神经元激活助力蝾螈尾巴再生：解锁再生医学新密码
《npj Regenerative Medicine》：Neuronal activation in the axolotl brain promotes tail regeneration
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时间：2025年05月09日
来源：npj Regenerative Medicine 6.4
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为探究神经元对蝾螈脊髓损伤的反应及在尾巴再生中的作用，研究人员开展了相关研究。他们发现蝾螈脑内 dpErk+/etv1+谷氨酸能神经元激活对尾巴再生至关重要，其可上调神经降压素（nts） 。该成果为再生医学研究提供新方向。
在神奇的动物世界里，再生现象随处可见，从扁虫的全身再生到人类的肝脏再生，无不展示着生命的奇妙能力。然而，对于大多数动物来说，中枢神经系统（CNS，包括大脑和脊髓）在遭受创伤性损伤后的再生，却如同难以攀登的高峰。哺乳动物脊髓损伤后，不仅受损神经元会发生沃勒变性（Wallerian degeneration），周围的神经胶质细胞还会迅速迁移到损伤部位，形成胶质瘢痕（glial scar），这道 “屏障” 阻碍了轴突的再生，使得功能恢复变得异常困难。
相比之下，墨西哥钝口螈（Ambystoma mexicanum），也就是我们常说的蝾螈，却拥有令人惊叹的再生能力，它是少数能够再生大脑和脊髓的脊椎动物之一。在过去的研究中，科学家们大多聚焦于蝾螈损伤部位附近细胞对再生的促进作用，发现了多个阻止胶质瘢痕形成的信号通路。但脊髓受远距离神经元支配，如大脑和脑干中的神经元，这些远距离投射神经元对调节随意运动至关重要，对功能性脊髓修复不可或缺。然而，此前却没有人研究这些远距离神经元回路在脊髓损伤后会如何反应。为了填补这一空白，来自美国海洋生物实验室（Marine Biological Laboratory）等机构的研究人员展开了深入探索，相关研究成果发表在《npj Regenerative Medicine》杂志上。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。在实验动物模型方面，选用白蝾螈进行实验，并按照严格的动物伦理规范进行饲养和处理。实验技术上，采用免疫组化（Immunohistochemistry）来检测蛋白表达，如用 dpErk 抗体标记神经元的激活状态；通过病毒示踪（Viral tracing）观察神经元轴突的投射方向；利用单细胞测序（Single cell sequencing）分析细胞的转录组变化；借助基因本体分析（Gene Ontology analysis）挖掘差异表达基因参与的生物过程；运用实时定量 PCR（Real time qualitative PCR）检测特定基因的表达水平 。
下面来看看具体的研究结果：
损伤导致大脑中 Erk 的长期激活：研究人员通过给蝾螈尾巴截肢，然后在不同时间点用磷酸化 Erk（dpErk）抗体对其大脑进行染色。结果发现，未受伤的蝾螈大脑中几乎检测不到 dpErk 信号，而在尾巴截肢后 30 分钟，大脑中的 Erk 信号就显著增加，并且这种增加会持续到截肢后约 43 天。进一步研究发现，dpErk 信号主要集中在蝾螈大脑的内侧 pallium 区域，且这些 dpErk+神经元表达 etv1 和囊泡谷氨酸转运体 1（slc17a7），表明它们是谷氨酸能神经元，具有哺乳动物远距离投射神经元的标记。此外，不同类型的损伤，如肢体截肢、皮肤活检和脊髓消融，都能导致这些神经元中 dpErk 信号增加，说明神经元的 Erk 激活是对损伤的一种普遍反应。
大脑中 Erk 激活对正常尾巴再生至关重要：为了探究大脑中神经元激活在尾巴再生中的功能，研究人员向蝾螈大脑注射 Erk 抑制剂 FR180204 或对照试剂，然后进行尾巴截肢。结果显示，抑制大脑中的 Erk 信号会显著缩短尾巴的再生长度，并且在 21 天后，再生尾巴中的轴突数量减少，长度和宽度也明显减小。同时，研究发现抑制大脑中的 Erk 信号不会影响脊髓或肢体中 ependymoglial 细胞的增殖，表明大脑中的神经元激活对尾巴轴突再生是必要的，但对 ependymoglial 细胞增殖不是必需的。此外，研究人员还发现，抑制谷氨酸能神经元的兴奋性或阻断钙调蛋白依赖性激酶激酶（CaMKK）调节的钙信号，都会减少大脑中 Erk 的激活，进而影响尾巴再生，说明电活动和 CaMKK 调节的钙信号在 Erk 激活中起着重要作用。
内侧 pallium 的神经元向 hypothalamus 延伸轴突：研究人员利用病毒示踪技术，向蝾螈大脑内侧 pallium 注射携带 GFP 的腺相关病毒，发现内侧 pallium 的神经元会向 ventral surface of the diencephalon（经鉴定为 hypothalamus）投射轴突，少数轴突还会延伸到脑干。通过对 hypothalamus 特异性神经元标记物的染色，进一步证实了这一结果。
etv1+/slc17a7+神经元在损伤后的转录组变化：研究人员通过单细胞测序分析了不同处理组蝾螈端脑的转录组，发现 etv1+/slc17a7+神经元表达多种哺乳动物远距离投射神经元的标记基因，但 etv1 在蝾螈中并非保守的脊髓投射神经元标记。此外，研究还发现，尾巴截肢后，etv1+/slc17a7+神经元中多个生物过程被激活，包括神经肽信号传导和突触功能相关过程。其中，神经降压素（nts）在大多数 etv1+/slc17a7+细胞群中表达上调，且其表达可能受 Erk 信号调节。
神经降压素上调对成功尾巴再生是必要的：研究人员使用神经降压素受体 1 拮抗剂 SR142948A 抑制神经降压素的功能，发现抑制神经降压素会显著缩短尾巴的再生长度，表明神经降压素在再生早期至关重要。进一步研究发现，抑制 Erk 信号后，神经降压素 mRNA 在大脑中的表达不会上调，说明损伤后 dpErk 的上调是诱导神经降压素转录激活的必要条件。此外，抑制神经降压素还会影响 hypothalamus 中生长激素释放激素（ghrh）等激素的产生，以及炎症反应相关基因的表达，表明神经降压素在调节激素产生和炎症反应中起着重要作用。
综上所述，该研究揭示了蝾螈大脑中特定神经元群体在尾巴再生过程中的关键作用，发现了一条从大脑到损伤部位的复杂信号轴。损伤激活了内侧 pallium 的谷氨酸能神经元中的 Erk 信号，这些神经元与 hypothalamus 形成突触，导致神经降压素等神经肽的上调。神经降压素作为神经递质，调节许多下游因子，可能通过轴突传递或激活激素产生，如 ghrh，通过血液循环激活损伤部位附近的细胞，促进尾巴再生。这一研究为深入理解再生医学中大脑对远距离损伤的反应机制提供了重要线索，有助于未来进一步研究如何促进哺乳动物中枢神经系统的再生，也为解决人类脊髓损伤等相关疾病的治疗难题带来了新的希望 。不过，目前仍有许多问题有待解决，例如信号从损伤部位传递到大脑的具体机制，以及不同类型损伤激活的信号通路之间的差异等。未来的研究需要进一步探索这些问题，以更全面地揭示再生的奥秘。
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