中枢神经损伤修复与功能重建中胶质细胞的作用及意义.doc

项目名称： 中枢神经损伤修复与功能重建中胶质细胞的作用及意义 首席科学家： 段树民 浙江大学 起止年限： 2011.1至2015.8 依托部门： 教育部 浙江省科技厅 二、预期目标 本项目的总体目标： 围绕胶质细胞在神经损伤、再生修复与功能重建中的作用这一关键问题，从分子、细胞、环路、功能多层次开展研究，揭示神经元存活、神经发生、轴突再生、环路重建等神经再生与修复关键环节的机制，阐明胶质环境的作用和调控规律， 明确神经元－胶质细胞－血管单元的协同作用机制，寻求治疗神经损伤、促进修复与功能重建的新策略。为理解神经与胶质细胞相互作用提供新的理论基础，并为临床治疗神经损伤提供前瞻性思路。 五年预期目标: 1）深入认识神经损伤诱导的胶质反应的分子机制，明确胶质细胞溶酶体胞吐机制及其在神经损伤修复中的作用，鉴定出特异胶质细胞分泌的2－3种新分子并明确其功能。 2）明确zlingo-1、Celsr3等分子在轴突代偿、再生、导向和髓鞘再建中的作用的机制，揭示脊髓运动神经元的轴突再生机制及胶质细胞和介导细胞的作用，鉴定2－3种源自少突胶质细胞能够促进轴突再生与髓鞘修复的新调控因子。 3）深入认识胶质细胞细胞周期调控、胶质细胞代谢活动和MicroRNAs在神经保护和损伤修复中的作用，阐明组胺对胶质细胞活化与功能的调节机制。明确2－3种针对胶质细胞作用、促进神经保护与修复的新标靶。 4）深入认识nNOS亚细胞定位对神经元命运的影响，明确放射状胶质细胞在神经发生中的作用，揭示神经损伤引起的内环境变化影响神经干细胞定向分化及存活的机制，力争建立将损伤区增生的星型胶质细胞重编程分化为神经元技术体系。 5）阐明损伤后新建立的功能区血管神经单元结构与功能改变的有效性证据与分子机制；明确脊髓损伤后神经根移位改善其介导的生物学效应的机制。建立多模式影像学等技术，并运用于活体实时检测神经修复过程。力争建立通过干预受损神经环路，实现神经回路桥接和功能重建的技术。 6）取得一批具有重要国际影响的原创性成果，在国际重要学术刊物（影响因子5以上）发表高水平论文40篇以上。 7）力争获得具有临床应用前景的研究结果，获得10项以上国家发明专利，为研制治疗神经损伤的新药创造条件。力争有1-2个创新药物展开临床前研究。 8) 力争培养若干名长江学者、国家杰出青年等优秀青年学者、培养一批优秀的博士与硕士研究生。打造一支具有国际竞争力研究队伍。 9）建立国际先进的神经损伤修复与功能重建基础研究平台。 三、研究方案 学术思路与技术途径 中枢神经损伤修复是当今神经科学最重要的研究领域之一，也是难点之一。目前的工作主要集中在对神经元本身的研究，虽然取得较大进展，但对一些关键环节的了解仍然有限。由于相关基础研究的局限，限制了临床治疗手段，迫切需要从新的角度探索并实现突破，从而为寻找新的治疗策略提供基础。 国内外越来越多的证据提示，中枢神经系统的损伤，不仅仅仅涉及神经元，还有胶质细胞、血管等细胞与组织。因此神经的修复与功能重建必须运用整体的观念系统考虑胶质细胞反应、血管新生和功能调制等综合因素。损伤后神经元的存活、新生、再生、环路重建主要取决于局部微环境环境改变。因此，神经元－胶质细胞－血管单元的协调、共生是有效修复与功能重建的基础。 为此，本项目设立了紧密联系又各有侧重的五个课题组：1、神经损伤中胶质细胞作用及调控机制：主要研究神经损伤修复过程中胶质细胞的反应和胶质细胞对神经元作用的分子机制，着重探索神经元－胶质细胞相互作用的基础。2、轴突再生与髓鞘修复：聚焦神经再生的最关键环节―轴突再生，探讨影响轴突生长的内在与外在因素，并综合考量少突胶质细胞与嗅鞘细胞在髓鞘修复中作用的分子机制。3、神经保护干预的新标靶研究：主要针对神经损伤后的第一要务，即保护神经促进存活。重点研究胶质细胞和神经元特异分子标靶，设计既能针对性（胶质细胞出现的问题）地保护，又最大限度地避免（对神经元的）非特异的副作用。4、神经干细胞分化与神经损伤后的环路重建： 主要研究神经细胞分化、存活、迁移及与局部环路整合，克服神经干细胞治疗的瓶颈，并探索将损伤导致的胶质疤痕细胞转化成神经元的可能性。5、神经损伤后功能重建及其结构基础：，关注神经元－胶质细胞－血管单元的协调、共生作用，并运用光感基因技术调控特定神经元或胶质细胞活动再建功能环路。建立多模式影像学技术、神经元集群活动分析技术，实时检测神经损伤修复过程。 研究方案从关注损伤修复过程中神经元－胶质细胞相互作用的前沿科学问题（课题一、课题二）出发，向保护神经元、促进再生修复的应用基础研究（课题三、课题四）过渡，并探索功能重建的有效方案和实际应用的可能性（课题五）。从而实现多层次、多角度、递进性、综合性地研究神经损伤修复与功能重建基础的技术路线。 创新点与特色 神经元的再生修复与功能重建，有赖于包围神经元的胶质细胞环境的改善。鉴于以下事实：1、神经生长依赖胶质细胞产生的营养与支持物质；2、目前发现的抑制神经元突起生长、髓鞘再生的内源性分子也多是胶质细胞所产生；3、神经损伤后释放的引起继发损伤的多种有害分子需要胶质细胞清除。 我们有理由认为，神经元生长环境的改善，即各种胶质细胞特性和功能的改善是调控CNS损伤后的神经再生和修复的关键因素。为此，我们将围绕胶质细胞在神经损伤、再生修复与功能重建中的作用这一主题开展研究。这是本项目学术思路的核心，体现了本项目的重要创新和鲜明特色。 神经的再生与功能重建是系统工程，单纯着眼于神经元的修复，在临床治疗取得成功的可能性微乎其微。目前神经再生修复进展缓慢也充分说明了这一点。为此，本项目强神经再生的微环境因素和“系统协调”的学术思路：1、不仅重视轴突的再生，而且重视髓鞘的重建；2、不仅针对神经元，而且重点针对胶质细胞干预促进神经保护；3、不仅考虑神经元环路重塑，而是将神经元-胶质细胞－血管单元作为整体来实现神经修复与功能重建。因此，“系统、协调、共生”的整体观念是本项目研究的重要特色。 强化源头创新，是本项目的又一重要特点。胶质细胞分泌、迁移不仅是胶质细胞重要的基础科学问题，而且是影响神经再生修复的关键因素，本项目在这一领域有突出优势，将有力促进神经再生、修复与功能重建研究。另外，我们将针对在神经再生中有特异促进作用的嗅鞘细胞，筛选鉴定促进神经再生的新蛋白；针对在髓鞘再生中起关键作用的少突胶质细胞，筛选鉴定促进髓鞘重建的关键分子；针对在损伤反应中起重要作用的星胶质细胞和小胶质细胞，筛选鉴定新的调控因子。这些从源头入手的探索，有可能成为本项目的创新亮点。 新技术的运用、建立对于推动神经再生、修复与功能重建研究的深入发展，具有重要作用。本项目不仅运用传统的基因表达与沉默技术，而且建立、发展选择性调控胶质细胞特定分子的技术方法；不仅运用光感基因技术调控特定神经元活动，而且将其用于调控特定胶质细胞活动；另外，我们将利用学科交叉优势，建立多模式影像学技术、神经元集群活动分析技术，并运用于活体实时检测神经损伤修复过程。这些新技术的运用、建立不仅体现了技术方法的集成创新，而且将有力推动神经再生、修复与功能重建研究的进步。 可行性分析 本项目是在项目组成员主要研究工作的基础上，经过分析该领域国内外研究现状后提出的。项目组成员在胶质细胞在神经再生修复与功能重建中的作用这一研究领域，有较好的工作与知识积累。段树民实验室发现，星形胶质细胞溶酶体具有分泌功能，释放大量的ATP 和溶酶体水解酶可能会加重神经损伤（Zhang et al. Nature Cell Biol 2007B）；胶质细胞对突触活动的调制（Yang et al. PNAS 2003; Zhang et al. Neuron 2003; Ge et al. Science 2006）。吴武田实验室发现，敲除或抑制少突胶质细胞的LINGO-1，可促进神经损伤后髓鞘再生和轴突功能的恢复（Mi et al. Nature Medicine 2007）。周立兵等发现遗传性皮质脊髓束剥夺，并未影响小鼠的肢体运动功能（Zhou et al. Science 2008）。何成实验室发现嗅鞘细胞基因修饰，使其高表达胶质细胞营养因子后移植到损伤脊髓，能够显著改善脊髓损伤后的功能修复（Cao et al. Brain 2004）。王伟实验室提出神经元与胶质细胞的细胞周期以及调控机制存在本质差异，通过调控细胞周期，可达到抑制神经元凋亡及胶质细胞过度活化增殖的双重疗效（Wang et al. Prog Neurobiol 2009）。朱东亚等发现脑损伤后CREB激活诱导神经发生（Zhu et al. Proc Natl Acad Sci USA 2004）。杨国源在国际上首创小鼠大脑中动脉缺血再灌注损伤模型，并对脑损伤机制进行了深入系统研究。本项目的一些研究内容是原有研究延续与深入，具有扎实的基础，有较强的可行性。 本项目的研究队伍由来自国家985高校的浙江大学医学部、北京大学医学部、上海交通大学、复旦大学、中国科学技术大学和211工程大学的第二、第四军医大学、华中科技大学同济医学院、南京医科大学、暨南大学医学院以及实力雄厚的中国科学院上海药物所、北京生物物理所的研究骨干组成。依托于卫生部医学神经生物学重点实验室、卫生部神经生物学重点实验室、教育部神经系统重大疾病重点实验室、教育部分子神经生物学重点实验室、国家新药研究重点实验室等国家与省部级研究基地。技术平台先进、全面，仪器设备齐全。 参与本项目成员主要为来自研究一线的从事神经损伤、修复与功能重建和胶质细胞功能的学者，具有丰富的科研经验；团队拥有中国科学院院士一名、长江特聘教授三名、国家杰出青年基金获得者五名、中科院百人计划四名以及许多优秀的中青年学术骨干。不仅有基础生物医学研究工作者，而且有临床医生，还要从事信息研究和药物研究的学者，形成了一支综合交叉、特色鲜明的研究队伍。 基于上述因素综合考量，我们认为，本项目具备了取得重大突破的可行性。 课题设置: 课题一：神经损伤中胶质细胞作用及调控机制 主要研究内容: 要解决的关键问题和课题思路：普遍认为神经损伤引起的星形胶质细胞和小胶质细胞激活（包括细胞形态改变，某些分子的表达水平，细胞分泌、运动和吞噬活动等功能的变化）是影响神经损伤和修复的关键因素，但引起胶质细胞激活的机理、本质和意义并没有得到深入研究，制约了从干预胶质细胞激活的角度来开发治疗神经损伤的手段。本课题组织了对胶质细胞基础研究有良好背景的研究团队，将从分子细胞水平深入研究神经损伤后星形胶质细胞和小胶质细胞的反应、功能和特性变化及其分子机制。通过分析比较不同胶质细胞分泌组分，鉴定出具有促进神经修复的新分子，从而深入揭示胶质细胞反应和变化对神经损伤修复的影响。该课题的研究成果将为其它几个课题提供基础。 预期目标:阐明诱导小胶质细胞和星形胶质细胞胞饮、和溶酶体胞吐的信号转导机制及其在神经损伤修复中的作用。明确星形胶质细胞受到损伤刺激后发生增殖的信号机理和反向分化特征，找出它们与神经前体细胞不同的分化命运决定信号系统。鉴定出特异胶质细胞分泌的2－3种新分子并明确其对神经再生和生长的功能。申请国家专利1-3项，在有重要国际影响的杂志发表8-12篇研究论文。 承担单位：浙江大学、北京大学、第二军医大学 课题负责人：段树民 学术骨干：于常海，何成，向正华，沈颖 预算经费：28% 课题二：轴突再生与髓鞘修复 主要研究内容: 要解决的关键问题和课题思路：中枢神经损伤后修复和功能重建的主要障碍除了神经元难以再生以替代损伤死亡的神经元外，另一个关键环节就是损伤的轴突难以再生和再髓鞘化，不能生长和导向到正确靶细胞形成功能性联系。后一矛盾在脊髓外伤中尤为突出：受损脊髓累及了上下传导的神经轴突，虽然损伤脊髓断面上、下的中枢神经元仍然存在，但由于它们上下行的轴突受损后难以生长并穿过受损区到达靶细胞，致使其功能丧失，导致