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前面。摩尔。>。,20 January 2022
秒。分子信号通路
卷14 - 2021 | https://doi.org/10.3389/fnmol.2021.829564

调节螺旋神经节神经元再生的治疗策略感音神经性听力损失

了雯雯刘 ^*

头颈外科学系山东省ENT医院,Cheeloo医学院,山东大学,济南,中国

在哺乳动物耳蜗螺旋神经节神经元(胡志明市)是主要的听觉传导通路神经元传递声音信号从内耳脑干。然而,由于胡志明市缺乏再生能力,胡志明市神经元变性和丢失造成不可逆转的感音神经性听力损失(SNHL)。此外,人工耳蜗植入治疗的有效性,这是SNHL目前的主要治疗依赖于健康和足够数量的完整的胡志明市。因此,它具有重要的临床意义探讨如何生成胡志明市。近年来,大量的研究已经进行改善胡志明市再生策略,和他们中的一些人取得了可喜的成果,包括胡志明市的进步从外源性干细胞移植再生和内源性胶质细胞的重编程。然而,在胡志明市的有效性有挑战再生,新生成的神经元的成熟和功能以及听觉功能恢复。在本文中,我们描述在胡志明市再生研究的最新进展。在未来几年,再生胡志明市cochleae应该成为一个领先的生物策略恢复听力损失。

介绍

第一次世界听到2021年发布的报告警告说,近25亿人,或世界上四分之一的人,将会在2050年前生活在一定程度的听力损失。听力损失影响到生活的许多方面,包括沟通、认知、教育,甚至是心理健康,对社会经济有重大不利影响。在所有的听力损失,感音神经性听力损失(SNHL)是最常见的类型,占了绝大多数。内耳毛细胞组成的核心部分(高碳钢)和螺旋神经节神经元(胡志明市)。高碳钢函数在转导声音机械刺激的主要声学信号(刘y . et al ., 2019;周et al ., 2020),在胡志明市初级传入神经元的听觉传导通路,他们从内部传输声音信号高碳钢的耳蜗中央脑干耳蜗核(刘et al ., 2021;王et al ., 2021;魏et al ., 2021)。高碳钢和胡志明市可以被过量的噪音暴露(受伤Liberman 2017;郭l . et al ., 2021),毒性药物(朗et al ., 2005;他et al ., 2017年;刘w . et al ., 2019),老化(包和Ohlemiller, 2010;Kujawa Liberman, 2015;他et al ., 2021年),遗传因素(Lv et al ., 2021)、感染(Zhang et al ., 2021),因此导致SNHL。The SGNs in the cochlea can be divided into two subgroups-type I SGNs and type II SGNs, by their morphological structure, cell body, myelin sheath, and biological function. Type I SGNs, which account for the majority of auditory neurons in the inner ear, are myelinated, large, bipolar cells and primarily innervate the inner HCs, while the type II SGNs are unmyelinated, small, and innervate the outer HCs. More recently, single-cell profiling has been performed and three subpopulations of type I SGNs have been identified on the basis of transcriptional profiling (Shrestha et al ., 2018;太阳et al ., 2018)。发展水平,胡志明市属于终末分化细胞,很难再生胡志明市的自发地自我增殖,从而损害导致永久SNHL (郭et al ., 2016,2020年)。此外,人工耳蜗,SNHL的主要临床手术治疗的角色恢复听力给直接电刺激可行的胡志明市(郭et al ., 2019,2021 b),人工耳蜗植入治疗的有效性依赖于健康和足够数量的完整的胡志明市。

因此,促使再生胡志明市的策略具有重要的临床意义进行进一步的耳聋治疗的进步。近年来,取得了重要进展的更好理解机制在胡志明市的再生,这是一个提高听力的最终目标至关重要的一步。在这次审查中,我们总结近年来关于胡志明市再生的新发现。

干细胞来源于外源来源区分向胡志明市

出生后随着内耳的发展,原始的干细胞的神经干细胞特征继续下降,它缺乏内源性细胞来源的胡志明市再生成年内耳。外源性干细胞移植对于成人胡志明市再生是一个有吸引力的选择。近年来,研究表明,许多种类的干细胞来自外生来源,如诱导多能干细胞(万能;陈et al ., 2017),间充质干细胞(msc);曹et al ., 2011;杀et al ., 2016)和神经干细胞(nsc;他et al ., 2014年),移植到耳蜗在活的有机体内或在体外可以分化为胡志明市。此外,独特的多能细胞,胚胎干细胞(ESCs)拥有伟大的分化潜能,可分化成几乎所有细胞类型的身体。ESCs从鼠标或人类已经移植到内耳来取代受损的胡志明市(柯拉勒斯et al ., 2006;雷耶斯et al ., 2008;Hackelberg et al ., 2017)。Chang et al。(2021)发现成功的耳蜗移植的ESCs的存活和迁移,和移植的ESC细胞增加了听觉中枢听觉通路连接在听力损失的小鼠模型中。

由于耳蜗的特殊cavity-like结构,提供治疗内耳变得复杂由于其难以接近的位置(尼伯格et al ., 2019)。再生的效率胡志明市和新生成的神经元的生存与外源性干细胞的移植方法,因此有必要找到一种适合干细胞移植的路线。最近,移植到一个小洞钻到鼓阶(圣),一个充满液体的腔耳蜗管上皮相邻,已广泛用于其技术上容易实现(胡锦涛等人。,2005年;李et al ., 2017;Chang et al ., 2020)。此外,通过耳蜗干细胞移植侧壁也发现精确的和安全的,更有功效进入罗森塔尔的运河(RC)与移植通过圣(Zhang et al ., 2013)。

小说支架可以有助于调节神经干细胞增殖,分化和派生神经元的取向生长(刘et al ., 2018;燕et al ., 2018;夏et al ., 2020;郭et al ., 2021 a)。Hackelberg et al。(2017)现在小说nanofibrous支架为神经干细胞的指导听觉神经再生。人类ESC-derived神经前体细胞(NPC)植入排列纳米纤维垫被有效地分化成glutamatergic神经元和被引导到目标位置的耳聋豚鼠的耳蜗。但是,没有改善eABR阈值,或任何功能改进被发现在老鼠身上植入支架与人大相比(没有人大)支架游离移植组(Hackelberg et al ., 2017)。

总的来说,研究表明,干细胞移植到耳蜗可以生存和acquiresome神经功能,从而表明干细胞疗法可能是一个有前途的听觉神经再生的方法。然而,坚实的证据明显听觉干细胞移植后功能恢复情况仍然非常有限傅et al ., 2009;陈et al ., 2012,2017年;Hackelberg et al ., 2017;Chang et al ., 2021),是否这些外源性细胞可以分化成功能性胡志明市,促进听力复苏仍然是一个悬而未决的问题。同时,适当的外源性细胞融入听觉电路仍然是一个根本性的挑战,还有一些不可避免的风险的干细胞移植到内耳,如肿瘤形成、免疫反应(Nishimura et al ., 2012),以及伦理争论关于ESC细胞移植。它仍然需要开发安全有效的干细胞治疗的临床监测细胞移植。

胶质细胞在内耳是胡志明市的祖细胞重新编程

在中枢神经系统(CNS)、胶质细胞已经被证明能够重组成功能性神经元直接(亨氏et al ., 2002;海因里希et al ., 2010)。神经胶质细胞在内耳由雪旺细胞,分发的胡志明市和卫星胶质细胞纤维驻留在RC周围的胡志明市细胞体。据报道,在内耳神经胶质细胞发挥着不可替代的作用在保护胡志明市的变性和帮助胡志明市执行正常的功能(刘et al ., 2014;议长et al ., 2015)。沿着神经纤维的雪旺细胞表达多种神经营养因子,包括脑源性神经营养因子(BDNF)和neurotrophin-3 (NT-3)诱导的发展和生存胡志明市(汉森et al ., 2001)。最近的研究发现,内耳中的丰富的胶质细胞也可能成为一个有前途的胡志明市再生资源。麦克莱恩et al . (2016)报道,分离含蛋白脂质蛋白(PLP1)阳性神经胶质细胞来自新生小鼠螺旋神经节可以产生多种细胞类型在体外,包括胶质细胞和神经元,因此PLP1积极内耳神经胶质细胞中存在被认定为神经祖细胞。李x et al。(2020)还发现,胶质细胞在小鼠内耳开始表达胡志明市标记在活的有机体内6天后Neurog1 (Ngn1)和Neurod1异位表达。此外,新生成的胡志明市的一部分表现出类似的细胞表型(如大型圆soma)的本地胡志明市和这些胡志明市能够存活到产后42天(李x et al ., 2020)。此外,它被发现,即使是螺旋神经胶质细胞分离成人或啮齿动物cochleae讲究的在体外可以生产neurospheres和能够分化成神经元(Rask-Andersen et al ., 2005;朗et al ., 2015)。这些研究揭示了干细胞的潜力在内耳神经胶质细胞(图1)。单细胞RNA-sequencing分析表明,卫星胶质细胞在内耳与中枢神经星形胶质细胞(有很多相同的特征Tasdemir-Yilmaz et al ., 2021),建议在胡志明市卫星胶质细胞再生的重要作用。然而,由于缺乏一个有效的方法分离雪旺细胞和卫星胶质细胞在内耳,雪旺细胞的各自功能和卫星胶质细胞在胡志明市再生仍有待定义。

图1

图1。内源性胶质细胞再生胡志明市的示意图。在耳蜗,卫星胶质细胞存在在胡志明市。卫星胶质细胞增殖和分化成胡志明市胡志明市时损坏。一些神经胶质细胞也可以直接transdifferentiated到胡志明市。神经源性转录因子、神经营养因子和信号通路可以调节神经胶质细胞增殖和分化的过程。NTF,神经源性转录因子;胡志明市,螺旋神经节神经元。

在正常情况下,扩散和内耳神经胶质细胞的再生能力很弱。因此,必须找到方法来改善神经胶质细胞再生能力的胡志明市。神经源性转录因子已经广泛应用于许多研究试图重组神经胶质细胞到胡志明市。当前先进的研究病毒载体使它更方便和有效使用virus-mediated神经性的转录因子表达重组神经胶质细胞为神经元。例如,陈et al。(2020)表明腺相关virus-mediated NeuroD1异位过度导致astrocyte-to-neuron转换在成年哺乳动物的大脑。通过NeuroD1-based基因治疗,大量的功能生成新的神经元缺血性受伤的皮层和大脑功能缺血性损伤后修复陈et al ., 2020)。除了NeuroD1和Ngn1 (李x et al ., 2020),Ascl1也被证明是能够重新编程的螺旋神经节细胞诱导胡志明市(Nishimura et al ., 2014;野田佳彦et al ., 2018)。值得注意的是,两个因素的结合导致重组反应性胶质细胞的神经元比单独使用一个复制(图1)。

胡志明市损伤诱发神经胶质细胞增殖

激活星形胶质细胞(反应性胶质增生)已经被认为是神经系统的病变的标志等条件的机械损伤大脑或神经退行性疾病(德梅洛et al ., 2012;Pekny et al ., 2014)。类似于神经胶质细胞在中枢神经系统的生存特点,内耳的胶质细胞也造成了更大的生存特征比胡志明市(明智的et al ., 2017)。明智的et al。(2017)发现耳聋持续6周后,神经胶质细胞的形态学改变后,胡志明市soma的损失。许旺细胞的soma假定一个“astrocyte-like”形态和雪旺细胞去分化可能会发生。研究表明,适度的乌本苷政府可以选择性地破坏胡志明市和废除听力不影响高碳钢(朗et al ., 2005;元et al ., 2013)。这种药物,特别是损害内生胡志明市允许科学家更好地专注于胡志明市损伤后内耳细胞的反应。朗et al。(2011)发现乌本苷的应用显著上调造成的圆窗胶质细胞增殖,增加Sox2蛋白质的表达,这是神经祖细胞的标记。此外,乌本苷曝光后,胶质细胞细胞核的形态也发生了变化,成为扩大和圆形的形状,类似于胡志明市的核(朗et al ., 2015)。此外,Kempfle et al。(2020)在成年小鼠发现乌本苷治疗内耳诱导胡志明市损伤和Lin28的瞬态超表达Plp1-positive胶质细胞导致增加扩散和神经转换。因此,这些结果表明,胡志明市诱导的损伤内耳神经胶质细胞增殖和形态变化,而增生的胶质细胞可能给予适当的刺激时听觉神经再生。

神经营养因子和信号通路提高胡志明市再生

一些生长因子和神经营养因子,如纤维母细胞生长因子(FGF),脑源性神经营养因子、神经胶质细胞衍生神经营养因子(GDNF)和NT-3,扮演了一个重要的角色在胡志明市发展和生存查柯Johnson et al ., 2017)。成熟的脑源性神经营养因子治疗,在胡志明市proBDNF文化浓度低至ng / ml-range可以产生一种保护作用对变性(胡志明市Schulze et al ., 2020)。先前的研究还发现,FGF, GDNF, NT-3促进了从培养胡志明市神经突的结果,这表明这些分子也可能在胡志明市再生营养功能(魏et al ., 2007;小王和绿色,2011年;Garcia-Hernandez et al ., 2013)。目前,干细胞和组合不同的生长因子或神经营养分子进化在听力损失研究。在在活的有机体内实验中,间充质细胞转导perilymphatic隔间内耳蜗与重组质粒基因驱动BDNF表达刺激螺旋神经节神经突的再生(矮et al ., 2014)。BDNF过度,神经突再生螺旋神经节的可能扩展到人工耳蜗电极的面积,与局部异位分支(矮et al ., 2014)。啮齿动物的再生胡志明市的成功结合政府与干细胞的神经营养因子导致伟大的耳蜗植入技术的发展(Scheper et al ., 2019)。

交付系统的神经营养因子、涂料的人工耳蜗超高粘度海藻酸含有BDNF-overexpressing msc导致耳聋动物的内耳胡志明市密度增加(Scheper et al ., 2019)。为了改善内耳干细胞的生存和提高效率的胡志明市的一代,Chang et al。(2020)培养人类ESC-derived球状体在一个人造的三维(3 d)微环境由特定的水凝胶结合持续释放BDNF交付系统(PODS-hBDNF)。移植的人类ESC-derived耳神经祖细胞存活和神经分化成耳神经细胞系球状体在体外和在活的有机体内和扩展的骨墙耳蜗神经突(Chang et al ., 2020)。在一些研究中探索神经胶质细胞的分化到胡志明市,神经营养因子通常添加到培养基促进胡志明市的再生和维护新生成的神经元的生存(Diensthuber et al ., 2014;麦克莱恩et al ., 2016)。总之,补充神经营养因子可以提高胡志明市的再生。

此外,一些具体的调制信号通路也促进了健壮的神经元分化。例如,宗庆后et al。(2014)发现Wnt信号通路中起关键作用刺激羊膜fluid-derived干细胞分化成神经元功能。Wnt信号的作用,在触发gentamicin-lesioned耳蜗神经发生的文化也证明了Bas et al。(2014)。药物激活Wnt /β-catenin通路与人类鼻MSC治疗能够让胡志明市的健壮的分化。此外,Notch信号也有一个重要的角色在内耳干细胞命运决定。在高碳钢分化不同的角色,继续Notch信号增加神经祖细胞的扩张和提升祖细胞进入神经家族通过直接增加Ngn1表达式(全et al ., 2011)。验证了PI3K / Akt信号通路参与促进神经元分化在内耳(Zhang et al ., 2016)。最近,Perny et al。(2017)开发一个协议基于3 d瀑样文化系统,引导鼠标的ESCs区分成耳感觉神经元通过激活骨形成蛋白(BMP)信号和与此同时抑制转化生长因子β(TGFβ)信号。在这项研究中,BDNF和NT-3也补充到文化指导神经成熟(Perny et al ., 2017)。发现的神经营养因子和某些信号通路促进增殖和神经分化可能揭示了干细胞分化机制(图1)。

转录组分析和胡志明市再生

通过比较异同转录调控网络的多个事件在开发或感觉细胞再生,能找到关键因素或细胞信号通路参与了细胞再生的调制(阿特金森et al ., 2015)。2016年,关颖珊介绍了单细胞转录组分析应用在胡志明市再生(关颖珊,2016)。转录组分析在胡志明市的不同阶段,细胞的生长、分化,包括外源性和内源性胶质细胞衍生干细胞胡志明市再生,可以提供有用的信息分子的过程。最近,单细胞等新兴细胞转录组分析RNA序列和散装RNA-sequencing已经应用于识别胡志明市的亚型和内耳神经胶质细胞,胡志明市的动态表达式模式特征基因,转录组的分析诱导神经元再生后(Shrestha et al ., 2018;太阳et al ., 2018;李c . et al ., 2020;陈et al ., 2021;Tasdemir-Yilmaz et al ., 2021)。例如,李c . et al。(2020)胡志明市的转录组和相比其他两个内耳细胞类型,高碳钢和神经胶质识别基因表达特别是在胡志明市在耳蜗和展出常数(如Scrt2)或动态(例如,Celf4)表达式模式。这些基因可能代表有前途的候选人监管者的胡志明市细胞命运的决心和/或分化。陈et al。(2021)进行转录组分析,神经胶质细胞在不同刺激条件下胡志明市在体外,发现小分子鸡尾酒FIBCL治疗促进了新生胡志明市成熟。尽管内耳细胞的转录组分析仍然面临一些挑战,比如从cochleae获得有限数量的细胞,细胞生存能力越低,等将发挥巨大的作用在增强胡志明市将来再生研究。

新神经元再生的功能

在大多数的在体外研究胡志明市再生,新生成的神经元被证实由神经元形态学或几个神经组织化学染色标记,包括TUJ1 MAP2 Prox1 Gata3等。(Diensthuber et al ., 2014;Rousset et al ., 2020)。新生成的神经元的电生理特征函数也确认是否新生神经元电生理功能。例如,记录全细胞电流的新生成的神经元;使用特定Na⁺通道拮抗剂河豚毒素(TTX)来证明是否有Na⁺渠道的新生神经元和记录神经元谷氨酸感应电流在确认是否新生神经元响应的主要神经递质耳蜗(牧杖和戴维斯,2014年;戴维斯和牧杖,2015年)。诱导新生神经元,Nishimura et al。(2014)测量的动态neuronal-like膜电位。Ascl1和NeuroD1双中耳蜗上皮细胞表现出神经元活动的日子在体外8和内在的膜电流可以减少TTX的治疗,这表明一个健壮的膜的存在Na⁺电流(Nishimura et al ., 2014)。

在在活的有机体内研究中,外周听觉系统的功能分析可以使用听力学测试调查。ABR反映神经活动传播从头皮反映同步听觉神经内的神经活动,并随后脑干。先前的研究表明,ABR波我延迟和振幅与相应的胡志明市密度和函数(李et al ., 2016;Zhang et al ., 2018)。

结论和未来的角度

根据这些基本胡志明市再生的研究近年来,外源性或内源性干细胞重编程的内耳细胞到胡志明市似乎是一个有前途的战略。一些神经源性转录因子的应用有助于神经胶质细胞增殖和重组。联合移植的干细胞和神经营养因子提高胡志明市再生的有效性和提高新生成的神经元的生存。此外,调制的信号通路也促进神经分化。虽然它仍然需要澄清细节胡志明市再生对于人类来说,这些干预措施的早期成功增加我们的期望对未来人类患者的听觉神经再生。

不过,需要更多的努力来改善胡志明市再生的效果,尤其是对促进新生成的成熟神经元。需要新生成的胡志明市不仅存在神经元形态和表达神经元蛋白质标记,但还拥有电生理功能,产生动作电位和突触连接形式与内耳中高碳钢和导电脑干神经元。I型和II型胡志明市执行不同的功能在耳蜗和三种类型的子类型的外观我胡志明市表示成熟的神经元,这些细胞分化成所需的成熟亚型也至关重要。

作者的贡献

MW, LX, YH、XW FC,杰,HW,西城起草和写的手稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项工作是由山东省泰山学者计划(不支持。ts20130913,不。tsqn201909189),山东省青年科学基金(没有。ZR2020QH153),重大基础研究项目的山东省自然科学基金,中国(ZR2020ZD39 ZR2021ZD40)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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引用

议长,O。,Sun, Y., Vijayakumar, S., Zhang, W., Ku, T., Lee, C. K., et al. (2015). Spiral ganglion degeneration and hearing loss as a consequence of satellite cell death in saposin B-deficient mice.j . >。35岁,3263 - 3275。doi: 10.1523 / jneurosci.3920 - 13.2015