导语： 多发性硬化症（MS）是一种中枢神经系统的炎症性疾病，以髓鞘脱失和进行性神经退行性变为特征。尽管人们对MS的免疫病理机制已有较多了解，但不同白质病变类型如何起始、进展以及它们之间如何相互转化，仍然缺乏系统的分子层面理解。2024年11月5日，《自然·神经科学》发表了一项重要研究（2024年第27卷2341–2353页），来自荷兰格罗宁根大学医学中心、阿姆斯特丹UMC等机构的研究团队，利用10x Visium空间转录组学和Nanostring GeoMx数字空间分析技术，首次绘制了MS白质和灰质病变的高分辨率空间基因表达图谱，揭示了活动性病变边缘独特的分子特征，并构建了三种白质病变进展轨迹，为理解MS病变的动态演变和开发新的治疗策略提供了重要依据。

研究设计与技术方法

样本队列

研究团队从荷兰脑库获取了MS患者的尸检脑组织样本，包括：

• 白质样本：正常白质（NAWM）、活动性病变、混合活动/非活动性病变

• 灰质样本：正常灰质、皮层病变

• 对照样本：无神经系统疾病的对照白质和灰质

核心技术平台

白质病变的空间分子结构

识别病变特异性空间域

通过无监督聚类，研究团队在MS白质样本中识别出多个分子上 distinct 的空间域，这些域与传统的组织病理学分类高度一致：

关键发现：活动性病变的边缘（rim） 区域具有独特的转录组特征，与病变核心和周围NAWM明显不同。这一边缘表达GPNMB（糖蛋白非转移性黑色素瘤蛋白B）和S100A11，这两种基因在先前的研究中与MS病变的慢性活动性相关。

细胞类型去卷积揭示病变内细胞组成

利用已发表的MS单核RNA测序数据作为参考，研究团队对空间转录组斑点进行了细胞类型去卷积，发现：

• 活动性病变边缘：微glia/巨噬细胞比例最高，星形胶质细胞也富集

• 活动性病变核心：少突胶质细胞几乎消失，星形胶质细胞和小胶质细胞/巨噬细胞占主导

• 混合活动/非活动性病变核心：少突胶质细胞前体细胞（OPCs）比例相对较高（提示修复尝试），但成熟少突胶质细胞缺乏

• NAWM：细胞组成接近对照白质，但微glia已呈现轻度激活特征

病变进展的三种空间轨迹

研究团队使用拟时序分析（pseudotime analysis）和空间梯度分析，构建了从NAWM到不同类型病变的三种分子进展轨迹：

轨迹1：NAWM → 活动性病变

分子顺序：

1. 起始阶段（NAWM）：补体系统基因（C1QA, C1QB, C1QC）上调，可能反映早期免疫启动

2. 过渡阶段（病变边缘）：GPNMB、S100A11、APOC1、FTL和溶酶体/吞噬相关基因（LGMN, CTSB, CTSS）急剧上调

3. 终末阶段（病变核心）：热休克蛋白基因（HSP90AA1, HSPA1A, HSPA1B, CRYAB）和氧化应激相关基因表达增高，髓鞘基因降至最低

关键通路：NF-κB信号、TNF信号、吞噬体、溶酶体、抗原呈递

轨迹2：NAWM → 混合活动/非活动性病变

分子顺序：

1. 起始阶段（NAWM）：与轨迹1相似，补体基因上调

2. 过渡阶段（病变边缘）：炎症基因上调幅度低于活动性病变，S100A11表达较高但GPNMB相对较低

3. 终末阶段（病变核心）：炎症部分消退，但线粒体功能障碍（MT-ND基因下调）和代谢应激特征明显

关键差异：混合活动/非活动性病变的核心区域少突胶质细胞前体细胞（OPCs） 富集，但髓鞘再生相关基因（如MAG, MOG）表达极低，提示再生尝试失败。

轨迹3：NAWM → 灰质病变（皮层）

分子特征：

• 灰质病变中神经元基因（SNAP25, SYP, GRIN1）表达下降

• 微glia激活特征与白质病变不同，补体基因上调更为突出

• 星形胶质细胞反应相对较轻

临床意义：灰质病变与MS患者的认知障碍和进展性残疾密切相关，其分子特征提示神经元损伤可能是相对独立于白质炎症的过程。

活动性病变边缘的核心分子网络

研究团队使用SpaceX（空间共表达网络分析工具）在活动性病变边缘识别出一个高度连接的基因共表达模块，包含以下枢纽基因（hub genes）：

验证实验：

• RNAscope证实GPNMB和S100A11在活动性病变边缘的细胞中共定位

• 免疫组化显示S100A11蛋白在病变边缘的星形胶质细胞和巨噬细胞中高表达，而在病变核心和NAWM中表达较低（Extended Data Fig. 9g）

• GeoMx DSP验证了从病变边缘到核心的GPNMB表达梯度（Extended Data Fig. 8h）

MS易感基因的空间映射

研究团队将MS全基因组关联研究（GWAS） 识别的易感基因映射到空间转录组数据中，发现：

• MS GWAS基因在活动性病变边缘和混合活动/非活动性病变边缘的表达密度最高

• 这些基因主要富集于免疫细胞（尤其是微glia）和抗原呈递相关通路

• 部分GWAS基因（如TNFSF14、STAT3、IKZF3）在病变边缘的血管相关斑点中表达增高，提示血脑屏障在病变进展中可能起主动作用

与单核数据的整合验证

研究团队将空间转录组数据与先前发表的MS病变单核RNA测序数据（Schirmer et al. 2019）进行了整合分析，验证了：

• 微glia炎症亚型（MIMS，microglia inflamed in MS）在活动性病变边缘富集

• 星形胶质细胞炎症亚型（AIMS，astrocytes inflamed in MS）在活动性和混合病变边缘均富集

• 少突胶质细胞异质性：在混合活动/非活动性病变中，OPCs富集但成熟少突胶质细胞缺乏，与髓鞘再生失败一致

临床和转化意义

对疾病进展的理解

潜在治疗靶点

1. GPNMB：作为慢性活动性病变的标志物，可能成为监测病变进展的影像学或血液生物标志物

2. S100A11：在病变边缘星形胶质细胞中高表达，抑制其功能可能减轻炎症损伤

3. 补体系统：C1QA/B/C在NAWM中已上调，提示早期靶向补体可能阻止病变形成

4. 线粒体功能：混合病变核心的线粒体基因下调，增强线粒体生物能量学可能促进内源性修复

资源可及性

• 原始数据：GEO GSE208747（包含Visium和GeoMx数据）

• 交互式网页浏览器：http://msspatialexpression.com （可查询任意基因在MS病变中的空间表达模式）

• 分析代码：https://github.com/astrid12345/Visium_ST

局限性与未来方向

1. 尸检组织的时间限制：无法捕捉病变进展的动态时间过程，只能推断静态快照

2. 组织异质性：不同MS患者、不同脑区的病变可能存在差异，样本量（活动性病变n=4，混合病变n=6）有限

3. 空间分辨率：Visium的55μm斑点仍包含多个细胞，无法达到单细胞分辨率（但GeoMx和RNAscope进行了补充验证）

4. 因果关系的缺乏：空间转录组学揭示相关性而非因果性，需要动物模型和功能实验验证关键分子

未来方向：

• 结合单细胞空间转录组学（如Xenium、MERFISH）解析病变边缘的细胞-细胞互作

• 纵向研究：分析不同疾病阶段（复发-缓解、继发进展）的病变分子特征

• 功能性验证：在EAE小鼠模型中敲除或抑制GPNMB、S100A11等枢纽基因，观察对病变进展的影响

结语

这项研究是首次系统性地将空间转录组学应用于MS白质和灰质病变的分析，不仅验证了已知的组织病理学分类，更重要的是揭示了活动性病变边缘独特的分子特征和三种从NAWM到不同类型病变的进展轨迹。研究识别的GPNMB、S100A11等枢纽基因和补体系统、线粒体功能障碍等关键通路，为开发阻止病变进展和促进髓鞘再生的新型治疗策略提供了分子靶点。交互式网页浏览器的建立，使全球研究人员能够直观地探索MS病变中的基因表达空间异质性，加速转化研究的进程。

原始论文：Alsema, A.M., Wijering, M.H.C., Miedema, A. et al. Spatially resolved gene signatures of white matter lesion progression in multiple sclerosis. Nat Neurosci 27, 2341–2353 (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01765-6

交互式资源：http://msspatialexpression.com