近日，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的神經(jīng)生物學(xué)家Mark Anderson和同事使用機器學(xué)習(xí)算法，通過繪制RNA測序和其他細胞生物學(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脊椎中心的一根管延伸到下背部。

圖片來源：Zephyr/Science Photo Library

研究人員開發(fā)了一個小鼠脊髓損傷的四維模型，該模型顯示了脊髓中近50萬個細胞如何隨著時間的推移對不同嚴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細胞對損傷的反應(yīng)，你就可以利用這些知識來開發(fā)量身定制的、基于機制的療法。”瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的神經(jīng)生物學(xué)家Mark Anderson說。

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種實驗性脊髓損傷情況，包括不同類型的損傷和嚴重程度。他們使用RNA測序工具來探索482825個細胞如何隨時間的推移對損傷做出反應(yīng)。

脊髓和大腦一樣，是由脆弱的組織組成的，這些組織通過限制免疫細胞進入的物理屏障與身體免疫系統(tǒng)隔離。但當脊髓受損時，身體的免疫細胞會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)，血流量會達到峰值。

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

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

研究人員還比較了年輕和年老小鼠對損傷的細胞反應(yīng)。當脊髓損傷發(fā)生時，被稱為星形膠質(zhì)細胞的特化細胞在脊髓病變周圍形成一層薄薄的邊界，并將其密封以保護鄰近組織。這些保護性屏障在傷口修復(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)細胞失去了對損傷的反應(yīng)能力，并在病變周圍形成保護邊界，但在年輕小鼠中卻沒有。

Anderson說：“通過觀察組織學(xué)圖像，你可以用肉眼看到，這些屏障在年輕動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)計了一種基因療法，以促進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三種生長因子（EGF、FGF2和VEGF）的基因輸送到脊髓細胞。這些蛋白質(zhì)可以促進星形膠質(zhì)細胞和形成血脊髓屏障的細胞的生長。

當在脊髓損傷前兩天將其注射到年老小鼠的下胸脊髓時，治療增加了形成邊界的星形膠質(zhì)細胞的數(shù)量，減少了有害免疫細胞的浸潤，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，這種方法用于類似損傷的人類之前，還需要做更多工作。

美國波士頓大學(xué)的醫(yī)學(xué)工程師Timothy O’Shea說。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)將是控制基因治療效果的持續(xù)時間，確定實施此類治療的最佳時間也至關(guān)重要。

來源：中國科學(xué)報