项目文章 Nat Commun | 同济/复旦破局耐药性癫痫！单细胞测序揭秘大脑血管系统异常促进癫痫发作机制

癫痫是神经系统最常见的疾病之一，局灶性脑皮质发育不良（FCD）是儿童耐药性癫痫的主要病因，其中FCDII是最常见的亚型。尽管已知mTOR信号通路突变与此病相关，但仍有超过50%的病例仍无法用基因突变解释。 2025年4月，同济大学附属杨浦医院联合复旦大学附属儿科医院在Nature Communications杂志上发表了题为“Transcriptomic and morphologic vascular aberrations underlying FCDIIb etiology”的研究成果，突破性地将病因从传统的基因突变扩展至脑血管系统异常，通过单细胞核转录组、病理影像学和荧光染色联合分析，发现脑皮质血管系统的关键异常——一种名为“烟花细胞”的平滑肌细胞（SMCs）迁移至脑实质，进而形成局部缺血缺氧微环境，上调HIF-1α/mTOR/S6通路，破坏神经元和星形胶质细胞活性，导致神经元丢失，促进癫痫发作，为疾病机制和治疗带来了全新视角。中科新生命提供了单细胞核转录组学检测服务。  


  15例FCDIIb患儿的30个皮层样本，包括前额叶、颞叶和顶叶； 斑马鱼癫痫模型； 


  结果1：构建FCDIIb患者皮质的单细胞图谱，发现关键亚群； 结果2：烟花细胞：FCDIIb中的异常SMC； 结果3：血管畸变通过缺血缺氧微环境介导疾病进展；  结果4：血管畸变通过HIF-1α/mTOR/S6通路促进癫痫发作；


  1. 构建FCDIIb患者皮质的单细胞图谱，发现关键亚群 对15例FCDⅡb患儿的损伤部位和相邻皮层组织进行单细胞核转录组分析，共获得217,506个单核转录谱和24个细胞簇，包括7个投射神经元簇、5个中间神经元簇、9个胶质细胞簇和3个血管细胞簇。其中损伤样本中平滑肌细胞（SMC）和星形胶质细胞（AST）显著增加，SMC中细胞迁移等通路显著富集。HE染色发现损伤脑区的血管结构异常，包括内皮细胞增多、血管增厚、梗死和纤维化。表明血管细胞的分子和形态改变是FCDIIb损伤的关键特征。 图1 FCDIIb患者皮质的单细胞图谱   2. 烟花细胞：FCDIIb中的异常SMC 免疫荧光染色发现部分SMC从血管迁移到脑实质，分散在小动脉周围，并呈烟花状，命名为烟花细胞（FCs）。并且SMC和星形胶质细胞/神经元没有共表达，FCs的直径显著高于星形胶质细胞，表明 FCs与星形胶质细胞和神经元不同。在脑损伤样本中，由于正常 SMCs 减少，FCs增多，可能导致局部供氧不足或产生缺氧环境，促进疾病进展。 图2 烟花细胞：FCDIIb中的异常SMC   3. 血管畸变通过缺血缺氧微环境介导疾病进展 磁共振发现损伤脑区的血流量显著减少和低代谢特征，表明存在脑缺血现象。荧光染色显示损伤脑区的Vim⁺细胞中HIF-1α高表达，HIF-1α⁺细胞分散在FC周围，FC⁺区域神经元数量显著减少，星形胶质细胞以岛状模式不均匀地分布在血管周围，表明FCDIIb中的血管畸变会引起缺血缺氧微环境，导致星形胶质细胞功能异常和神经元丢失，进而推动疾病进展。 图3  血管畸变通过缺血缺氧微环境介导疾病进展   4. 血管畸变通过HIF-1α/mTOR/S6通路促进癫痫发作 荧光染色发现损伤脑区的SMC和周皮细胞中存在pS6信号，并与FC分布具有的强相关性，表明血管畸变与mTOR活性密切相关。pS6和Vim共染色显示二者强相关。进一步通过斑马鱼模型进行验证，发现诱导血管发育不全的VEGFR抑制剂Semaxinib加剧了斑马鱼癫痫表型。表明血管畸变可通过HIF-1α/mTOR/S6通路促进癫痫发作。 图4 血管畸变通过HIF-1α/mTOR/S6通路促进癫痫发作


  该研究揭示了局灶性脑皮质发育不良导致的癫痫的全新致病机制，突破性地将病因从传统的基因突变扩展至脑血管系统异常。通过单细胞测序、影像学和荧光染色，首次发现病灶区存在一种异常平滑肌细胞——“烟花细胞”。这些细胞从血管迁移至脑实质，破坏血管功能，引发局部缺血缺氧（I/H）微环境，进而激活HIF-1α/mTOR/S6通路，导致神经元损伤及癫痫发作。斑马鱼模型进一步证实，血管发育不良直接加剧癫痫表型。研究不仅为FCDIIb提供了“血管-缺氧”病理框架，还为联合靶向治疗（靶向mTOR通路+改善血管功能）提供了新的方向。


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