Cell | 出生后大脑血管如何发育？LAMBADA资源揭示三维时空图谱下的“三部曲”——精准观测全脑血管结构的动态演变

撰文|亦

出生后大脑血管网络不仅结构稀疏，且伴随星形胶质细胞与周细胞覆盖不足，神经血管单元整体极不成熟【1,2】。随着脑体积的快速扩张，出生后剧烈变化的神经元活动模式开始取代胚胎期信号【3,4】，成为驱动血管重塑的主导力量。然而，过往研究多局限于大脑皮层或视网膜等局部模型【5,6】，缺乏在全脑尺度上对血管发育时空动态的系统性描述。尽管光片显微镜与空间转录组技术已日趋成熟，由于缺乏能够匹配不同发育阶段的 3D 解剖模板，这些技术一直难以应用于对发育期全脑血管网络的精准解析 。

近日 ，法国索邦大学巴黎脑研究所的Nicolas Renier团队与加拿大蒙特利尔大学附属圣贾斯汀大学医疗中心（CHU St. Justine）的Alexandre Dubrac团队合作，共同在Cell上发表了题为The spatiotemporal dynamics of postnatal vascularization in the mouse brain的文章。研究团队 开发了一种名为 LAMBADA 的光片显微镜配准小鼠脑发育图谱，不仅能够精准观测全脑血管结构的动态演变，更将血管生长与神经元成熟的分子程序直接关联，揭示了出生后脑血管发育的三个协同阶段。

为了系统研究出生后脑血管网络的时空发育规律，需要建立一个能够将空间转录组学数据与三维光片显微成像数据进行跨时间点精确配准的公共平台。然而，早期出生后小鼠脑在组织提取和透明化处理过程中会发生显著的形态改变，成年脑的配准模板无法直接套用。为此，作者利用iDISCO⁺组织透明化技术处理了P3、P5、P7、P9、P12、P14和P21共七个时间点的C57BL/6J小鼠脑半球，每个时间点收集15–20个样本，以自体荧光信号生成平均模板，并依据CCFv3命名体系手动标注了62个脑区。在此基础上，作者整合了基于Visium空间转录组学技术获取的三个冠状平面的基因表达数据，覆盖P5至P60的多个时间点，并通过MRI扫描校正了透明化组织中的体积和空间形变。结果证实，三维原位杂交（如Cck的表达分布）与二维转录组测序数据在空间模式上高度一致，表明 该方法能够可靠地将分子信息映射到三维解剖框架中。由此构建的LAMBADA图谱（https://lambada.icm-institute.org）为后续脑血管发育的全脑定量分析提供了统一的时空坐标系 。

在获得标准化图谱的基础上，作者进一步对出生后脑血管网络的整体发育轨迹进行了定量刻画 。采用优化的iDISCO⁺免疫标记方案（使用偶联抗体标记内皮细胞标志物CD31/podocalyxin和平滑肌标志物SM22），结合TubeMap血管追踪算法，在P3至P60共九个时间点上重建了50个雌雄小鼠半球的毛细血管分辨率血管图，并引入机器学习模型以剔除伪影造成的虚假血管断端。全脑尺度上的统计结果显示：出生后第一周内（P3–P7），血管分支点密度保持稳定，总血管长度随脑体积等比例增长，表现为等距扩张；自P7开始，血管长度密度和分支点密度迅速上升，中断血管（反映活跃出芽或修剪过程）的数量在P12达到峰值；P21之后，血管总密度趋于平稳，但中断血管比例仍维持在较高水平，同时胶原IV阳性的末端分支比例逐渐增加，提示网络进入以结构稳定化为主的阶段。综合这些动态指标，作者 将出生后脑血管发育划分为三个时序上相互衔接的阶段：等距生长期（P3–P7）、快速扩张与重塑期（P7–P21）以及渐进精细化与稳定期（P21至成年） 。这一阶段性划分构成了后续区域特异性分析的时间框架。

虽然全脑血管发育呈现出统一的三阶段模式，但不同脑区在快速扩张期（尤其是P12–P21的子阶段）内的致密化速率可能存在差异 。为验证这一点，作者对比了后脑、中脑、丘脑、小脑、纹状体、皮层等主要脑区的血管长度密度动态，并同时检测了内皮细胞转录因子ERG阳性细胞的分布变化。结果显示，所有区域均遵循三阶段总体趋势，但 在P12–P21期间，原本血管密度较高的区域（如后脑、丘脑）密度增速更快，而低密度区域（如纹状体、海马）增速相对平缓 ，由此将脑区分为两组。ERG⁺细胞密度在阶段1即开始增加，阶段2a趋于平稳，阶段2b再次上升，且其增幅在高密度区域更为明显，提示内皮细胞的增殖与成熟可能先于或伴随血管分支的激增。在皮层区域，作者进一步分析了血管的方向性随层次的变化，发现阶段1时各层毛细血管分布均匀无显著取向差异，至阶段2a第4层开始出现平面方向偏好，阶段2b时这一层特异性结构模式进一步巩固。此外，对全脑范围内300微米立方体血管结构的无监督聚类分析识别出六种组织原型，其中低密度、长血管为主的原始类型在阶段1和阶段2a占主导，而高密度、高连通度的成熟类型在阶段2b显著增多，且在不同脑区出现时序上有所先后。上述结果表明， P12至P21是脑血管网络获得区域特异性结构特征的关键窗口 。

脑血管发育从等距扩张转向区域特化并最终趋于稳定，暗示不同阶段背后的分子调控环境可能发生系统性转换。 为揭示各阶段的分子关联 ，作者首先将Allen Brain Institute发育转录组数据库中P4和P14的基因表达体素图与本研究中同期的中断血管密度图进行全脑相关性分析，发现Vegfa和Wnt7b等经典促血管生成因子在阶段1与血管重塑呈较强正相关，但这一相关性在阶段2显著减弱。进一步利用已配准至LAMBADA图谱的Visium空间转录组数据，作者在更高时空精度上计算了多种血管调控配体与中断血管密度的关系：Vegfa在阶段1的部分切面存在区域特异性相关，而Sema3e在阶段2和阶段3的正相关性增强，Slit2则持续表现为负相关。为系统识别协同表达的基因程序，作者运用共识非负矩阵分解（cNMF）将2,451个信号通路和细胞类型标志基因聚类为30个表达程序，并分析其与血管重塑指标的时空相关性。结果显示， 与神经元突触传递和轴突导向相关的基因程序在阶段2和阶段3与血管重塑的相关性显著升高，而部分星形胶质细胞相关程序（如Agt的高表达）则与血管密度呈负相关，提示胶质细胞成熟可能为血管网络提供稳定化信号 。这些发现将结构发育阶段与动态变化的分子环境联系起来，为深入理解神经血管单元在发育过程中的偶联机制提供了可验证的分子候选靶点 。

综上， 该 研究开发了 LAMBADA 图谱，以解决现有技术无法对发育中脑血管进行高精度时空配准和分子关联分析的难题。该研究首次在全脑水平揭示了脑血管出生后发育的三个有序阶段，并将其与转录组动态变化相关联，为理解神经血管互作机制提供了重要资源和理论基础。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.03.013

制版人： 十一

参考文献

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