加州大學聖地牙哥分校的研究人員利用單細胞RNA 定序發現了“分子指紋”，可以預測神經元受傷後是否會再生，為理解和增強神經元再生提供了新的見解。研究結果可以幫助科學家開發針對脊髓損傷和其他神經系統疾病的再生療法。

神經元是構成我們大腦和脊髓的主要細胞，也是受傷後再生最慢的細胞之一，許多神經元無法完全再生。儘管科學家在理解神經元再生方面取得了進展，但仍不清楚為什麼有些神經元能夠再生而有些神經元卻不能。

加州大學聖地牙哥分校醫學院的研究人員利用單細胞RNA 定序（一種確定單一細胞中哪些基因被活化的方法）發現了一種新的生物標記，可用於預測神經元在受傷後是否會再生。他們在小鼠身上測試了他們的發現，發現該生物標記在整個神經系統和不同發育階段的神經元中始終可靠。該研究於2023 年10 月16 日發表在《Neuron》雜誌。

「單細胞定序技術正在幫助我們比以往任何時候都更詳細地了解神經元的生物學，這項研究確實證明了這種能力，」資深作者、神經科學系教授鄭濱海博士說。加州大學聖地牙哥分校醫學院。“我們在這裡發現的可能只是基於單細胞數據的新一代複雜生物標記物的開始。”

研究人員專注於皮質脊髓束的神經元，這是中樞神經系統的關鍵部分，有助於控制運動。受傷後，這些神經元是最不可能再生軸突的神經元之一——軸突是神經元用來相互溝通的又長又薄的結構。這就是為什麼大腦和脊髓損傷如此具有破壞性。

神經元（此處以紅色和黃色顯示）是受傷後再生最慢的細胞之一。在小鼠大腦的這一部分中，黃色神經元正在再生，而紅色神經元則無法再生。圖片來源：加州大學聖地牙哥分校健康科學

第一作者Hugo Kim 博士說：「如果你的手臂或腿部受傷，這些神經可以再生，通常可以完全恢復功能，但中樞神經系統的情況並非如此。大多數大腦和脊髓損傷很難恢復，因為這些細胞的再生能力非常有限。”

辨識生物標誌物

研究人員利用單細胞RNA 定序來分析脊髓損傷小鼠神經元的基因表現。他們利用現有的分子技術鼓勵這些神經元再生，但最終，這只對部分細胞有效。這種實驗設置使研究人員能夠比較再生和非再生神經元的定序數據。

此外，透過關注相對較少的細胞（僅超過300 個），研究人員能夠非常仔細地觀察每個細胞。

「就像每個人都是不同的一樣，每個細胞都有自己獨特的生物學特性，」鄭說。“探索細胞之間的微小差異可以告訴我們很多關於這些細胞如何工作的信息。”

Hugo Kim 博士（左）在鄭濱海博士（右）的監督下設計並執行了單細胞RNA 定序實驗。圖片來源：加州大學聖地牙哥分校健康科學

研究人員使用電腦演算法分析定序數據，確定了一種獨特的基因表現模式，可以預測單一神經元在受傷後是否最終會再生。該模式還包括一些以前從未涉及神經元再生的基因。「這就像神經元再生的分子指紋，」鄭補充道。

驗證再生分類器

為了驗證他們的發現，研究人員在26 個已發表的單細胞RNA 定序資料集上測試了這種分子指紋（他們將其命名為再生分類器）。這些資料集包括來自神經系統各個部分和不同發育階段的神經元。

研究小組發現，除了少數例外，再生分類器成功預測了單一神經元的再生潛力，並能夠重現先前研究中的已知趨勢，例如出生後神經元再生的急劇下降。

「根據來自完全不同研究領域的多組數據驗證結果告訴我們，我們已經發現了有關神經元再生的基礎生物學的一些基本知識，」鄭說。“我們需要做更多的工作來完善我們的方法，但我認為我們已經發現了一種對所有再生神經元都通用的模式。”

雖然小鼠身上的結果很有希望，但研究人員提醒說，目前再生分類器是一種幫助實驗室神經科學研究人員的工具，而不是診所患者的診斷測試。

「在臨床環境中使用單細胞測序仍然存在許多障礙，例如成本高、分析大量數據困難，以及最重要的是，無法獲取感興趣的組織，」鄭說。“目前，我們有興趣探索如何在臨床前環境中使用再生分類器來預測新再生療法的有效性，並幫助這些療法更接近臨床試驗。”