脊椎损伤恢复：特定神经元再生

撰文丨十一月

脊椎损伤后轴突可以再生，但是稳健的脊椎功能恢复仍然很难完全实现。如何在脊椎损伤后进行神经功能的恢复成了脊椎再生领域的一个重要问题。为此，瑞士联邦理工学院Mark A. Anderson研究组、Gregoire Courtine研究组以及Jordan W. Squair（第一作者）合作在Science上发文题为Recovery of walking after paralysis by regenerating characterized neurons to their natural target region，通过在脊椎靶标区域特定神经元的再生促进脊椎损伤后行走能力的恢复。

横断轴突式脊椎损伤（Spinal cord injury，SCI）后，受损的中枢神经系统神经元通过诱导生长程序以及提供化学吸引生长因子等可以实现神经系统再生【1-4】。尽管通过这些手段可以促进轴突再生实现，但是却不能确保神经功能实现稳健性恢复。因此，一定还存在其他未解机制调节神经功能的恢复。

为了回答这些问题，作者们先前的工作通过建立严重但非完全横断的方式进行脊椎损伤，并对神经细胞亚群进行了研究【5-7】。作者们认为神经细胞亚群可能对不完全脊椎损伤中神经功能以及行走能力恢复非常关键。

腰椎中存在产生行走的神经亚群。脊椎的单侧半横断（Unilateral hemisections）类似于Brown-Séquard综合征，会导致行走相关的神经元受到损伤。人类和动物模型中在脊椎单侧半损伤后都能够恢复双侧行走。之后，即使在对侧脊椎进行单侧半横断可以破坏轴突透射，但仍然能够恢复行走。

为了鉴定投射到腰椎神经中神经亚群，作者们注射了重组rAAV2-eGFP-KASH到未损伤的小鼠脊椎之中，从而对特定的投射神经元进行单细胞核RNA-seq。作者们收集了高质量细胞转录图谱，包括122个eGFP标记的神经元以及2823个eGFP不表达的神经元。从中作者们发现了28个亚群，其中105个eGFP表达的神经元属于Hoxa7、Vsx2以及Zfhx3标记的胸神经元，作者们将该群神经元命名为（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神经元（图1）。

图1 鉴定脊椎修复中的关键神经元

考虑到胸神经元只在非完全脊椎横断损伤中非常关键，作者们想知道（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神经元转录是否在自然恢复中受到损伤。因此，作者们对未损伤以及损伤后恢复的小鼠进行神经元细胞核转录谱比较。作者们发现（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神经元中突触增强、树突形态发生信号途径、肌动蛋白骨架重组均上调，这与自然恢复的神经元表达谱变化相似。随后，作者们也对（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神经元投射以及连接组进行了刻画。

之前的研究曾发现对于轴突生长关键的因子在脊椎完全横断损伤后可以促进轴突再生。因此，作者们提出假设在脊椎完全横断损伤后，如果能够重建半损伤后行走能力恢复所需要神经投射，那么将有可能会恢复腰椎神经元行走功能。为此，作者们首先通过病毒载体过表达Spp1、Igf1、Cntf等因子帮助激活内在神经元生长能力，之后通过在损伤部位诱导FGF2以及EGF诱导轴突生长支持基质，最后在损伤之后的区域递送生物表达胶质细胞神经营养因子作为化学吸引因子（图2）。

图2 脊椎横断损伤再生策略

通过该生物工程方法，作者们证明（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神经元可在靶标区域再生形成具有功能的轴突投射进入调节行走能力的腰椎之中。进一步地，通过对行走脊椎横断损伤后特定神经元的轴突再生，作者们发现小鼠的行走能力被大大恢复。如果将白喉毒素受体表达在Vsx2神经元中，通过使用白喉毒素诱导Vsx2神经元删除，抑或是对激活Vsx2神经元进行沉默均会导致小鼠失去行走能力。因此，（SC）Vsx2::Hoxa7::Zfhx3Lumbar神经元轴突投射恢复对于小鼠行走能力恢复是必须的。

总的来说，作者们的工作重建了脊椎再生过程中关键神经元亚群向腰椎的轴突投射，从而实现恢复失去的神经功能，进一步促进小鼠恢复行走能力。这一轴突再生策略为脊髓损伤神经功能的恢复提供了新的思路。

https://www.science.org/doi/10.1126

制版人：十一

参考文献

1. M. A. Anderson et al.,Nature561, 396–400 (2018).

2. F. Sun et al.,Nature480, 372–375 (2011).

3. M. A. Anderson et al.,Nature532, 195–200 (2016).

4. Z. He, Y. Jin,Neuron90, 437–451 (2016)

5. G. Courtine et al.,Nat. Med.14, 69–74 (2008).

6. B. Chen et al.,Cell174, 521–535.e13 (2018).

7. K. C. Murray et al.,Nat. Med.16, 694–700 (2010).