遗传发育所阐明脊髓发育早期微环境对神经再生的作用

人体组织细胞处在独特的微环境中，这个微环境由细胞外基质、各种细胞、可溶性信号分子等共同组成。微环境在细胞信号传导、增殖和分化、形态和迁移、免疫应答以及营养代谢等方面发挥重要作用。深入研究细胞微环境对于了解生命奥秘和疾病治疗具有重要意义。脊髓损伤对于成年哺乳动物来说是一种毁灭性打击，由于成体脊髓组织存在多种抑制再生因素，并且神经细胞再生能力弱，最终导致损伤后脊髓功能的丧失。与成体组织不同，胚胎期和新生期脊髓组织在损伤后表现出强大的再生能力。深入解析脊髓不同发育时期的组织微环境差异，将为阐明脊髓再生机制奠定基础。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员戴建武团队在《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）上在线发表题为Harnessing developmental dynamics of spinal cord extracellular matrix improves regenerative potential of spinal cord organoids的研究论文。研究利用多组学技术，描绘了脊髓细胞外基质（ECM）随发育进程的动态变化，并阐明了发育早期的脊髓ECM蛋白在调控脊髓神经干细胞和脊髓类器官中的重要作用。

研究团队通过蛋白组和单细胞转录组分析了脊髓发育时期ECM的动态变化，发现与成体脊髓相比，发育早期脊髓含有ECM更为丰富，包含多种与神经发育和轴突生长相关的ECM蛋白，以及较少的神经再生抑制性ECM蛋白。为了阐明不同发育时期的外基质功能，研究团队制备新生兔的脱细胞脊髓ECM （DNSCM）和成年兔的脱细胞脊髓ECM（DASCM） 。在物理特性方面，两种外基质均可以溶解后自组装形成水凝胶，在力学强度方面没有明显差别，但DNSCM表现出更快的成胶速率、更粗的纤维直径、更高的溶胀率，这提示不同发育时期脊髓ECM在物理特性方面存在差异。相比DASCM，DNSCM可以促进脊髓神经前体细胞增殖、迁移和向神经元分化，以及促进神经元轴突生长和突触形成。此外，研究团体将脱细胞脊髓ECM应用于脊髓运动神经元类器官（scMN-Organs）的构建。相比于类器官构建常使用的Matrigel，脊髓外基质具有更好的促进scMN-Organs轴突再生效果，体现了组织特异性外基质分子对类器官构建的独特作用。相比DASCM，DNSCM进一步促进了scMN-Organs的轴突延伸和功能成熟。在体外损伤模型和多种共培养模型中，DNSCM显著增强了scMN-Organs在损伤后和抑制性环境下轴突的再生，以及scMN-Organs向靶组织的神经投射能力。为了进一步阐明外基质中调控神经再生的关键分子，该团队通过对蛋白组学数据的分析，找到了DNSCM中高表达的候选蛋白，通过生物学实验证实腱糖蛋白和多效蛋白对scMN-Organs轴突延伸发挥关键作用。

研究团队还发现DNSCM通过改善损伤后抑制性微环境促进内源性神经再生，帮助外源神经干细胞向损伤区以外宿主组织迁移和整合。DNSCM更有利于scMN-Organs在移植后的长期存活和成熟，增强了scMN-Organs和脊髓神经纤维之间的整合。研究工作从细胞外基质的角度阐释了发育早期环境的重要作用，为促进组织再生提供了新思路。