Целенаправленная регенерация аксонов восстановила ходьбу у парализованных мышей

Швейцарским и американским исследователям удалось восстановить способность ходить у мышей после полного пересечения спинного мозга в нижнем грудном отделе. Для этого они прицельно направили регенерацию поврежденных аксонов грудных нейронов в поясничную область, куда они шли до травмы. Отчет о работе опубликован в журнале Science.

Современные экспериментальные методы, такие как реактивация латентных программ роста нейронов, введение факторов роста, пересадка клеток-предшественниц нервной ткани и другие, позволяют добиться значимой регенерации поврежденных аксонов в центральной нервной системе. Однако, несмотря на рост аксонов, восстановления утраченных функций — к примеру, двигательных — при этом не происходит.

В поясничном отделе спинного мозга находятся субпопуляции нейронов, задействованных в ходьбе. При синдроме Броун-Секара (пересечении половины спинного мозга справа или слева) эти нейроны лишаются сигналов из головного мозга, из-за чего нога на пораженной стороне практически утрачивает подвижность. Тем не менее у людей и модельных животных можно восстановить ходьбу после подобных повреждений в нижнем грудном отделе спинного мозга, хотя не настолько слаженную и уверенную, как до них. За это отвечают нейронные популяции в среднем грудном отделе, которым, несмотря на временной и пространственный разрыв с поясничными нейронами, удается передать им достаточное для билатеральной ходьбы количество сигналов по неповрежденной стороне. Если уничтожить эти грудные нейроны в здоровом организме, на ходьбе это не скажется, однако в случае травмы спинного мозга ее восстановления не произойдет.

Чтобы выяснить, какие нейроны дают проекцию на поясничный отдел спинного мозга, Джордан Скуайр (Jordan Squair) из Швейцарского федерального технического института совместно с коллегами из США и Швейцарии вводил в этот отдел позвоночника здоровым мышам флуоресцентно помеченный белок ядерной оболочки KASH на вирусном векторе. Это позволило визуализировать ядра искомых нейронов по всей нервной системе и отсортировать субпопуляции нейронов по их проекциям.

После этого исследователи провели полнотранскриптомный анализ одиночных ядер 122 нейронов среднего грудного отдела спинного мозга с флуоресцентными метками (то есть проецирующихся в поясничный отдел) и 2823 нейрона из того же отдела без них. Кластеризация полученных данных позволила выделить 28 нейронных субпопуляций. Большинство флуоресцирующих нейронов принадлежало к одной вентральной субпопуляции (Hoxa7). Они экспрессировали фактор транскрипции Vsx2 (он характеризует отдельный подтип нервных клеток, происходящих из V2a и участвующих в контроле хватания и ходьбы) и маркер дальнего проецирования Zfhx3. Эти нейроны были названы SC^{Vsx2::Hoxa7::Zfhx3→lumbar}. Сравнение транскриптомов одиночных ядер грудных нейронов у здоровых мышей и восстановивших ходьбу после одностороннего пересечения спинного мозга показало, что наибольший ответ у последних демонстрируют именно SC^{Vsx2::Hoxa7::Zfhx3→lumbar}. Он был связан с усилением роста дендритных шипиков, потенциацией синапсов и реорганизацией актинового цитоскелета, что говорит в пользу их участия в процессах восстановления. Анализ коннектома этих нейронов подтвердил, что у них есть анатомическая возможность передачи супраспинальных сигналов через место неполного пересечения спинного мозга к поясничному отделу.

Чтобы проверить способность SC^{Vsx2::Hoxa7::Zfhx3→lumbar} регенерировать аксоны после полного разрыва спинного мозга мыши, исследователи воспользовались разработанной ими ранее методикой. Во-первых, она включает реактивацию потенциала роста в нейронах выше места повреждения путем экспрессии в них остеопонтина (Spp1), инсулиноподобного фактора роста 1 (Igf1) и цилиарного нейротрофического фактора (Cntf), введенных на вирусном векторе (AAV-OIC). Во-вторых — индукцию формирования субстрата, поддерживающего рост аксонов, в месте повреждения путем отсроченной доставки в него фактора роста фибробластов 2 (FGF2) и эпидермального фактора роста (EGF). И, в-третьих — создание депо глиального нейротрофического фактора (GDNF) ниже места повреждения в качестве хемоаттрактанта, рецепторы к которому Gfra1 и Ret экспрессируют SC^{Vsx2::Hoxa7::Zfhx3→lumbar}. После этих манипуляций регенерация аксонов произошла, но остановилась на один сегмент ниже повреждения. Доставка большого числа копий GDNF в поясничный отдел спинного мозга смогла обеспечить прорастание туда восстановленных аксонов искомых нейронов.

Одновременно с прорастанием аксонов в поясничный отдел — примерно на третью—четвертую неделю с момента полного разрыва спинного мозга — у мышей начинали восстанавливаться движения задних конечностей. Заключительный анализ проводили на восьмую неделю. 27 из 30 мышей начали ходить, но не как здоровые, а как животные, у которых ходьба восстановилась после неполного разрыва спинного мозга. Дополнительные исследования с применением абляции и хемогенетического управления нейронами показали, что за такое восстановление двигательных функций отвечает именно регенерация проекций SC^{Vsx2::Hoxa7::Zfhx3→lumbar} на их естественную мишень в поясничном отделе.

Таким образом, достичь клинически значимого восстановление функций после повреждения спинного мозга может помочь комбинация трех принципов. Это идентификация и регенерация аксонов функционально релевантных нейронных популяций, выяснение требований для реактивации нейронспецифичных программ роста и идентификация хемоаттрактантов, способных провести аксоны ниже места повреждения к их естественным мишеням, заключают авторы работы.

В мае 2023 года исследователи из Великобритании, США, Франции и Швейцарии представили нейроинтерфейс для передачи сигналов через поврежденную область спинного мозга. Двигательные функции у пациента с этим устройством восстановились настолько хорошо, что он смог преодолеть лестницу.