Building 'cellular bridges' for spinal cord repair after injury

在老鼠实验中，科学家将一种特定类型的重组蛋白引入脊髓损伤部位，该部位已被称为周细胞（pericytes）的细胞涌入。结果显示，一旦暴露于这种蛋白，周细胞会改变形状，抑制某些分子的产生，同时分泌其他分子，形成支持轴突再生的“细胞桥梁”——轴突是传递信息的神经细胞体的细长延伸部分。

研究人员观察到，接受单次生长因子蛋白注射治疗的受伤老鼠出现了轴突再生，并且这些动物的后肢也恢复了运动能力。一项涉及人类细胞的实验表明，该结果不仅限于老鼠。

“还有很多可以学习和扩展的地方，但我们对此研究得越多，就越惊讶于这种单一疗法的强大效力及其有效性，”资深研究作者、俄亥俄州立大学医学院神经科学副教授安德里亚·特德斯基（Andrea Tedeschi）说。“这一发现超越了脊髓损伤——它对脑损伤、中风以及神经退行性疾病也具有意义。”

研究人员表示，这项工作强调了血管恢复对脊髓损伤后神经功能恢复的重要性。

“脊髓损伤之所以严重，不仅是因为它们阻断了信息在损伤部位的传递，还因为所有的脉管系统结构和功能也受到了损害，”第一研究作者、俄亥俄州立大学神经科学助理教授孙文静（Wenjing Sun）说。“即使你能在两端之间重建神经元连接，除非你处理好其他崩溃的系统，否则总体效果仍无法最大化。”

该研究于4月18日发表在期刊《分子治疗》(Molecular Therapy)上。

先前的研究表明周细胞会干扰脊髓损伤的恢复，这导致一些科学家建议将其从损伤部位清除以帮助修复。但癌症研究表明，当周细胞暴露于一种名为血小板源性生长因子BB（PDGF-BB）的蛋白时，其特性会发生改变——这是肿瘤生成自身血液供应的方式之一。在癌症中，目标是阻断PDGF-BB信号传导。

早期的神经科学研究也表明，周细胞具有高度的“可塑性”，这意味着它们对微环境的变化（包括PDGF-BB的存在）反应非常灵敏。特德斯基及其同事看到了利用这种细胞-蛋白关系来稳定脊髓损伤周围脉管系统的潜力。在此过程中，他们发现新生的血管为再生的轴突建立了一条可循的路径。

研究团队从成像研究开始，证明当脊髓被切断后，周细胞会随时间迁移到损伤部位，但不会促进支持轴突再生所需的功能性血管的生长。

在细胞培养实验中，研究员铺设了一层周细胞“地毯”，添加PDGF-BB，然后将一层成年老鼠的感觉神经元铺在上面，并评估了24小时内轴突的生长量。经处理的轴突生长量几乎与正常条件下健康轴突的延伸量相当。

单独使用PDGF-BB并不能产生此结果。相反，实验表明，周细胞与这种生长因子结合后，重组了纤连蛋白（fibronectin）——一种在组织修复、细胞附着和运动中起关键作用的多功能粘附糖蛋白。细胞本身也改变了形状，变得更加细长。

“我们知道这些细胞会浸润并沉积在损伤中心区域。它们变成的这些细长纤维结构在促进轴突从一端再生到另一端并绕过损伤方面更具容许性，”特德斯基说。

“为了拓展我们研究结果的临床相关性，我们将老鼠神经元培养在暴露于PDGF-BB的人类周细胞之上，这足以触发促生长效应，表明这可能确实是一种普遍现象，不仅限于老鼠。”

在针对脊髓损伤动物的实验中，研究人员在损伤后等待了七天——相当于成年人大约九个月的时间——才在损伤部位注射单剂量的PDGF-BB。损伤四周后的组织分析显示，与受伤对照老鼠的轴突反应相比，注射PDGF-BB产生了强劲的轴突再生性生长。

“当我们观察这些跨越损伤部位的周细胞结构的形成时，我们看到治疗促进了这些‘桥梁’的生长。并且绝大多数（如果不是全部）这些再生轴突能够通过搭乘响应PDGF-BB给药而形成的细胞桥逃离损伤部位，”孙文静说。

对接受PDGF-BB治疗的损伤动物进行的电生理学和运动评估检测到了损伤部位以外的感觉活动，并显示这些老鼠比对照组老鼠恢复了对后肢更好的控制能力。这些动物对非疼痛刺激的敏感性也降低了，表明它们没有经历脊髓损伤常引发的神经病理性疼痛。

对修复过程中炎症蛋白存在的分析表明，PDGF-BB给药不仅促进轴突再生，还减轻了炎症。RNA测序显示，脊髓损伤导致周细胞的基因表达下降，但这些细胞保留了其核心特性，并未转化为其他类型的细胞——例如，最终可能对损伤环境具有破坏性的细胞类型。

“一些经典的周细胞标志物减少了，但获得了一些与试图重建细胞桥和功能血管相关的附加功能，”孙文静说。“根据我们数据中的整体基因特征，它们仍被归类为周细胞。”

孙文静表示，由于特德斯基、孙文静及其同事先前已在老鼠身上证明加巴喷丁（gabapentin）能促进脊髓损伤后的神经回路再生，因此有可能考虑采用多管齐下的治疗方法。

“我们可以将两者结合起来——用药物调节成年神经元的内在特性，以及我们在此所做的工作，调节非神经元环境以产生细胞相互作用，为神经元生长提供更具容许性的基质，”她说。

目前已计划开展更多工作，以确定PDGF-BB给药的确切时机——假设周细胞需要一些时间迁移至损伤部位——以及治疗的理想浓度和潜在的缓释递送系统。

这项研究得到了美国国家神经疾病和中风研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke）以及俄亥俄州立大学慢性脑损伤计划（Ohio State's Chronic Brain Injury Program）的支持。

其他合著者包括俄亥俄州立大学的埃利奥特·迪翁（Elliot Dion）、法比奥·拉雷多（Fabio Laredo）、艾莉森·奥科纳克（Allyson Okonak）、杰西·塞佩达（Jesse Sepeda）、埃斯拉·哈卡尔（Esraa Haykal）、周敏（Min Zhou）、海瑟姆·埃尔-霍迪里（Heithem El-Hodiri）、安迪·菲舍尔（Andy Fischer）、彭娟（Juan Peng）、安德鲁·萨斯（Andrew Sas），以及凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的杰里·西尔弗（Jerry Silver）。