PNAS︱视觉恢复新希望？CXCR4/CXCL12信号介导的受损视神经重生的新机制
撰文︱王思珍
责编︱王思珍
视网膜神经节细胞（retinal ganglion cells，RGCs）是一种位于眼睛视网膜内表面（神经节细胞层）附近的神经细胞【1-2】。RGCs负责将视觉输入从眼睛通过视神经和视神经束传递给大脑的特定区域【1-2】。哺乳动物在其出生之后，RGCs失去了大部分损伤神经轴突的再生能力，因此导致了视神经损伤后神经功能的永久性丧失【1-3】。
从目前的研究来看，RGCs再生失败主要归因于三个方面：轴突切断（axotomy）诱导RGCs凋亡、轴突内在再生能力低、以及中枢神经系统中髓鞘和胶质瘢痕蛋白的外部抑制环境（如神经损伤部位）【3-4】。
眼内炎性刺激是一种被广泛用于延迟轴突切断所诱导的RGCs退行，激活受损轴突的内在再生能力的方法【5-6】。但这种方法带来的神经再生效果并不理想【7-8】。 因此，除了神经退行、轴突内再生能力低、抑制性环境，还有其他的未知机制也可能导致视神经再生失败。
CXCR4，全称,C-X-C基序趋化因子受体4，是一种七重跨膜G蛋白偶联受体，主要表达于胚胎和成人神经元；CXCL12，又称SDF-1（基质细胞衍生因子1），一种趋化因子，是CXCR4的配体，CXCR4和CXCL12结合并调控不同的信号通路【9-10】。最近发现，在成年大鼠RGCs的胞体和轴突中也有CXCR4的表达，CXCL12也在一些中枢神经细胞、神经胶质细胞中表达【11-13】。据报道，CXCR4和CXCL12参与胚胎发育过程中RGCs的神经发生和轴突延伸（axonal pathfinding）【11-13】。这提示了成年RGCs中的CXCR4表达可能也在成熟轴突的再生过程中发挥作用。
2021年5月25日，德国德国波鸿鲁尔大学生物与生物技术学院的Dietmar Fischer教授实验室 Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）上发表了题为CXCR4/CXCL12-mediated entrapment of axons at the injury site compromises optic nerve regeneration 的最新论文，报道了一种CXCL12/CXCR4信号通路介导的神经再生机制，然而这种机制被趋向性禁锢”在抑制性环境（即神经损伤部位），从而导致了视神经再生失败，CXCL12/CXCR4的敲除，解除趋向性“禁锢”，可促进受损视神经的轴突再生。
作者首先观察到，在成年大鼠视网膜RGCs胞体、轴突和神经丝阳性纤维中都有CXCR4的表达；有97%的α-RGCs中有表达CXCR4，极少数则无表达（图1）。α-RGC是RGC的一种亚型，对轴突切断所诱导的RGC死亡具有很强的恢复能力和很强的内部再生能力，视神经轴突再生极有可能源于这种RGC亚型细胞【14】。那么 RGCs中内源性CXCR4与视神经再生之间有何种关系呢？结果表明，与野生型（WT）CXCR4小鼠相比，仅视神经损伤（下文简称ONC）21天后，视神经CXCR4敲除型（KO）小鼠（在距离轴突损伤位点的）远端有轻微的轴突再生现象（图2A-B），视神经损伤的同时进行炎性刺激（下文简称ONC/IS）21天后，敲除型小鼠的轴突再生现象则十分明显（图2C-D），在小鼠中敲低CXCR4，也有类似的现象（图2D）。因此，条件性CXCR4敲除可促使炎性刺激条件下受损RGCs轴突的远距离再生。
图1 CXCR4的亚细胞表达（OPN标记α-RGCs）
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
图2 条件性CXCR4敲除可促使炎性刺激条件下受损RGCs轴突的远距离再生（红色虚线为损伤部位，蓝色虚框为放大区域（右））
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
紧接着的问题是：CXCR4敲除影响视神经轴突再生的潜在机制是什么？在此，小鼠视神经不论是ONC还是ONC/IS，与WT相比，CXCR4的KO既不影响RGCs的存活（即与神经保护作用无关）也不改变RGCs的内部再生状态（图3B-D）。然而，该实验室之前的一篇文章称，CXCR4的同源配体CXCL12可以解除髓鞘的抑制性，并适度促进大鼠RGCs的神经突的生长【9】。（神经突（neurite），即神经突起，是由神经细胞（神经元）的细胞体延伸出来的细长部分，又可分为树突和轴突）。在此作者发现，在WT小鼠中，CXCL12和CNTF（一种神经营养因子）可以促进体外原代视神经的神经突生长，而髓鞘会抑制生长，而在KO小鼠中，尽管髓鞘也会减缓由CXCL12和CNTF引起的神经突生长，但是与WT小鼠相比，KO小鼠的神经突生长更加明显（图3F）。换言之，条件性CXCR4敲除可消除髓鞘对CXCL12的抑制作用，更加促进神经突的生长；且配体CXCL12的神经突生长促进作用依赖于受体CXCR4。
图3 条件性CXCR4敲除既不影响神经保护作用也不影响内在神经再生状态
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
尽管结果（包括上述结果）提示，克服髓磷脂抑制是促进视神经再生的潜在治疗办法【8, 15-16】。然而，由于神经损伤部位的一些抑制性因素，受损神经元的再生因此被抑制，换言之，去除或限制这些抑制性因素或许能改善神经再生。作者发现，当ONC/IS处理的WT RGCs与一定浓度梯度的趋化因子CXCL12共培养时，一些神经突（树突和轴突）表现出线性生长（即呈类似“一”字型生长），而另一些则会朝向含有CXCL12区域再生，呈“U”字型弯曲生长，暗示神经突生长被抑制（图4）；然而，当KO RGCs进行相同的实验时，神经突便不会有这种特定的趋向性生长现象，而是绝大部分呈类似“一”字型的线性长生，且此时有更多的轴突穿过损伤部位，向远端生长，暗示神经突生长被促进（图4）。这些结果表明，抑制性损伤位点及附近的轴突的趋向性再生依赖于CXCR4。
图4 条件性CXCR4敲除可解除内部抑制趋向性环境、促进神经再生
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
那么，细胞在损伤位点是不是也表达、释放细胞因子CXCL12，并形成一种抑制性浓度梯度？作者发现，不论是视神经是否损伤（对照组为无损伤，实验组为ONC或ONC/IS），还是在距离损伤位点的不同区域（包含损伤点的轴突近端，不包含损伤点的轴突远端），CXCL12的mRNA水平都没有没显著改变。然而，有趣的是，CXCL12阳性的RGCs对CXCR4是阴性的；极少数的RGCs（约8%）表达CXCL12，特别地，CXCL12表达于RGCs亚型α-RGC和ipRGC，提示这种趋化因子CXCL12表达具有细胞类型特异性（图5）；而CXCL12被KO后，这种特异性信号消失；CXCL12阳性的轴突位于神经损伤位点近端；当神经受到损伤后，CXCL12轴突运输、释放并积累于轴突损伤部位（图6）。这一个结果提示，抑制性损伤位点及附近的轴突的趋向性再生依赖于CXCR4/CXCL12，换言之，CXCR4/CXCL12在轴突损伤位点的释放与积累可能致使损伤部位微环境呈抑制性，从而阻止或“禁锢”了视神经损伤后的再生。
图5 CXCL12的亚细胞表达（OPN标记α-RGCs，melanopsin标记ipRGC）
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
图6 CXCL12的视神经轴突运输、释放与积累（白色虚线为损伤部位，黄框区域表示CXCL12积累）
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
文章最后，作者发现，KO CXCL12也有类似KO CXCR4的结果：特异性的KO CXCL12也能促进ONC/IS后的视神经的轴突再生、消除神经突“U”字型再生，也不影响神经元存活（图7，图2-4, 6））。
图7 条件性CXCL12敲除与条件性敲除CXCR4有类似结果
（图片引自：Hilla et al. PNAS 2021; 118: e2016409118）
同时，本研究发现CXCL12/CXCR4介导的信号通路对轴突再生的影响可能为中枢神经系统的修复提供了新启示。除了CXCR4和CXCL12的敲降外，鉴定CXCR4/CXCL12通路的下游通路，将有助于开发抑制性化合物，比如CXCR4抑制剂AMD3100可能是一个候选药物。
当然，还需要在其他中枢神经系统损伤模型，如脊髓损伤模型中，进一步验证抑制CXCR4/CXCL12是否真的会促进轴突再生。
总之，本研究发现了一种致使神经再生失败的新机制，靶向CXCR4/CXCL12信号通路可能是治疗视神经损伤，恢复视神经再生，开发视觉治疗药物的的新办法。
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参考文献（上下滑动查看）
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制版︱王思珍
本文完