Cell：内皮细胞和壁细胞的组合促进产前人脑血管生成

越来越多的人认识到，血管系统在健康和疾病中影响大脑功能。内皮细胞和壁细胞构成了血管的主要结构和功能成分。内皮细胞形成血管管腔，也分泌影响小鼠大脑神经发生的因素。壁细胞包括平滑肌细胞和周细胞，位于内皮细胞的外部。它们对于血脑屏障(BBB)和神经血管耦合的形成至关重要。

脑内皮细胞被认为起源于脑实质外的神经周围血管丛，而壁细胞的个体发生仍然有待进一步明确。尽管最近的研究结果已经阐明了血管细胞对大脑衰老和神经退化的贡献，但我们还是缺乏对产前大脑血管细胞发育阶段的全面了解。

2022年9月29日，美国加州大学旧金山分校的Eric J. Huang课题组在Cell杂志上发表了题为“Ensembles of endothelial and mural cells promote angiogenesis in prenatal human brain”的研究论文，该研究揭示了人类大脑初生血管中不同内皮细胞和壁细胞的转录组学与功能特性，以及人类大脑发育中的血管轨迹和异质性。

研究结果

1. 产前人类大脑中的血管生成

为了研究产前人类大脑中的血管生成，作者使用aCD31抗体标记内皮细胞，使用NG2和PDGFR-b抗体识别大脑皮层中的壁细胞，包括大脑皮层、心室区/心室下区(VZ/SVZ)区域和大脑皮层下，包括妊娠14~39周(GW)的神经节突起(GE)(图1A、1B)。鉴于大脑皮层inVZ/SVZ和大脑皮层下GE存在活跃的神经发生，作者根据与脑室的距离将这些区域划分为三个区域。第1区由Nestin和PDGFR-β表达定义，包括最大100 µm的VZ和SVZ，含有丰富的放射状胶质细胞。第2区距离VZ/SVZ约100~1µm，未成熟神经元密集堆积。最后，区域3在区域2远端定义了500µm区域(图1C)。

结果表明，在14–17GW时，区域1确实比区域2-3包含更多的分支点(图1H)。此外，在14–17GW,1区比3区含有更多的Ki-67+内皮细胞(Ki-67+;CD31+)和壁细胞(Ki-67+;PDGFR-β+)(图1I-1K)。这些发现表明，产前人类大脑的神经源性脑室也是高度血管生成的。

 图1：产前人脑生发基质脑室周围区域的血管生成

2. 分析妊娠中期的脑血管细胞

为了研究妊娠中期血管发育的阶段特征，作者采用了一种基于流式细胞仪的策略来纯化内皮细胞和壁细胞。流式细胞仪证实了这些标记物分离不同内皮细胞群 (CD45;CD31 +;和ANPEP)和壁细胞群(CD45;CD31;和ANPEP+)的有效性(图2A)。

结果显示，总的来说，我们收集了来自7个样本(每个区域2个)的147,228个细胞的数据，每个细胞平均读取96,778个reads，测序深度为1468个基因，每个细胞有122,798个独特的分子。通过UMAP对这些样本的scRNA -seq数据进行可视化，发现内皮细胞和壁细胞明显分离。内皮细胞表达PECAM1、CD34和TIE1，壁细胞ANPEP、PDGFRB和RGS5，与预期一致(图2E和2F)。

图2：孕中期胎儿大脑内皮细胞和壁细胞的单细胞转录组学结果

3. 内皮细胞的发育轨迹

无偏聚类鉴定了15–23GW产前人类大脑内皮细胞的五种亚型，包括有丝分裂、静脉分裂、毛细血管分裂、尖端细胞分裂和动脉分裂(图3A、3B)。接下来，作者使用RNA velocity分析内皮细胞的scRNA-seq数据，以解读不同细胞簇及其发育轨迹之间的关系。结果表明，在15GW时，有丝分裂的内皮细胞产生静脉内皮细胞，然后发展到由毛细血管内皮细胞和尖端细胞组成的中间阶段，最后终止为动脉内皮细胞(图3D)。

图3：人类大脑中初生血管内皮细胞的发展

4.产前人类大脑的壁细胞发育

作者对scRNA-seq数据集进行无偏聚类，确定了壁细胞的四种亚型，包括平滑肌细胞、经典周细胞、成纤维细胞和有丝分裂壁细胞(图4A、4B)。在15-23GW的GE和皮质中检测到所有四种亚型(图4A)。有丝分裂壁细胞表达细胞周期相关基因，包括AURKB、NUF2、BIRC5、KIF20B、UBE2C和HHMR，这些基因定义了细胞周期、细胞周期过程调控和AuroraB途径等GO术语(图4B、4C)。接下来，作者使用RNA速度分析了壁细胞的成熟轨迹，显示了15GW时壁细胞的三种不同的细胞成熟状态，从有丝分裂的壁细胞(棕色，UBE2C+和BIRC5+)开始，向非增殖的平滑肌细胞(红色，MYL9+和TAGLN+)发展，最后到经典周细胞(蓝色，ATP1A2+和KCNJ8+)(图4D)。

图4：人类大脑中期时初生血管系统中壁细胞的发育

综上所述，本研究结果支持了这样一种模型，即妊娠中期血管系统的发育由一系列不同的内皮细胞和壁细胞亚型组成。该研究结果也为内皮细胞的发育轨迹是由内在程序指导，并且可以受到特定亚型的环境信号影响提供了证据。scRNA-seq数据集揭示了另一个有趣的结果，即孕中期的早期阶段，内皮细胞显示出更多与氧化磷酸化相关的转录本，支持了该时期内皮细胞可能上调与氧化磷酸化相关的基因表达，以补偿较小的线粒体团。