态下，多个小胶质细胞超簇同时存在，表明这是一种激活状态的谱系，而非离散的疾病特异性表型。非稳态条件在所有脑区都一致地表现出比稳态条件下更大的小胶质细胞簇多样性。蛋白水平的成像质谱验证证实了这些转录定义的簇在原位存在。
人类CNS病理中的空间单细胞小胶质细胞簇
利用靶向空间转录组学（CosMx）对五种代表性人类病理（阿尔茨海默病、Aicardi–Goutières综合征、局灶性皮质发育不良、活动性多发性硬化症和胶质母细胞瘤）进行分析，实现了转录组定义的小胶质细胞簇的空间映射。结果显示，不同的小胶质细胞超簇和簇在病变组织中表现出疾病特异性和区域特异性的空间分布。例如，在阿尔茨海默病中，属于“吞噬”超簇的簇定位在淀粉样蛋白斑块附近；在局灶性皮质发育不良中，“细胞因子产生”超簇的簇聚集在畸形神经元周围。
人类CNS疾病中小胶质细胞的动态空间相互作用
通过分析空间转录组数据中的细胞邻域关系，研究人员发现，在对照组织中，小胶质细胞主要处于网络的边缘，呈弱交互的监视状态。而在疾病状态下，细胞互作网络发生了重组。例如，在多发性硬化症中，与“抗原呈递”超簇相关的小胶质细胞向网络中心移动，并与CD8+ 组织驻留记忆T细胞等外周免疫细胞强烈互作。这表明小胶质细胞的相互作用网络和伙伴会根据病理背景而变化。
小胶质细胞状态的基因组范围亚细胞空间图谱
应用全转录组Visium HD空间分析，研究人员能够在亚细胞分辨率上无偏地解析小胶质细胞超簇和簇。该方法成功重建了来自六个CNS区域和五种疾病的约9.6万个细胞的基因表达谱。空间映射揭示了离散的小胶质细胞簇与局部病理特征的密切关联，例如在阿尔茨海默病中，多个小胶质细胞簇在淀粉样蛋白-β斑块附近富集，进一步证实了转录组分类与原位病理学的关联。
小鼠髓系细胞分类学揭示了与人类保守的超簇
将相同的分析框架应用于小鼠，对约47万个细胞进行测序，建立了小鼠的CNS髓系细胞分类学。研究发现，小鼠的小胶质细胞同样可以归类为与人类保守的八个功能性超簇，表明核心的转录程序在物种间是保守的。然而，相对比例存在差异，例如小鼠的“炎症”和“神经保护”超簇比例更高。与非稳态条件相关的簇多样性在小鼠中也显著增加。
跨物种整合显示保守的小胶质细胞超簇
将人类和小鼠的小胶质细胞数据进行整合分析，发现所有主要的超簇在整合后都得以保留，证实了“监视”、“抗原呈递”、“吞噬”和“干扰素特征”等核心功能程序在物种间的保守性。然而，在簇的层面上，保守程度因背景而异。例如，小鼠实验性自身免疫性脑脊髓炎和多发性硬化症之间、小鼠Rnaset2-/- 模型和人类Aicardi–Goutières综合征之间的小胶质细胞状态显示出较高的相似性。
CSF-1R和干扰素信号塑造小胶质细胞超簇
通过体内扰动实验，研究人员探究了关键信号通路对小胶质细胞状态的影响。在实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中，使用小分子抑制剂抑制集落刺激因子1受体（CSF-1R）信号，或在小胶质细胞/ CNS相关巨噬细胞中条件性敲除I型或II型干扰素受体（IFNAR或IFNGR），能够显著改变特定小胶质细胞超簇的比例。例如，IFNGR的缺失会几乎消除实验性自身免疫性脑脊髓炎中的“抗原呈递”超簇，并减轻疾病严重程度。这些结果表明，CSF-1R、IFNAR和IFNGR信号通路以背景依赖的方式调节疾病相关的小胶质细胞超簇。
研究结论与意义
本研究通过构建一个整合的、高分辨率的中枢神经系统髓系细胞空间与转录组图谱，跨越人类疾病和小鼠模型，系统性地描绘了小胶质细胞状态的多样性与组织方式。其核心贡献在于提出了一个层次化的分类框架：将“超簇”定义为广泛的、保守的转录模块（如吞噬、干扰素应答），将“簇”解析为细粒度的、背景富集的子程序。这一框架调和了模块化与高分辨率视角下的小胶质细胞异质性，表明小胶质细胞对稳态破坏的响应是由一组有限的、共享的转录程序所支配，这些程序能够根据不同的病理背景进行灵活部署和特殊化。
研究揭示了小胶质细胞状态在很大程度上是区域非依赖性的，其多样性在非稳态条件下 across all brain regions 均会显著扩张。空间分析进一步表明，这些转录定义的状态会整合到局部组织架构中，形成特定的病理微环境，并从健康组织中的外周“哨兵”转变为疾病细胞网络中的核心“枢纽”。跨物种比较证实了多个核心功能程序的进化保守性，但也指出了物种间的差异，这为合理选择动物模型以研究人类疾病提供了重要依据。
最后，功能扰动实验直接证明了CSF-1R、I型和II型干扰素等保守信号通路如何背景依赖性地塑造小胶质细胞的状态轨迹，并影响疾病结局。这凸显了靶向中枢神经系统髓系细胞及其信号通路，以精确重塑小胶质细胞功能状态，从而改善中枢神经系统疾病转归的治疗潜力。总之，这项研究为理解中枢神经系统髓系细胞生物学提供了一个多层次的框架，为未来的机制探索、模型选择和治疗干预奠定了坚实的基础。
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