Cell | 脑科学领域颠覆性成果！中科院焦建伟团队揭秘人类脑膜发育规律

2026年5月29日，中国科学院动物研究所焦建伟团队在Cell发表了题为Decoding the spatiotemporal development of human meninges的重要研究成果。该研究突破性地揭示人脑膜发育的全新时空框架，不同脑膜层功能差异，以及脑膜免疫影响脑发育的关键机制，为更深入理解脑膜发育生物学，脑膜-脑之间互作提供了新的见解，并为脑膜相关疾病的诊断和治疗提供了重要理论基础和潜在靶点。本研究系统揭示了妊娠6至23周人类发育脑膜中各类细胞的分子特征、空间分布规律与动态发育轨迹，填补了该领域长期存在的知识空白。

为探究人类脑膜发育的细胞与分子动态，研究团队对妊娠第6至23周（GW8、10、12、14、16、21、23）的脑膜组织样本进行了scRNA-seq分析，获得了118,696个高质量细胞（图1B）。这些细胞进一步聚类为七大主要细胞类型，并根据经典标志基因注释为：硬脑膜成纤维细胞、蛛网膜成纤维细胞、软脑膜成纤维细胞、免疫细胞、壁细胞、内皮细胞及红细胞（图1B-1C）。

图1. 发育中人类脑膜的时空转录组谱

为探究人类三层脑膜成纤维细胞的发育时序及其分子动态，研究团队首先对GW8至GW23的脑膜组织进行了单细胞转录组测序，并通过经典标志基因将成纤维细胞划分为硬脑膜、蛛网膜和软脑膜三个亚群（图1C）。为进一步明确各脑膜层的起始和发育过程，研究团队利用MERFISH对GW6至GW16样本进行空间定位分析，结果发现蛛网膜标志基因（SLC22A6、SLC22A8、OSR1、GJB2 和 GJB6）和硬脑膜标志基因（DKK2、MGP 和 TENT5A）分别从GW8开始出现表达，至GW10后各层标志基因的空间分布逐渐清晰，GW12时已呈现明确的组织分层（图2A-2C）。为验证上述发育时序，研究团队进一步进行了拟时序分析，结果显示GW6的软脑膜成纤维细胞祖细胞处于最早的发育状态，并与GW8的软脑膜成纤维细胞高度相关，随后依次出现蛛网膜和硬脑膜成纤维细胞（图2D）。以上数据表明，人类三层脑膜的发育过程并非同步进行，其中软脑膜最早形成，蛛网膜和硬脑膜依次建立，呈现明确的异步发育特征。

图2. 人脑膜成纤维细胞的发育转录组特征

为探究脑膜成纤维细胞是否参与神经递质清除、突触信号调控及脂质代谢等非经典功能，研究团队分析了GW6至GW23期间三层成纤维细胞中相关基因的表达特征。结果显示，软脑膜和蛛网膜成纤维细胞高表达神经递质转运体基因SLC6A1、SLC6A13及SLC1A3，并经MERFISH验证其空间定位（图3A）。为客观比较这些基因在脑膜成纤维细胞中的表达水平，研究团队进一步整合皮层单细胞转录组数据进行分析，发现SLC6A1在软脑膜和蛛网膜成纤维细胞中的表达显著高于神经元，SLC6A13几乎特异性表达于这两类成纤维细胞，而SLC1A3在软脑膜成纤维细胞中表达最高（图3B）。此外，突触相关基因SYT1虽在神经元中高表达，但在软脑膜和蛛网膜成纤维细胞中亦检测到明确表达（图3B）。上述结果通过免疫荧光染色在蛋白水平得到验证（图3C-3F）。在脂质代谢方面，研究团队发现APOD、APOE及LRP1在三层成纤维细胞中均高表达，MERFISH空间转录组进一步证实APOE从GW6至GW16始终维持高水平表达（图3G-3H）。

图3. 参与神经递质转运、突触形成及脂质代谢的基因在三个成纤维细胞层中的表达动态变化

脑膜免疫细胞在维持脑稳态中发挥着不可或缺的作用。研究团队观察到发育中人类脑膜免疫细胞存在显著的异质性，并将其划分为10个亚群，其中包括脑膜巨噬细胞（MMs）、单核细胞、树突状细胞、T细胞、B细胞等（图4A-4B）。结果显示，MMs占所有免疫细胞的50%以上（图4C-4D）。为进一步解析MMs的功能异质性，研究团队将其重新聚类为四个亚群：增殖性MMs、炎症基因高表达MMs (IFH MMs)、血管生成相关基因高表达MMs (AH MMs) 及胶原基因高表达MMs (CH MMs)。差异基因富集分析显示，增殖性MMs富集于“有丝分裂核分裂”，IFH MMs富集于“先天免疫反应调控”，AH MMs高表达促血管生成基因VEGFA，CH MMs则富集于“细胞-基质粘附正向调控”（图4E）。通过免疫荧光染色及MERFISH空间定位，研究团队进一步验证了上述四个亚群在脑膜中的存在及其原位分布（图4H-4M）。在时序动态方面，研究团队发现增殖性MMs和IFH MMs的比例随发育逐渐下降，而AH MMs和CH MMs的比例逐渐上升，拟时序分析进一步确认了上述成熟轨迹（图4F-4G）。最后，通过与GW6卵黄囊及头部巨噬细胞的比较，研究团队发现MMs与小胶质细胞可能共同起源于卵黄囊原始巨噬细胞，但从GW8开始两者分别高表达特征基因，发育差异逐渐扩大（图4N-4O）。

图4. 脑膜免疫细胞的时空异质性、脑膜特异性巨噬细胞亚群的发现以及巨噬细胞与小胶质细胞之间的区别

作为脑膜的主要结构框架，成纤维细胞是否参与免疫细胞的空间组织尚不明确。为探究这一问题，研究团队首先利用CellChat对脑膜成纤维细胞与脑膜免疫细胞及小胶质细胞之间的信号通路进行了系统分析。结果显示，脑膜成纤维细胞通过CXCL12-CXCR4信号轴作用于多种免疫细胞，包括巨噬细胞、B细胞和T细胞等（图5A）。为进一步明确CXCL12-CXCR4在脑膜成纤维细胞与脑膜巨噬细胞亚群中的表达特征，研究团队利用scStereo-seq和MERFISH对不同发育阶段软脑膜区和硬脑膜区中四个脑膜巨噬细胞亚群的CXCR4表达进行了定量分析。结果表明，除增殖性脑膜巨噬细胞外，其余亚群在软脑膜区中的CXCR4表达均高于硬脑膜区，其中血管生成相关基因高表达脑膜巨噬细胞亚群的CXCR4表达水平最高。同时，软脑膜成纤维细胞通过该信号通路与IFH MMs及AH MMs表现出更强的相互作用（图5A）。空间转录组学与免疫荧光染色最终验证了CXCL12在软脑膜成纤维细胞中的表达，以及CXCR4在IFH MMs和AH MMs中的表达（图5B-5C）。

图5. 软脑膜通过CXCL12-CXCR4信号通路调控脑膜免疫细胞的募集与定位

鉴于IFH MMs是介导免疫功能的主要亚群，研究团队接下来关注它们在神经发育中的作用。免疫荧光染色结果显示，髓样细胞触发受体2（TREM2）在IFH MMs中呈现特异性高表达（图6A-6B）。已有研究表明，TREM2在多种神经退行性疾病、癌症和代谢性疾病的发病机制中发挥着复杂而关键的作用。IFH MMs中TREM2的高表达是否调控神经发育？为明确这一问题，研究团队构建了髓样细胞特异性Trem2敲除小鼠（Trem2^cKO）。结果显示，在E15.5阶段，Trem2^cKO小鼠软脑膜下Reelin阳性CR细胞数量显著减少，且连接中断的CR细胞比例明显增加。为排除小胶质细胞中Trem2缺失的潜在影响，研究团队进一步构建了需他莫昔芬诱导的巨噬细胞特异性Trem2敲除小鼠（Trem2^icKO）。结果显示，MMs中Trem2缺失同样导致CR细胞数量和连续性的显著改变（图6C-6E）。以上结果表明，IFH MMs通过特异性表达TREM2调控CR细胞的发育，且这一作用独立于软脑膜来源的CXCL12信号，提示TREM2⁺ IFH MMs在脑膜-神经互作中发挥关键调控功能。

图6. TREM2介导的IFH微管网络通过调控NFYA中CCL2的表达，从而协调CR细胞的发育

为进一步明确TREM2⁺ IFH MMs调控CR细胞发育的分子机制，研究团队首先利用空间转录组数据绘制了大脑皮层主要细胞类型的空间分布图，结果发现CR细胞位于大脑皮层最外缘的边缘带，与IFH MMs呈现最密切的空间邻近关系（图6F-6G）。随后，研究团队利用 scRNA-seq 数据，通过与脑膜成纤维细胞和小胶质细胞进行比较，识别出IFH MMs特异性靶向谷氨酸能神经元的信号通路（图6H）。为验证TREM2是否调控这些信号通路，研究团队富集了E15.5 Trem2髓样特异性敲除小鼠的CD206⁺ MMs并进行bulk RNA测序，结果显示Trem2敲除后Ccl2表达显著下调（图6I-6J）。

MMs在脑膜血管生成中的调控作用尚不明确。为探究其潜在机制，研究团队首先利用空间转录组数据验证了AH MMs与各内皮细胞亚群之间的空间邻近关系（图7D）。随后，研究团队基于单细胞RNA测序数据进行了细胞间相互作用分析，鉴定出由血管生成相关基因高表达脑膜巨噬细胞靶向各内皮细胞亚群的两条经典血管生成相关信号通路：VEGF-FLT1与VEGF-KDR（图7E）。值得注意的是，不同内皮细胞亚群对这两条通路的响应存在差异：VEGF-FLT1信号在动脉ECs中强度更高，而VEGF-KDR信号则在毛细血管ECs和顶端细胞中表达更高（图7E）。通过MERFISH空间转录组学及免疫荧光染色，研究团队分别在转录和蛋白水平验证了VEGFA在AH MMs中的表达，以及其受体VEGFR1/FLT1和VEGFR2/KDR在各EC亚群中的表达（图7F-7I）。

图7. 脑膜内皮细胞与血管平滑肌细胞之间时空相互作用的分析

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