脊髓损伤的单细胞时空4维图谱公开 助力开发脊髓损伤疗法

瑞士洛桑大学的研究人员开发了一种小鼠脊髓损伤的四维模型，该模型显示了脊髓中近50万个细胞如何随着时间的推移对不同严重程度的损伤做出反应。这个被称为细胞图谱的模型可以帮助研究人员解决悬而未决的问题，助力为脊髓损伤(SCI)患者开发新的治疗方法。

　　

瑞士洛桑大学的研究人员开发了一种小鼠脊髓损伤的四维模型，该模型可展示脊髓中近50万个细胞如何随着时间的推移对不同严重程度的损伤做出反应。这个被称为细胞图谱的模型可以帮助研究人员解决悬而未决的问题，助力为脊髓损伤(SCI)患者开发新的治疗方法。他们使用机器学习算法，通过绘制RNA测序和其他细胞生物学技术的数据来构建图谱。在今天发表在《Nature》杂志上的论文中他们介绍了这项工作，并通过在线平台提供了整个图谱。作者之一、来自瑞士日内瓦联邦理工学院的神经生物学家Mark Anderson表示：“如果你知道脊髓上的每一个细胞对损伤的反应，你就可以利用这些知识来开发量身定制的和基于机制的治疗方法，”“事情不需要胡乱猜测。”

Tabulae Paralysis 整合了一个包含50万个细胞的单核转录组图谱、一个在同一细胞核内配对转录组和表观基因组测量的多组图谱、以及两个跨越空间和时间4个维度的损伤脊髓空间转录组图谱，共计四种脊髓损伤相关图谱的汇编。作者将这些图谱整合到一个共同的框架中，以剖析控制脊髓损伤反应的分子逻辑。Tabulae Paralytica有助于揭示决定脊髓损伤后果的生物学原理，包括对损伤的不同神经元反应；损伤后特定神经元亚群在上调回路重组程序的启动；神经元应激反应与回路重组程序激活之间的反比关系；脊髓损伤后在免疫特权和神经外环境之间重建三方神经保护屏障的必要性，以及老年小鼠未能形成这种屏障。作者利用Tabulae Paralytica开发了一种恢复老年小鼠重建三方屏障活力的基因疗法，恢复了老年小鼠瘫痪后的自然修复。Tabulae Paralytica提供了一个了解脊髓损伤病理生物学的窗口，同时建立了一个框架，可以在四个维度上整合多模式、基因组尺度的测量来研究生物学和医学。

RNA测序追踪受伤脊髓细胞的反应

研究人员检查了52只受伤和未受伤小鼠的脊髓切片，分别在受伤后1、4、7、14、30和60天取样。他们的分析涉及18种实验性脊髓损伤情况，包括不同类型的损伤和严重程度。他们使用RNA测序工具来探索482,825个细胞如何随着时间的推移对损伤做出反应。

脊髓和大脑一样，是由脆弱的组织组成的，它通过物理屏障与人体的免疫系统隔离开来，这些物理屏障限制了免疫细胞的进入。但是当脊髓受损时，来自身体的免疫细胞会渗透到损伤部位并激活炎症反应。这可以使伤口免于感染，但也会损害愈合并使病变恶化。研究人员发现，在受伤后的7到14天内，渗透量达到峰值；损伤会立即损害形成血脊髓屏障和蛛网膜屏障(覆盖脊髓的保护膜)的细胞的功能。与这些屏障功能障碍相关的基因在受伤后的前四天逐渐开启，但在第7天开始表达减少。

研究人员还比较了年轻和年老小鼠对损伤的细胞反应。当脊髓损伤发生时，被称为星形胶质细胞的特化细胞在脊髓病变周围形成一层薄薄的边界，并将其密封以保护邻近组织。这些保护性屏障在伤口修复和恢复中起着至关重要的作用。研究发现，相比年轻动物，年老动物中的星形胶质细胞失去了对损伤的反应能力和在病变周围形成保护边界的能力。Anderson说:“观察组织学图像，你可以用肉眼看到，在幼鼠身上这屏障形成得非常牢固，但在老年小鼠身上却完全不起作用。”结果，老年小鼠的损伤更大，神经元损失更广泛，免疫细胞入侵更大。他们从脊髓损伤中恢复的能力也降低，因而导致功能障碍和瘫痪。

基因治疗

利用来自图谱的见解，研究人员设计了一种基因疗法来促进老年小鼠脊髓损伤后的伤口修复。他们使用一种病毒将被编程表达三种生长因子(EGF, FGF2和VEGF)的基因传递给脊髓细胞。这些蛋白质可以促进星形胶质细胞和形成血脊髓屏障的细胞的生长。

当在脊髓损伤前2天将其注射到老年小鼠的下胸脊髓时，治疗增加了边界形成的星形胶质细胞的数量，减少了有害免疫细胞的浸润，并有助于恢复血脊髓屏障的完整性。接受治疗的小鼠的脊髓损伤更小，范围更广，并且恢复了行走能力，就像经历类似损伤的年轻小鼠一样。

研究中的基因治疗部分提供了原理证明，但警告说，在这种方法可能使类似损伤的人受益之前，还需要做更多的工作。一个关键的挑战将是控制基因治疗效果的持续时间。马萨诸塞州波士顿大学的医学工程师Timothy O 'Shea说:“我们不一定要长期刺激这种星形胶质细胞的增殖反应。”确定实施这些治疗的最佳时间也至关重要。“我认为，从治疗的角度来看，这些问题仍然是需要解决的。”

加州大学圣地亚哥分校研究脊髓再生的Binhai Zheng说，该图谱是检验脊髓损伤假说的宝贵资源。“这里有很多隐藏的宝藏。”