Cell：颅缝再生挽救神经认知行为缺陷，为颅骨早闭症治疗带来希望

以下文章来源于CellPress细胞科学 ，作者Cell Press

CellPress细胞科学

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2021年1月7日，美国南加州大学研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell上发表了一篇新研究，题为“Cranial suture regeneration mitigates skull and neurocognitive defects in craniosynostosis”，科学家们成功地使功能性颅骨缝线再生，纠正颅骨畸形，使颅内压正常化并挽救神经认知行为缺陷。基于MSC的颅缝再生为逆转这种破坏性疾病中的颅骨畸形和神经认知异常提供了一种治疗方案。

摘要

颅骨早闭症是由颅缝过早融合引起的，颅缝线包含间充质干细胞（MSC），这些细胞对颅盖扩张与脑部生长的协调至关重要。患有颅骨早闭症的婴儿会出现颅骨畸形、颅内压升高及其他并发症，例如降低生活质量的神经认知障碍。开发创新疗法的需要十分迫切，但由于缺乏概括这些表型的动物模型，治疗的发展受到了阻碍。在此，我们显示患有颅骨早闭症的Twist1 +/-小鼠出现了颅内压升高和神经认知行为异常的表现，展现了人类Saethre-Chotzen综合征的特征。使用可生物降解的材料与MSC结合，我们成功地使功能性颅骨缝线再生，可纠正颅骨畸形，使颅内压正常化并挽救神经认知行为缺陷。再生的颅缝线创造了一个适合内源性MSC迁移到的位置，维持了颅骨的稳态和修复。基于MSC的颅缝再生为逆转这种破坏性疾病中的颅骨畸形和神经认知异常提供了一种治疗模式的转变。

简介

颅缝早闭症是一种常见疾病，又称狭颅症或颅缝骨化症，由一条或多条颅缝线（分离颅骨的纤维关节）在婴儿期过早融合引起。该疾病会导致颅骨生长畸形、颅内压（ICP）升高、脑部发育迟缓，而且往往会使认知功能受损（Morriss-Kay and Wilkie, 2005; Twigg and Wilkie, 2015）。颅缝的开放对于分娩过程中的颅骨受压十分重要，对于产后颅骨发育和适应以及贯穿整个成年期的大脑发育来说也是至关重要的。目前，治疗颅缝早闭症的唯一方法是复杂手术，这样才能纠正颅骨畸形并预防相应的后遗症（Wolfswinkel et al., 2017）。在许多情况下，颅骨会再次发生骨性结合，因而需要再次进行手术。迫切需要更好的方法来治疗颅缝早闭症并预防骨性结合再次发生。

颅缝早闭症患者通常表现出神经认知功能障碍和智力障碍（Gripp et al., 2000; Reardon et al., 1997; Speltz et al., 2015; Zechi-Ceide et al., 2012）。例如，Saethre-Chotzen综合征患者的TWIST1基因发生突变，其冠状线为主要的丢失。包括TWIST1基因座在内的大基因片段缺失与学习障碍和神经认知障碍有关（Gripp et al., 2000; Zechi-Ceide et al., 2012）。ZIC1或FGFR基因的功能获得性突变也会导致颅缝早闭和学习障碍（Reardon et al., 1997; Twigg and Wilkie, 2015）。尽管神经认知功能障碍更常见于综合病征型颅缝早闭，但某些非综合病征型的单缝颅缝早闭患者也可能会出现智力障碍和发育迟缓，其严重程度因人而异（Speltz et al., 2015;Wallace et al., 2016; Collett et al., 2017）。这些研究突显了这些缺陷的异质性，也提供证据表明单独的颅缝早闭也可能会引起神经认知功能障碍。总体而言，颅缝线过早融合可能会对神经认知功能产生不利影响，这可能是由于ICP升高和神经解剖学变化增加所致（Morriss-Kay and Wilkie, 2005）。然而，目前还未有任何研究工作在颅缝早闭的动物模型中深入研究ICP和神经认知，导致我们对这种破坏性疾病的了解仍有欠缺。因此，恢复颅缝的开放能否改善神经认知功能也仍然是一个未知的问题。

间充质干细胞（MSC）可以自我更新并分化为一系列不同的细胞类型，从而使组织再生（Chan et al., 2018; Mao et al., 2006），此前也有研究者将其用于颅盖骨的再生（Cowan et al., 2004; Liu et al., 2011; Maruyama et al., 2016）。我们最近的研究报告显示，Gli1 +细胞是颅缝内不可缺少的MSC来源（Zhao et al., 2015）。它们对成年小鼠的颅面骨更新、修复和再生具有支持性作用（Guo et al., 2018; Park et al., 2016; Zhao et al., 2015）。重要的是，我们证明了在Twist1 +/-小鼠的冠状线融合之前，Gli1 +细胞会过早丢失（Zhao et al., 2015）。这些研究表明，恢复MSCs是颅骨早闭症中能使颅缝线再生的一种潜在治疗方法。但是，这种方法提出了巨大的技术难题。既往研究表明，MSC的递送方法和用于受损区域的生物材料至关重要（Zhao and Chai, 2015）。研究者尚不清楚MSC如何参与颅缝的再生过程，支持MSC的理想生物材料是什么也尚未明确。

在这项研究中，我们显示了Twist1 +/-小鼠冠状线的过早融合会导致ICP升高和神经认知异常增加，从而重现了人类Saethre-Chotzen综合征的症状。使用这一具有高度临床相关性的小鼠模型，我们证明了Gli1 + MSC与改良的GelMA结合可以支持冠状线再生。内源性MSC迁移至再生缝线区域，以维持其在颅骨组织稳态和修复中的功能。缝线再生显著降低了ICP，部分减轻了颅盖畸形，并改善了神经认知功能。由于TWIST1单倍体功能不全与Saethre-Chotzen综合征患者的颅骨早闭症相关，因此我们的发现具有高度的临床转化性，为提高颅骨早闭症患者的生活质量提供了独特的方法。

讨论

通过将MSC与生物材料结合，并建立颅缝早闭相关神经认知缺陷的小鼠模型，我们发现基于Gli1 + MSC的颅缝再生不仅可以在Twist1 +/-颅缝早闭症小鼠模型中修复颅骨畸形，还可以恢复神经认知功能障碍。这些发现体现了研究范式的转变，并提供了一种基于MSC的颅缝早闭治疗策略，对临床实践具有潜在的积极影响。

含有突变的动物模型在阐明颅缝早闭症的分子机制和细胞病因学方面具有重要意义。其中许多模型表型化了在携带相同基因突变的患者中观察到的骨性结合，因而具有很高的价值（Twigg and Wilkie, 2015）。但是，几乎所有研究都只针对颅缝线缺损。对于这些模型的ICP和神经认知功能分析仍然十分欠缺。在此，我们建立了Twist1 +/-小鼠模型，以探究颅缝早闭症患者的神经解剖学和认知功能障碍。这些发现将促进未来使用其他颅缝早闭症小鼠模型探究神经认知功能障碍的研究，并为研究其潜在的分子、细胞和回路机制奠定基础。我们的发现还促进了未来治疗干预的设计和评估，因为综合病征型的和非综合病征型的颅缝早闭症都会导致ICP升高和脑形态改变，进而导致神经认知功能发生重大变化（Bellew et al., 2005; Brooks et al., 2018; Renier et al., 1982; Sidoti et al., 1996）。我们开发出了一种有效的治疗方法，在患有颅缝早闭症的Twist1 +/-小鼠中成功使用Gli1 + MSCs和改良的GelMA支持颅缝再生并纠正颅骨畸形。这些发现具有重大的潜在临床价值。

颅缝早闭症的手术矫正通常在出生后第一年进行，目前最普遍的方法是全颅顶颅骨成形术和内镜辅助手术结合头颅重塑头盔（Brooks et al., 2018）。然而，这些过程是侵入性的，并且与骨性结合再发和其他并发症相关。我们需要采用改良的治疗方案来确保这些年轻患者的长期生活质量。基于MSC的缝线再生之所以能取得成功，是因为经过独特修饰的GelMA（M-GM）支架，该支架与Gli1 + MSC具有生物相容性，可生物降解并为缝线再生提供绝佳支持。我们的治疗策略能在至少一年内仍保持缝线的功能，而且在修复损伤和维持组织稳态方面，其功能类似于天然颅骨缝线。我们的研究结果表明，对狭颅症患者来说，结合M-GM的MSC侵入性较低和具有可持续性。

我们的研究为颅缝线的再生和维持过程提供了细胞和分子层面的见解。我们发现，在Twist1 +/-小鼠中，外源性植入的Gli1 + MSC和源于硬脑膜颅缝线再生的内源性MSC具有相当的重要性和相互依赖性。这与硬脑膜内多能祖细胞在维持颅骨组织稳态中的关键作用一致（Gagan et al., 2007;Kwan et al., 2008; Ogle et al., 2004）。MSC移植物可以募集内源性干细胞至再生位点（Xing et al., 2014），这一过程可能受到Wnt3a、PDGF和VEGF的辅助（Shin and Peterson, 2013）。在分子水平上，Twist1的单倍体功能不全会导致Axin2受损和Wnt信号转导增强（Yu et al., 2005）。外源MSC的植入能将Wnt信号转导恢复至与对照样品相当的水平，从而阻止骨性结合的再次发生。此外，我们的数据表明Twist1在婴儿出生后的功能并非不可或缺，因为Gli1 + MSC中Twist1的丢失并不会导致成年小鼠发生颅缝早闭。该结果也部分解释了为什么在Twist1单倍体功能不全的条件下，植入的MSC与募集的内源性Gli1 + MSC能使颅缝线再生。总体而言，我们的发现表明，植入的MSC提供了一个合适的位置，从而活跃地募集内源性MSC并将其整合其中，以支持功能性和可持续性的颅缝线再生。

该研究的重大发现之一在于，恢复颅缝线开放的不仅可以挽救颅骨畸形，而且可以使ICP正常化并恢复神经认知功能。颅骨融合症患者经常有学习障碍（Kilcoyne et al., 2019; Twigg and Wilkie, 2015; Zechi-Ceide et al.,2012）。影响不同颅缝线的非综合征性颅骨融合症可能对行为功能异常有不同的影响（Sun et al., 2019）。我们的颅缝线再生方法可以挽救Twist1 +/-小鼠中的几种神经认知功能异常，包括新物体识别和社交能力等方面的缺陷。该研究表明，ICP升高至少部分会导致神经认知功能障碍，在伴有颅缝早闭的Twist1 +/-小鼠中，这种疾病可通过缝线再生得以挽救。我们通过MRI和组织学分析得到的结果表明，Twist1 +/-小鼠的神经元数量和大脑体积变化会导致神经认知功能障碍，这些变化可在颅缝再生后得以恢复。我们的研究为颅缝再生改善神经认知功能的潜在机制提供了重要见解。Twist1在成年小鼠的大脑中不表达，而没有颅缝早闭的Twist1 +/-小鼠具有正常的ICP和神经认知功能，这表明Twist1在调节大脑结构的发育和功能中不发挥直接作用。然而，在人类中，TWIST1基因在胎儿发育时的大脑皮层中表达，也在成人的上层兴奋性神经元中表达（Sousa et al., 2017; Zhu et al., 2018）。未来的研究需要使用多种骨性结合的模型，阐明导致选择性认知功能障碍和功能恢复的分子介体或神经回路。

总结来说，我们的研究表明，与M-GM结合的MSC可以在与临床高度相关的颅缝早闭病变模型中使颅缝再生、恢复正常ICP并挽救神经认知功能。但是这种方法的临床应用仍然存在挑战，包括确定手术的最佳时机以及理想的MSC来源和数量，这需要进一步的研究才能使治疗效果最大化。不过，我们的颅缝再生方法为狭颅症提供了一种侵入性较低的有效治疗选择，给这种破坏性疾病的患者带来了新希望。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell上

▌论文标题：

Cranial Suture Regeneration Mitigates Skull and Neurocognitive Defects in Craniosynostosis

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31609-3

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.037