Nature：成纤维细胞——脑损伤修复的“双面卫士”

来源：BioArt 2025-09-20 11:07

中枢神经系统（CNS）损伤，包括中风、创伤性脑损伤（TBI）和脊髓损伤，是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因之一。尽管医学技术不断进步，但针对CNS损伤的有效治疗手段仍然有限，这在很大程度上源于我们对脑损伤后修复机制的认知不足。传统研究多聚焦于神经元和胶质细胞的反应，如星形胶质细胞增生，然而，近年来，越来越多的证据表明，中枢神经系统的基质细胞，特别是成纤维细胞，在损伤修复过程中扮演着关键角色。CNS成纤维细胞主要富集于脑膜和血管周围CNS边界区域，参与维持脑膜和血管的结构完整性、促进免疫监视，并可能调节脑脊液与组织液之间的物质交换。值得注意的是，成纤维细胞在不同组织中既表现出组织特异性亚群，也存在跨器官保守的状态，尤其是在天然组织边界周围富集的 通用状态 。这些具有免疫交互特征的成纤维细胞状态似乎是动态变化的，并在局部免疫组成和功能调节中起到关键作用【1-3】。然而，脑损伤后成纤维细胞的动态变化、分子特征及其与免疫细胞的相互作用尚不清楚。

近日，来自美国加州大学旧金山分校的Ari B. Molofsky和Thomas D. Arnold团队在Nature上在线发表题为Dynamic fibroblast immune interactions shape recovery after brain injury的文章，系统解析了脑损伤后成纤维细胞的动态变化规律、功能状态及其与免疫细胞的相互作用机制，证明成纤维细胞及其与免疫细胞的相互作用是脑损伤修复过程中的关键调控环节，其功能状态的失衡可能导致损伤修复失败或慢性炎症，进而影响神经功能的恢复。研究结果不仅揭示了脑损伤后成纤维细胞的动态变化和功能多样性，而且为中枢神经系统损伤的治疗提供了新的理论依据和潜在靶点，有望为广大脑损伤患者带来新的治疗希望。

本文研究人员首先运用胶原蛋白1（Col1a2creER; Rosa26tdT）谱系追踪技术，系统性地描绘了大脑成纤维细胞在损伤后的动态反应过程。研究发现，静息状态下主要分布于脑膜等边界区域的成纤维细胞，在光栓法（PT）诱导的局灶性脑缺血损伤后，会显著扩增并迁移至损伤区域，产生胶原蛋白1等细胞外基质（ECM）成分，最终在伤后14天（14 dpi）形成一个与实质星形胶质细胞瘢痕相邻但截然不同的纤维化病灶，该现象在TBI和卒中模型中也得到验证。研究结果表明，损伤区域的成纤维细胞主要来源于预先存在的脑成纤维细胞而非周细胞或血管平滑肌细胞。为了精确捕捉其时空动态，研究采用了双报告基因系统，既能标记当前活跃表达Col1a1的细胞，也能追溯所有曾经表达过Col1a2的细胞谱系，从而证实了损伤区成纤维细胞的局部起源。

随后，通过空间转录组学对损伤全过程进行分析，研究人员在空间上定位了成纤维细胞的浸润，并鉴定出两个在时间和空间上截然不同的关键的损伤相关成纤维细胞状态：一个是在7 dpi亚急性期富集于病灶周围、高表达TGF 信号靶基因和巨噬细胞相关因子的早期促纤维化肌成纤维细胞状态；另一个则是在21 dpi慢性期位于病灶核心、高表达ECM和适应性免疫相关基因的晚期成纤维细胞状态。这种状态的演变在单核RNA测序（snRNA-seq）数据中得到进一步证实，发现了七个损伤区富集的成纤维细胞亚群，其中肌成纤维细胞状态在亚急性期占主导，并高表达Acta2（ SMA）、Cthrc1等典型标志物，其程序由Tgfbr1驱动，并最终演变为不同的、持续存在的晚期成纤维细胞状态。这些结果表明，大脑成纤维细胞对损伤的反应是一个高度动态、多阶段的过程，其起源于常驻成纤维细胞，经历一个短暂的促纤维化状态后，分化为功能各异的持久性细胞状态，共同塑造损伤后的脑组织。

基于以上发现，研究人员首先对脑损伤后早期的细胞状态进行了系统分析，发现在脑损伤后2至7天，髓系细胞在病灶周围形成环状结构，并在14天时侵入病灶核心，与成纤维细胞长期共存。这些髓系细胞来源于驻留的小胶质细胞、浸润的单核细胞以及边界相关的巨噬细胞（BAM）和血管周巨噬细胞（PVM）。研究还发现，这些髓系细胞中尤其以疾病相关小胶质细胞（DAM）和瘢痕相关巨噬细胞（SAM）为主，它们高表达促纤维化基因标记，且空间上定位于早期纤维化边界。SAM/DAM可通过分泌TGF 1等信号分子激活肌成纤维细胞，而肌成纤维细胞则通过分泌CSF1等因子影响SAM/DAM的存活与分化。这些结果表明，在损伤亚急性期存在一个由小胶质细胞和募集的巨噬细胞共享的短暂髓系细胞程序，该程序在时空和功能上与肌成纤维细胞密切相关，共同响应组织损伤信号。

与此同时，研究人员又发现，脑损伤后期（21 dpi）形成了独特的 淋巴细胞交互性成纤维细胞 状态，该细胞高表达招募淋巴细胞的趋化因子。研究表明，T细胞在损伤后期聚集于病灶，主要为CD4+和CD8+ T细胞，并显示出记忆表型（CD44+CD69+）和Th1特征（表达TBET）。空间分析显示这些T细胞持续定位于成纤维细胞ECM附近，并与淋巴细胞交互性成纤维细胞（CD80+）密切关联。晚期损伤病灶能特异性支持T细胞存活，而脑膜成纤维细胞同样具备该功能。这些数据表明，晚期损伤相关的成纤维细胞能够招募并长期支持脑内淋巴细胞的滞留，形成特定的免疫微环境。

接下来，研究人员对脑损伤后髓细胞的功能进行了探索。使用Clodronate脂质体来特异性耗竭浸润的单核细胞、巨噬细胞和病变周围的髓样细胞，发现这会减少损伤区域的胶原沉积并增加损伤面积，而这是因为髓细胞来源的TGF 1对损伤诱导的成纤维细胞反应至关重要。进一步地，研究人员通过小鼠实验并结合snRNA-seq分析证实，在脑损伤后存在一个关键的亚急性窗口期，在此期间，肌成纤维细胞可限制损伤区域周围的损害以及继发性神经炎症。髓系细胞来源的TGF 1是驱动亚急性期肌成纤维细胞活化和扩张的关键信号，该过程依赖于病灶周边胶质细胞表达的整合素 v 8对TGF 的激活。研究结果表明，损伤后的肌成纤维细胞相互作用塑造了大脑免疫景观，TGF 信号通路是脑损伤后肌成纤维细胞反应的核心协调者，其功能缺失会导致病灶纤维化减少、损伤范围扩大，并引发持续的中性粒细胞和单核细胞浸润等慢性神经炎症。

最后，研究人员深入研究了脑损伤后成纤维细胞的功能。研究证实，成纤维细胞在脑损伤后发挥多种关键作用，包括早期通过形成纤维化瘢痕限制损伤扩散和减少继发性炎症，以及晚期通过与T细胞的相互作用维持局部免疫稳态。在tMCAO中风模型中，Tgfbr2-cKO小鼠表现出显著增加的损伤面积和亚急性期死亡率，提示早期肌成纤维细胞反应对于限制早期至亚急性期的脑损伤至关重要。而晚期成纤维细胞亚群至少部分通过趋化因子CXCL12维持病灶免疫微环境，以支持长期淋巴细胞聚集并抑制细胞因子表达。总之，成纤维细胞及其与免疫细胞的相互作用似乎是早期脑损伤和修复以及长期中枢神经系统神经免疫平衡的关键调节因素。

综上所述，本研究揭示了脑损伤后成纤维细胞与免疫细胞之间的相互作用机制，该机制在多种损伤模型和物种中具有保守性，涉及成纤维细胞的激活、增殖、迁移并最终以多种空间和功能上不同的状态持续存在。研究结果确定了脑损伤后成纤维细胞的两种不同的适应性功能，它们在不同的时间阶段发挥作用，证明脑成纤维细胞不仅是结构性修复者，更是神经免疫稳态的关键调控者，为治疗脑损伤及相关神经疾病提供了新的靶点。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09449-2