亮点
- •血管紧张素II高血压仅3天后即出现脑转录组变化
- •早期变化由血管紧张素II信号传导驱动，而非血压升高
- •内皮细胞、少突胶质前体细胞和中间神经元表现出最强的早期易损性
- •42天时，髓鞘形成受损和轴突传导障碍与认知缺陷一致
摘要
高血压是认知障碍的主要原因，归因于脑血管功能不足、血脑屏障破坏和白质损伤。然而，高血压如何影响脑细胞仍不清楚。在本研究中，我们使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，在由血管紧张素II（一种参与人类高血压的肽）诱导的高血压小鼠模型中，绘制了神经血管和认知缺陷出现前（3天）和出现后（42天）的新皮层转录组变化图谱。令人惊讶的是，3天后即出现了内皮运输功能破坏和衰老、少突胶质细胞分化停滞、中间神经元功能低下和网络失衡，这些变化可归因于血管紧张素II信号传导。到42天时，当认知障碍变得明显时，出现了髓鞘形成和轴突传导缺陷，以及神经元线粒体功能障碍。这些发现揭示了内皮细胞、中间神经元和少突胶质细胞此前未被认识的早期易损性，并为高血压中随后出现的神经血管功能障碍和认知障碍提供了分子基础。这些数据构成了未来机制研究和治疗靶点验证的宝贵资源。
引言
动脉高血压（HTN）估计影响全球12.8亿人，是全球疾病负担的主要贡献者之一。高血压对大脑有毁灭性影响，是相关发病率和死亡率的关键驱动因素。高血压不仅是中风和血管性认知障碍的主要危险因素，也是阿尔茨海默病（AD）——老年人认知能力下降的主要原因——的主要危险因素。抗高血压药物治疗已大大降低了心血管死亡率，包括中风，但对认知障碍的益处仍不太明确。事实上，过去二十年间，高血压患者的痴呆风险急剧增加，这突显了深入了解高血压如何影响大脑功能的必要性。
大脑的结构和功能完整性依赖于血流依赖的氧气和葡萄糖输送，以满足大脑活动的局部能量需求（神经血管耦合），以及由血脑屏障（BBB）保护的内部环境稳态。这些关键功能通过血管细胞（内皮细胞和壁细胞）、神经胶质和神经元之间的密切相互作用来实现，形成一个称为神经血管单元（NVU）的功能单元。在人类和动物模型中，高血压对神经血管细胞有深远影响，导致内皮功能障碍、血脑屏障破坏和神经血管耦合抑制。反过来，这些相互关联的致病过程导致大脑功能障碍和损伤的易感性增加。皮层下白质特别容易受到高血压的损害作用，白质破坏是高血压患者认知能力下降的主要原因。然而，高血压中NVU损伤的细胞和分子事件及其对神经元网络活动和白质完整性的影响仍不明确。
给予血管紧张素II（AngII）——人类高血压病理生物学的核心八肽——在几种动物模型中重现了高血压的破坏性神经血管和认知效应。值得注意的是，在小鼠中给予低剂量AngII数周会引起血压的缓慢上升，这种现象被称为"慢加压"高血压。在这个模型中，循环中的AngII不会通过直接收缩外周阻力血管来升高血压，因为剂量太低，无法引起急性血管收缩。相反，介导高血压的一个关键因素是穹窿下器官（subfornical organ）中的血管紧张素II 1型受体（AT1Rs）的激活，穹窿下器官是终板器官之一，导致交感神经激活、激素释放和肾脏氧化应激（神经内分泌功能障碍）。由于神经内分泌功能障碍和氧化应激是原发性高血压（人类中最常见的高血压形式）的关键特征，慢加压模型经常被用来研究高血压诱导的器官损伤。因此，该模型再现了高血压个体中观察到的一些神经血管和认知改变，尽管时间更为压缩。例如，内皮功能障碍、神经血管解耦和BBB渗漏在AngII给药后1-2周内出现，早于认知缺陷的出现，认知缺陷通常出现在第4周左右。相比之下，给予加压剂量的AngII或直接将AngII应用于新皮层会诱导快速发作的神经血管功能障碍，没有高血压前期。因此，慢加压模型中AngII输注与神经血管和认知损伤发作之间的显著时间延迟，使其特别适合研究NVU细胞中可能引发和驱动后续致病结果的早期分子变化。
单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单核RNA测序在神经血管和相关细胞研究中的最新应用，揭示了脑血管细胞的显著分子异质性，并阐明了与NVU中其他细胞相互作用的分子基础。鉴于高血压对神经和血管功能的深远影响，scRNA-seq可以提供对与神经血管和认知功能障碍相关的细胞类型特异性转录组变化的无假设评估。然而，迄今为止，还没有研究填补这一知识空白。为了探索这一点，我们采用scRNA-seq技术，在两个时间点检查了AngII处理小鼠中高血压对NVU细胞诱导的转录组变化：在神经血管和认知功能障碍完全发展之前（3天）和之后（42天）。我们的数据显示，毛细血管-小静脉过渡区的内皮衰老、BBB改变、少突胶质细胞成熟中断和抑制性中间神经元功能障碍等深刻转录变化，令人惊讶地仅在AngII输注3天后就出现了。到42天时，当观察到认知障碍时，髓鞘形成和轴突传导缺陷出现，伴有神经元线粒体功能障碍。这些数据揭示了内皮细胞（ECs）在毛细血管-小静脉过渡区、中间神经元和少突胶质细胞对血管紧张素II诱导高血压（AngII HTN）此前未被认识的早期易损性的分子基础，这种易损性先于神经血管和BBB功能障碍。它们还强调了后续白质和神经网络损伤的分子变化，这些变化导致AngII HTN中的认知缺陷。最后，这些数据为未来的机制研究和通过当前分子调查确定的潜在治疗靶点的验证提供了宝贵的资源。
章节摘要
血管紧张素II高血压中新皮层细胞的单细胞转录组分析
我们在10周龄C57BL/6J雄性小鼠中通过皮下植入渗透微型泵输注低浓度AngII（600 ng/kg/min），诱导慢加压高血压（n = 6-8/组）。接受载体（生理盐水）的小鼠作为对照。如先前报道，AngII处理引起收缩压逐渐升高，从3天开始并持续到输注的全部42天，此时在新物体识别测试中观察到认知障碍。
讨论
我们利用scRNA-seq研究了AngII诱导的慢加压高血压在小鼠中引发的细胞类型特异性改变，该模型再现了人类高血压对大脑影响的关键特征。我们揭示了几个新发现。首先，在内皮细胞、神经元和少突胶质细胞系细胞中观察到AngII引起的主要转录组改变，这些改变仅在治疗3天后就出现，并先于神经血管损伤的发展。第二，毛细血管-小静脉区域表现出特别显著的分子变化，包括内皮衰老和运输功能破坏。第三，少突胶质细胞前体细胞分化停滞和中间神经元功能障碍在早期阶段就已显现，这可能解释了为什么在血压升高和认知障碍明显之前就出现了神经血管功能异常。
这些发现对理解高血压如何导致认知障碍具有重要意义。传统观点认为高血压引起的脑损伤主要是由长期血压升高导致的机械应力造成的。然而，我们的研究表明，血管紧张素II可以直接通过其信号通路影响脑细胞，甚至在血压显著升高之前就启动了病理过程。特别是，内皮细胞、中间神经元和少突胶质细胞对血管紧张素II表现出特别高的敏感性，这可能代表了高血压神经血管并发症的关键早期靶点。
从临床角度看，这些发现强调了早期干预的重要性，可能需要在高血压患者出现明显认知症状之前就开始针对性治疗。此外，我们的数据为开发新的治疗策略提供了分子靶点，这些策略可能不仅针对血压控制，还针对这些早期细胞变化，从而更有效地预防高血压相关的认知衰退。
这项研究的一个局限性是使用了小鼠模型，可能不完全反映人类高血压的复杂性。然而，血管紧张素II信号通路在人类和小鼠中高度保守，且慢加压高血压模型已被证明能很好地模拟人类高血压的神经血管效应。未来研究应该在人类样本中验证这些发现，并探索潜在的治疗干预措施。
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