脊髓“圖譜”有望為損傷患者開發(fā)新治療方法

近日，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的神經(jīng)生物學(xué)家Mark Anderson和同事使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通過(guò)繪制RNA測(cè)序和其他細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的數(shù)據(jù)構(gòu)建了脊髓圖譜，有望幫助研究人員為脊髓損傷患者開發(fā)新的治療方法。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

脊髓從大腦底部通過(guò)脊椎中心的一根管延伸到下背部。

研究人員開發(fā)了一個(gè)小鼠脊髓損傷的四維模型，該模型顯示了脊髓中近50萬(wàn)個(gè)細(xì)胞如何隨著時(shí)間的推移對(duì)不同嚴(yán)重程度的損傷做出反應(yīng)，可以幫助研究人員解決懸而未決的問題。

“如果你知道脊髓上的每一個(gè)細(xì)胞對(duì)損傷的反應(yīng)，你就可以利用這些知識(shí)來(lái)開發(fā)量身定制的、基于機(jī)制的療法?！比鹗柯?lián)邦理工學(xué)院的神經(jīng)生物學(xué)家Mark Anderson說(shuō)。

研究人員檢查了52只受傷和未受傷小鼠的脊髓切片，分別在受傷后1、4、7、14、30和60天取樣。他們的分析涉及18種實(shí)驗(yàn)性脊髓損傷情況，包括不同類型的損傷和嚴(yán)重程度。他們使用RNA測(cè)序工具來(lái)探索482825個(gè)細(xì)胞如何隨時(shí)間的推移對(duì)損傷做出反應(yīng)。

脊髓和大腦一樣，是由脆弱的組織組成的，這些組織通過(guò)限制免疫細(xì)胞進(jìn)入的物理屏障與身體免疫系統(tǒng)隔離。但當(dāng)脊髓受損時(shí)，身體的免疫細(xì)胞會(huì)滲透到損傷部位并激活炎癥反應(yīng)。這樣可以使損傷免受感染，但也會(huì)影響愈合，使損傷惡化。研究人員表明，在受傷后7到14天內(nèi)，血流量會(huì)達(dá)到峰值。

他們還發(fā)現(xiàn)，損傷會(huì)立即損害形成血液-脊髓屏障和蛛網(wǎng)膜屏障的細(xì)胞的功能。蛛網(wǎng)膜屏障是覆蓋脊髓的保護(hù)膜。

在損傷后的前四天，與這些屏障功能障礙相關(guān)的基因越來(lái)越多地被激活，但在第七天，它們的表達(dá)開始減少。

研究人員還比較了年輕和年老小鼠對(duì)損傷的細(xì)胞反應(yīng)。當(dāng)脊髓損傷發(fā)生時(shí)，被稱為星形膠質(zhì)細(xì)胞的特化細(xì)胞在脊髓病變周圍形成一層薄薄的邊界，并將其密封以保護(hù)鄰近組織。這些保護(hù)性屏障在傷口修復(fù)和恢復(fù)中起著至關(guān)重要的作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在年老小鼠中，星形膠質(zhì)細(xì)胞失去了對(duì)損傷的反應(yīng)能力，并在病變周圍形成保護(hù)邊界，但在年輕小鼠中卻沒有。

Anderson說(shuō)：“通過(guò)觀察組織學(xué)圖像，你可以用肉眼看到，這些屏障在年輕動(dòng)物身上形成得非常牢固，但在年老小鼠身上卻完全功能失調(diào)?！?/p>

結(jié)果，年齡較大的小鼠病變更大，神經(jīng)元損失更大，免疫細(xì)胞侵襲更大。他們從脊髓損傷中恢復(fù)的能力也降低，導(dǎo)致功能損傷和癱瘓。

利用圖譜中的見解，研究人員設(shè)計(jì)了一種基因療法，以促進(jìn)年老小鼠脊髓損傷后的傷口修復(fù)。他們使用一種病毒將被編程為表達(dá)三種生長(zhǎng)因子（EGF、FGF2和VEGF）的基因輸送到脊髓細(xì)胞。這些蛋白質(zhì)可以促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞和形成血脊髓屏障的細(xì)胞的生長(zhǎng)。

當(dāng)在脊髓損傷前兩天將其注射到年老小鼠的下胸脊髓時(shí)，治療增加了形成邊界的星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量，減少了有害免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)，并有助于恢復(fù)血脊髓屏障的完整性。結(jié)果，接受治療的小鼠的脊髓損傷更小、更可控，并且恢復(fù)了與經(jīng)歷過(guò)類似損傷的年輕小鼠一樣好的行走能力。

研究人員表示，該研究的基因治療部分提供了原理證據(jù)，但他們警告說(shuō)，這種方法用于類似損傷的人類之前，還需要做更多工作。

美國(guó)波士頓大學(xué)的醫(yī)學(xué)工程師Timothy O'Shea說(shuō)。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)將是控制基因治療效果的持續(xù)時(shí)間，確定實(shí)施此類治療的最佳時(shí)間也至關(guān)重要。