遺傳發育所闡明脊髓發育早期微環境對神經再生的作用

人體組織細胞處在獨特的微環境中，這個微環境由細胞外基質、各種細胞、可溶性信號分子等共同組成。微環境在細胞信號傳導、增殖和分化、形態和遷移、免疫應答以及營養代謝等方面發揮重要作用。深入研究細胞微環境對于了解生命奧秘和疾病治療具有重要意義。脊髓損傷對于成年哺乳動物來說是一種毀滅性打擊，由于成體脊髓組織存在多種抑制再生因素，并且神經細胞再生能力弱，最終導致損傷后脊髓功能的喪失。與成體組織不同，胚胎期和新生期脊髓組織在損傷后表現出強大的再生能力。深入解析脊髓不同發育時期的組織微環境差異，將為闡明脊髓再生機制奠定基礎。

近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員戴建武團隊在《細胞-干細胞》（Cell Stem Cell）上在線發表題為Harnessing developmental dynamics of spinal cord extracellular matrix improves regenerative potential of spinal cord organoids的研究論文。研究利用多組學技術，描繪了脊髓細胞外基質（ECM）隨發育進程的動態變化，并闡明了發育早期的脊髓ECM蛋白在調控脊髓神經干細胞和脊髓類器官中的重要作用。

研究團隊通過蛋白組和單細胞轉錄組分析了脊髓發育時期ECM的動態變化，發現與成體脊髓相比，發育早期脊髓含有ECM更為豐富，包含多種與神經發育和軸突生長相關的ECM蛋白，以及較少的神經再生抑制性ECM蛋白。為了闡明不同發育時期的外基質功能，研究團隊制備新生兔的脫細胞脊髓ECM （DNSCM）和成年兔的脫細胞脊髓ECM（DASCM） 。在物理特性方面，兩種外基質均可以溶解后自組裝形成水凝膠，在力學強度方面沒有明顯差別，但DNSCM表現出更快的成膠速率、更粗的纖維直徑、更高的溶脹率，這提示不同發育時期脊髓ECM在物理特性方面存在差異。相比DASCM，DNSCM可以促進脊髓神經前體細胞增殖、遷移和向神經元分化，以及促進神經元軸突生長和突觸形成。此外，研究團體將脫細胞脊髓ECM應用于脊髓運動神經元類器官（scMN-Organs）的構建。相比于類器官構建常使用的Matrigel，脊髓外基質具有更好的促進scMN-Organs軸突再生效果，體現了組織特異性外基質分子對類器官構建的獨特作用。相比DASCM，DNSCM進一步促進了scMN-Organs的軸突延伸和功能成熟。在體外損傷模型和多種共培養模型中，DNSCM顯著增強了scMN-Organs在損傷后和抑制性環境下軸突的再生，以及scMN-Organs向靶組織的神經投射能力。為了進一步闡明外基質中調控神經再生的關鍵分子，該團隊通過對蛋白組學數據的分析，找到了DNSCM中高表達的候選蛋白，通過生物學實驗證實腱糖蛋白和多效蛋白對scMN-Organs軸突延伸發揮關鍵作用。

研究團隊還發現DNSCM通過改善損傷后抑制性微環境促進內源性神經再生，幫助外源神經干細胞向損傷區以外宿主組織遷移和整合。DNSCM更有利于scMN-Organs在移植后的長期存活和成熟，增強了scMN-Organs和脊髓神經纖維之間的整合。研究工作從細胞外基質的角度闡釋了發育早期環境的重要作用，為促進組織再生提供了新思路。