脊椎損傷恢復：特定神經元再生
撰文丨十一月
脊椎損傷後軸突可以再生，但是穩健的脊椎功能恢復仍然很難完全實現。如何在脊椎損傷後進行神經功能的恢復成了脊椎再生領域的一個重要問題。爲此，瑞士聯邦理工學院Mark A. Anderson研究組、Gregoire Courtine研究組以及Jordan W. Squair（第一作者）合作在Science上發文題爲Recovery of walking after paralysis by regenerating characterized neurons to their natural target region，通過在脊椎靶標區域特定神經元的再生促進脊椎損傷後行走能力的恢復。
橫斷軸突式脊椎損傷（Spinal cord injury，SCI）後，受損的中樞神經系統神經元通過誘導生長程序以及提供化學吸引生長因子等可以實現神經系統再生【1-4】。儘管通過這些手段可以促進軸突再生實現，但是卻不能確保神經功能實現穩健性恢復。因此，一定還存在其他未解機制調節神經功能的恢復。
爲了回答這些問題，作者們先前的工作通過建立嚴重但非完全橫斷的方式進行脊椎損傷，並對神經細胞亞羣進行了研究【5-7】。作者們認爲神經細胞亞羣可能對不完全脊椎損傷中神經功能以及行走能力恢復非常關鍵。
腰椎中存在產生行走的神經亞羣。脊椎的單側半橫斷（Unilateral hemisections）類似於Brown-Séquard綜合徵，會導致行走相關的神經元受到損傷。人類和動物模型中在脊椎單側半損傷後都能夠恢復雙側行走。之後，即使在對側脊椎進行單側半橫斷可以破壞軸突透射，但仍然能夠恢復行走。
爲了鑑定投射到腰椎神經中神經亞羣，作者們注射了重組rAAV2-eGFP-KASH到未損傷的小鼠脊椎之中，從而對特定的投射神經元進行單細胞核RNA-seq。作者們收集了高質量細胞轉錄圖譜，包括122個eGFP標記的神經元以及2823個eGFP不表達的神經元。從中作者們發現了28個亞羣，其中105個eGFP表達的神經元屬於Hoxa7、Vsx2以及Zfhx3標記的胸神經元，作者們將該羣神經元命名爲（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神經元（圖1）。
圖1 鑑定脊椎修復中的關鍵神經元
考慮到胸神經元只在非完全脊椎橫斷損傷中非常關鍵，作者們想知道（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神經元轉錄是否在自然恢復中受到損傷。因此，作者們對未損傷以及損傷後恢復的小鼠進行神經元細胞核轉錄譜比較。作者們發現（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神經元中突觸增強、樹突形態發生信號途徑、肌動蛋白骨架重組均上調，這與自然恢復的神經元表達譜變化相似。隨後，作者們也對（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神經元投射以及連接組進行了刻畫。
之前的研究曾發現對於軸突生長關鍵的因子在脊椎完全橫斷損傷後可以促進軸突再生。因此，作者們提出假設在脊椎完全橫斷損傷後，如果能夠重建半損傷後行走能力恢復所需要神經投射，那麼將有可能會恢復腰椎神經元行走功能。爲此，作者們首先通過病毒載體過表達Spp1、Igf1、Cntf等因子幫助激活內在神經元生長能力，之後通過在損傷部位誘導FGF2以及EGF誘導軸突生長支持基質，最後在損傷之後的區域遞送生物表達膠質細胞神經營養因子作爲化學吸引因子（圖2）。
圖2 脊椎橫斷損傷再生策略
通過該生物工程方法，作者們證明（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神經元可在靶標區域再生形成具有功能的軸突投射進入調節行走能力的腰椎之中。進一步地，通過對行走脊椎橫斷損傷後特定神經元的軸突再生，作者們發現小鼠的行走能力被大大恢復。如果將白喉毒素受體表達在Vsx2神經元中，通過使用白喉毒素誘導Vsx2神經元刪除，抑或是對激活Vsx2神經元進行沉默均會導致小鼠失去行走能力。因此，（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神經元軸突投射恢復對於小鼠行走能力恢復是必須的。
總的來說，作者們的工作重建了脊椎再生過程中關鍵神經元亞羣向腰椎的軸突投射，從而實現恢復失去的神經功能，進一步促進小鼠恢復行走能力。這一軸突再生策略爲脊髓損傷神經功能的恢復提供了新的思路。
https://www.science.org/doi/10.1126
製版人：十一
參考文獻
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