Nature Communications（IF=16.6）！单细胞测序解析神经再生胶原支架促进灵长类脊髓损伤修复

▷2023/10/31

同萃生材

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脊髓损伤是世界医学难题之一，它会导致病变处严重的感觉和运动功能障碍，病变处不同区域的细胞动态反应和异质性仍然难以捉摸，迄今仍无临床可用的有效治疗手段。

为了克服这一困难，中国科学院遗传发育所戴建武教授成功研发了神经再生胶原支架（NeuroRegen® Scaffold），表明神经再生胶原支架修复脊髓损伤安全有效，实现了神经修复的医疗器械产品0到1的突破。

研究人员通过单细胞转录组测序深入解析恒河猴完全性脊髓损伤近端和远端不同区域的细胞动态变化，并阐明胶原材料支架移植对完全性脊髓损伤不同区域的治疗效应和机制。

相关研究内容以“Single-cell analysis reveals region-heterogeneous responses in rhesus monkey spinal cord with complete injury”为题于2023年8月9日发表在《Nature Communications》上。

本研究首次全面解析灵长类脊髓损伤区域异质性病理过程，而且首次阐明支架材料治疗脊髓损伤对远端退行性微环境的调控机制。模式图展示了支架材料移植前后不同区域脊髓细胞反应。

1.恒河猴损伤脊髓的单细胞图谱揭示了区域特异性细胞动力学

为了明确定义SCI后的区域，研究人员通过切割和移除成年恒河猴约8毫米的胸（T9）脊髓组织，建立了胸段全横断脊髓损伤恒河猴模型。根据病理特点将恒河猴损伤脊髓分为损伤区(Injured area, IA)，退变区(Degenerative area, DA)和激活区(Spared but activated area, SA)。然后分别对这几个近端区域及损伤以下远端腰段正常组织(Spared lumbar, SL)在不同时间点(7天，14天，30天，6个月)进行单细胞测序，最终获得涵盖已知全部细胞类型的恒河猴脊髓损伤单细胞图谱（图1）。

图1 损伤恒河猴脊髓的单细胞图谱揭示了从近端到远端组织的区域相关细胞动力学

2.SCI导致小胶质细胞持续活化进入疾病相关状态

研究人员对恒河猴脊髓损伤不同位置的小胶质细胞，神经元，少突胶质细胞进行了重点分析，损伤导致小胶质细胞持续激活进入疾病相关状态为了了解小胶质细胞的异质性，研究人员对小胶质细胞/巨噬细胞簇进行了进一步的聚类分析，并确定了六种不同的亚型（图2a，b）。基于DEG的基因表达和基因本体论（GO）分析，分别将簇1-5分别标记为稳态小胶质细胞、炎症性小胶质细胞，单核细胞/巨噬细胞、分裂性小胶质瘤（DM）和干扰素激活的小胶质细胞发现脊髓损伤后小胶质细胞持续激活产生一群疾病相关小胶质细胞 (DAMLM)。特别是在远端SL区域，DAMLM比例持续增加，几乎和损伤近端相同。DAMLM下调小胶质稳态相关基因，上调脂代谢和吞噬相关基因，并低表达促炎性M1相关基因，主要分布在下行神经纤维(如皮质脊髓束)区域，负责清除退变细胞碎片。

图2 SCI将小胶质细胞大规模激活为DAM样小胶质细胞（DAMLM），其特征是脂质代谢和吞噬作用。

图3 SCI后病变下方近端和远端区域神经元的异质性反应

图4 损伤诱导的疾病相关少突胶质细胞的特征

3.SCI后近端和远端神经元的异质反应

研究人员发现损伤后近端和远端神经元呈现不同的病理反应，近端兴奋性神经元比例增加，而远端腰段抑制性神经元比例增加。损伤近端神经元在急性期显著上调再生相关基因，而远端则在慢性期上调自噬相关基因。成熟少突胶质细胞 (OLs) 在损伤近端和远端均诱导出现新的亚群，产生SERPINA3+疾病相关亚群（DOLs），主要分布在下行神经纤维区域，并且相对于正常OL细胞，DOLs显著下调髓鞘化相关基因。同时，远端腰段的小胶质细胞，神经元和少突胶质细胞上调表达RNA剪切、饥饿响应及自噬相关基因，表明远端组织细胞长期处于应激状态。

图5 脊髓损伤后，白质星形胶质细胞和灰质星形胶质细胞对损伤的反应不同，在远端区域轻微激活

4.神经再生胶原支架材料可以植入改善损伤区域的微环境，促进轴突再生

研究人员分析了神经再生胶原支架材料联合抗肿瘤药物西妥昔单抗共同移植对恒河猴脊髓损伤的修复作用及机制。通过对损伤区组织进行分析，发现支架移植能明显促进损伤区神经纤维再生，促进施旺细胞及血管周成纤维细胞向损伤区迁移，促进损伤区细胞神经营养因子表达，并且减少胶质瘢痕成分蛋白沉积。同时，通过对远端腰段组织分析，发现支架材料移植减少神经元细胞中抑制性神经元比例，同时减少炎症性小胶质细胞的比例，促进DAMLM小胶质细胞的吞噬和脂代谢功能，促进OLs髓鞘化相关基因表达。这提示支架材料移植不仅能改善损伤区微环境还能调控远端脊髓组织退行性微环境，最终促进损伤修复。

图6 功能性支架植入促进轴突再生，改善损伤区微环境

图7 功能性支架植入减少了抑制性递质的分泌，并维持了腰脊髓神经元的突触功能

图8 功能性支架植入重塑远端腰椎微环境

本文总结

本文研究人员构建了恒河猴受伤脊髓中从急性期到慢性期不同区域的细胞图谱。该图谱描绘了受伤恒河猴脊髓中多种细胞类型的独特分子异质性和时空动力学。具体来说，研究人员发现病变下方远端腰组织中的细胞也受到影响并产生了退行性微环境。纤维化、胶质生成和对SCI的炎症反应随着距损伤部位的距离而降低，但与细胞应激、吞噬作用和自噬相关的基因在病变下方上调。此外，研究人员还发现功能性支架植入可以改善病变部位和保留腰椎的微环境，挽救病变下方神经元的功能障碍。这些发现可能为SCI修复病变下方的潜在靶点提供见解。

文章来源：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40513-5