《npj Regenerative Medicine》：Neuronal activation in the axolotl brain promotes tail regeneration
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為探究神經元對蠑螈脊髓損傷的反應及在尾巴再生中的作用，研究人員開展了相關研究。他們發現蠑螈腦內 dpErk+/etv1+谷氨酸能神經元激活對尾巴再生至關重要，其可上調神經降壓素（nts） 。該成果為再生醫學研究提供新方向。
在神奇的動物世界里，再生現象隨處可見，從扁蟲的全身再生到人類的肝臟再生，無不展示著生命的奇妙能力。然而，對于大多數動物來說，中樞神經系統（CNS，包括大腦和脊髓）在遭受創傷性損傷后的再生，卻如同難以攀登的高峰。哺乳動物脊髓損傷后，不僅受損神經元會發生沃勒變性（Wallerian degeneration），周圍的神經膠質細胞還會迅速遷移到損傷部位，形成膠質瘢痕（glial scar），這道 “屏障” 阻礙了軸突的再生，使得功能恢復變得異常困難。
相比之下，墨西哥鈍口螈（Ambystoma mexicanum），也就是我們常說的蠑螈，卻擁有令人驚嘆的再生能力，它是少數能夠再生大腦和脊髓的脊椎動物之一。在過去的研究中，科學家們大多聚焦于蠑螈損傷部位附近細胞對再生的促進作用，發現了多個阻止膠質瘢痕形成的信號通路。但脊髓受遠距離神經元支配，如大腦和腦干中的神經元，這些遠距離投射神經元對調節隨意運動至關重要，對功能性脊髓修復不可或缺。然而，此前卻沒有人研究這些遠距離神經元回路在脊髓損傷后會如何反應。為了填補這一空白，來自美國海洋生物實驗室（Marine Biological Laboratory）等機構的研究人員展開了深入探索，相關研究成果發表在《npj Regenerative Medicine》雜志上。
研究人員運用了多種關鍵技術方法來開展此項研究。在實驗動物模型方面，選用白蠑螈進行實驗，并按照嚴格的動物倫理規范進行飼養和處理。實驗技術上，采用免疫組化（Immunohistochemistry）來檢測蛋白表達，如用 dpErk 抗體標記神經元的激活狀態；通過病毒示蹤（Viral tracing）觀察神經元軸突的投射方向；利用單細胞測序（Single cell sequencing）分析細胞的轉錄組變化；借助基因本體分析（Gene Ontology analysis）挖掘差異表達基因參與的生物過程；運用實時定量 PCR（Real time qualitative PCR）檢測特定基因的表達水平 。
下面來看看具體的研究結果：
- 損傷導致大腦中 Erk 的長期激活：研究人員通過給蠑螈尾巴截肢，然后在不同時間點用磷酸化 Erk（dpErk）抗體對其大腦進行染色。結果發現，未受傷的蠑螈大腦中幾乎檢測不到 dpErk 信號，而在尾巴截肢后 30 分鐘，大腦中的 Erk 信號就顯著增加，并且這種增加會持續到截肢后約 43 天。進一步研究發現，dpErk 信號主要集中在蠑螈大腦的內側 pallium 區域，且這些 dpErk+神經元表達 etv1 和囊泡谷氨酸轉運體 1（slc17a7），表明它們是谷氨酸能神經元，具有哺乳動物遠距離投射神經元的標記。此外，不同類型的損傷，如肢體截肢、皮膚活檢和脊髓消融，都能導致這些神經元中 dpErk 信號增加，說明神經元的 Erk 激活是對損傷的一種普遍反應。
- 大腦中 Erk 激活對正常尾巴再生至關重要：為了探究大腦中神經元激活在尾巴再生中的功能，研究人員向蠑螈大腦注射 Erk 抑制劑 FR180204 或對照試劑，然后進行尾巴截肢。結果顯示，抑制大腦中的 Erk 信號會顯著縮短尾巴的再生長度，并且在 21 天后，再生尾巴中的軸突數量減少，長度和寬度也明顯減小。同時，研究發現抑制大腦中的 Erk 信號不會影響脊髓或肢體中 ependymoglial 細胞的增殖，表明大腦中的神經元激活對尾巴軸突再生是必要的，但對 ependymoglial 細胞增殖不是必需的。此外，研究人員還發現，抑制谷氨酸能神經元的興奮性或阻斷鈣調蛋白依賴性激酶激酶（CaMKK）調節的鈣信號，都會減少大腦中 Erk 的激活，進而影響尾巴再生，說明電活動和 CaMKK 調節的鈣信號在 Erk 激活中起著重要作用。
- 內側 pallium 的神經元向 hypothalamus 延伸軸突：研究人員利用病毒示蹤技術，向蠑螈大腦內側 pallium 注射攜帶 GFP 的腺相關病毒，發現內側 pallium 的神經元會向 ventral surface of the diencephalon（經鑒定為 hypothalamus）投射軸突，少數軸突還會延伸到腦干。通過對 hypothalamus 特異性神經元標記物的染色，進一步證實了這一結果。
- etv1+/slc17a7+神經元在損傷后的轉錄組變化：研究人員通過單細胞測序分析了不同處理組蠑螈端腦的轉錄組，發現 etv1+/slc17a7+神經元表達多種哺乳動物遠距離投射神經元的標記基因，但 etv1 在蠑螈中并非保守的脊髓投射神經元標記。此外，研究還發現，尾巴截肢后，etv1+/slc17a7+神經元中多個生物過程被激活，包括神經肽信號傳導和突觸功能相關過程。其中，神經降壓素（nts）在大多數 etv1+/slc17a7+細胞群中表達上調，且其表達可能受 Erk 信號調節。
- 神經降壓素上調對成功尾巴再生是必要的：研究人員使用神經降壓素受體 1 拮抗劑 SR142948A 抑制神經降壓素的功能，發現抑制神經降壓素會顯著縮短尾巴的再生長度，表明神經降壓素在再生早期至關重要。進一步研究發現，抑制 Erk 信號后，神經降壓素 mRNA 在大腦中的表達不會上調，說明損傷后 dpErk 的上調是誘導神經降壓素轉錄激活的必要條件。此外，抑制神經降壓素還會影響 hypothalamus 中生長激素釋放激素（ghrh）等激素的產生，以及炎癥反應相關基因的表達，表明神經降壓素在調節激素產生和炎癥反應中起著重要作用。
綜上所述，該研究揭示了蠑螈大腦中特定神經元群體在尾巴再生過程中的關鍵作用，發現了一條從大腦到損傷部位的復雜信號軸。損傷激活了內側 pallium 的谷氨酸能神經元中的 Erk 信號，這些神經元與 hypothalamus 形成突觸，導致神經降壓素等神經肽的上調。神經降壓素作為神經遞質，調節許多下游因子，可能通過軸突傳遞或激活激素產生，如 ghrh，通過血液循環激活損傷部位附近的細胞，促進尾巴再生。這一研究為深入理解再生醫學中大腦對遠距離損傷的反應機制提供了重要線索，有助于未來進一步研究如何促進哺乳動物中樞神經系統的再生，也為解決人類脊髓損傷等相關疾病的治療難題帶來了新的希望 。不過，目前仍有許多問題有待解決，例如信號從損傷部位傳遞到大腦的具體機制，以及不同類型損傷激活的信號通路之間的差異等。未來的研究需要進一步探索這些問題，以更全面地揭示再生的奧秘。
