Nat Rev Neurosci重要综述：脑血管系统研究进入单细胞时代
人脑仅占身体质量的2%，但接受20%的心输出量，消耗20%的身体总耗氧量和葡萄糖，这突出了CNS血管系统对大脑正常运转的重要性。中枢神经系统在发育、成年体内平衡和疾病过程中严重依赖于其血管系统的形成和正常功能。
血管新生（angiogenesis）——新血管的形成——在大脑发育过程中非常活跃，在健康成年大脑中几乎完全静止，在血管依赖性脑病变（如脑血管畸形和脑肿瘤）中重新激活。尽管在理解驱动外周组织血管生成的细胞和分子机制方面取得了重大进展，但在健康和患病的中枢神经系统中协调血管生成过程的信号通路仍不完全清楚。
近日，瑞士苏黎世大学和大学医院Thomas Wälchli研究组在Nature Reviews Neuroscience发表重要综述，文中回顾了目前关于脑发育过程中以及脑血管畸形和脑肿瘤中血管生成的一般性和中枢神经系统特异性的机制，包括关键分子信号通路如何在血管依赖性疾病中被重新激活。概述了目前对发育中、健康的成人和病理性大脑中新生血管形成的理解。同时，还讨论了在单细胞多组学时代如何研究这些主题。
1、新生血管形成模式
器官和组织的新生血管可以通过不同的机制发生。在生理发育过程中，这种血管形成可能涉及从预先存在的血管形成新的血管，定义为出芽血管新生（sprouting angiogenesis）[Fig.1a]。中胚层成血管细胞或血管母细胞在一个称为“血管生成（vasculogenesis）”的过程中重新生成血管[Fig.1b]。或现有血管的分裂，称为“套叠式血管生成”[Fig.1c]。
在神经胶质脑肿瘤和经历再生过程的组织中（例如，缺血性中风后），可能会出现三种额外的新血管形成病理模式：血管选择，即肿瘤细胞选择血管沿着预先存在的健康血管生长[Fig.1d]，神经胶质瘤（或胶质母细胞瘤）干细胞（GSC）到EC的转分化或GSC到周细胞的转分化[Fig.1e]以及血管生成（或血管）模拟，即肿瘤细胞整合到血管壁中，模拟ECs[Fig.1f]。
尽管出芽血管新生和血管生成是脑发育和脑动静脉畸形中新血管形成的主要原因，但所有六种血管形成模式都已在脑肿瘤中描述。
Figure 1 在脑发育过程中，在脑肿瘤和脑动静脉畸形中的血管形成模式
2、血管新生与大脑发育
2.1 胚胎期中枢神经系统血管新生
在胚胎第8.5天（E8.5）小鼠的大脑发育过程中，神经外胚层衍生的神经管周围形成神经周围血管丛（PNVP），其中来源于神经管的VEGFA与PNVP成血管细胞上表达的VEGFR2相互作用。这种PNVP稍后将转化为软脑膜的动脉和静脉以及包裹中枢神经系统组织的蛛网膜。在E9.5，PNVP的血管出芽侵入中枢神经系统实质，并通过出芽生血管生成形成神经内血管丛（INVP）[Fig.3a,b]。INVP的穿支血管以径向方式抵达脑实质内。一旦它们进入脑实质区，就会以平行于脑室膜的圆周方式分支，产生脑室周围血管丛[Fig.2a-d]。
2.2、出生后中枢神经系统血管新生
新生血管生成在出生后继续，并进一步重塑和扩展中枢神经系统血管网络。尽管出芽血管新生和内皮尖端细胞(ETCs)在胚胎发育过程中以放射状前进，但出生后，ETCs向多个皮层的各个方向扩散[Fig.2e,f]。
Figure 2 胚胎期、出生后和成年期血管生成的结构和分子机制
总之，在胚胎和出生后的大脑发育过程中，出芽血管新生是高度活跃的，由ETC丝状伪足引起的血管出芽侵入中枢神经系统组织，建立功能性血管网络。以一般或中枢神经系统特异性方式调节发育性脑血管生成的分子途径越来越多地被发现，但对这些分子过程及其与VEGF–VEGFR–DLL4–Jagged–Notch途径和Hippo–YAP–TAZ途径的相互作用的了解仍不完整。
3、脑肿瘤中的血管新生
与健康的成人血管系统相比，脑肿瘤的特征是异常血管新生和BBB、CNS特异性以及ECs的动静脉特异性的改变，但对脑肿瘤中发育信号轴在多大程度上被重新激活仍知之甚少。
3.1 胶质脑肿瘤
血管增殖是胶质母细胞瘤（高级胶质瘤）的一个重要病理标志，胶质母细胞癌在所有实体瘤中具有最广泛的血管系统之一，血管增殖是一个重要的病理标志[Fig.3]。
血管选定性：从时间上看，神经胶质肿瘤中新生血管的第一种模式是血管选定（co-option），包括将肿瘤细胞组织到周围健康脑组织微血管周围的血管周围，以形成早期的、最初血管化良好的肿瘤团。
出芽血管新生：在ANG1介导和ANG2介导的现有的选定血管破裂后，胶质瘤相关的出芽血管生成开始。在ANG2存在的情况下，VEGF促进EC迁移和增殖，并刺激预先存在的血管出芽。
骨髓源性血管生成：血管生成在肿瘤生物学中很重要，涉及三种循环骨髓衍生细胞的分化：最重要的是内皮祖细胞和周细胞祖细胞，以及特征不太明确的CD45+血管调节细胞。
套叠式血管生成：在包括胶质母细胞瘤在内的几种癌症中发现有套叠式血管生成的特征。套叠式血管生成与人类大脑发育和脑部疾病的相关性尚不清楚，其潜在的分子机制以及它是否表现出中枢神经系统特异性或一般性的作用模式也不清楚。
Figure 3 神经胶质脑肿瘤发生和发展过程
4、脑动静脉畸形的血管生成
脑血管畸形的特征是血管生长异常和血管壁成熟度改变。由于篇幅限制，将重点放在脑动静脉畸形上，这是最常见的脑血管畸形之一。脑动静脉畸形的特征是异常血管生成和畸形毛细血管床，从而代表了理解跨动静脉区脑血管生物学的典型病理学[Fig.4]。
4.1 脑动静脉畸形
来自供血动脉的高压动脉血液直接分流到低压流出静脉，使大脑动静脉畸形易于破裂。在正常的血管（大脑）发育过程中，动脉和静脉遵循平行和逆流的过程，没有直接的交流。它们被各自组织中的毛细管网络分开，并且通过特定的发育活性分子控制系统来防止过早的动静脉连接。中枢神经系统和外周动静脉畸形被认为是由于这些控制系统的故障而发生的。
Figure 4 脑动静脉畸形发生和发展过程
总结与展望
在成年健康大脑和血管依赖性中枢神经系统病理中，关于脑发育过程中脑血管系统的细胞和分子机制以及EC和PVC异质性，以及脑发育和病理之间共享的血管生成途径，存在一些悬而未决的问题。
首先，在胚胎和出生后的大脑发育过程中以及在血管依赖性中枢神经系统病理中，中枢神经系统特异性和一般性机制如何在分子上相互作用以控制中枢神经系统血管生成？
第二个问题是，在脑发育过程中，在脑肿瘤和脑动静脉畸形中，控制血管生成的机制有多不同或可比，在多组学时代，如何通过单细胞分析来解决这一问题？目前，病理中重新激活的发育信号通路与（大脑）发育过程中活跃的发育信号途径在多大程度上不同，尚不完全清楚。
第三个关键问题是，单细胞多组学技术能否用于进一步阐明炎症或免疫相关过程在病理性血管生成中的作用，而不是目前已知的作用（例如，炎症诱导的脑肿瘤和脑血管畸形对血管系统的促血管生成作用）。
最后一个问题：鉴于目前对新生血管的关注，在大脑发育过程中，在脑肿瘤和脑动静脉畸形中，其他血管形成模式有多重要，它们在中枢神经系统内外不同的血管床之间有什么不同，以及它们在分子水平上是如何调节的？
总之，越来越明显的是，人类大脑血管系统在个体内部和个体之间的显著细胞异质性和分子异质性，以及其特定特征，如中枢神经系统特异性和动静脉分带，需要在单细胞水平上进行彻底的表征。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41583-023-00684-y
参考文献
Wälchli, Thomas et al. “Shaping the brain vasculature in development and disease in the single-cell era.” Nature reviews. Neuroscience, 1–28. 20 Mar. 2023, doi:10.1038/s41583-023-00684-y
编译作者：Young（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
