《Brain Research》：Reconstructing regenerative niches in the central nervous system: Molecular and microenvironmental determinants of axonal regeneration
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中枢神经系统（CNS）疾病，包括脊髓损伤、中风、多发性硬化症和运动神经元疾病，是长期残疾的主要原因，很大程度上是由于轴突再生的持续失败。近几十年来，研究人员已经开发出多种策略来克服这些障碍，包括调节细胞外基质组成、工程化生物材料支架以及重新激活内在生长相关信号
中枢神经系统（CNS）疾病，包括脊髓损伤、中风、多发性硬化症和运动神经元疾病，是长期残疾的主要原因，很大程度上是由于轴突再生的持续失败。近几十年来，研究人员已经开发出多种策略来克服这些障碍，包括调节细胞外基质组成、工程化生物材料支架以及重新激活内在生长相关信号通路。然而，针对孤立分子或环境因素的干预措施仅产生有限的再生效果。在此，研究人员提出一个概念框架，其中神经修复被理解为重建一个允许性的再生微环境（regenerative niche），该微环境将内在神经元生长程序与工程化的细胞外微环境相结合。研究人员综合了目前关于轴突再生的细胞和分子决定因素的知识，并讨论了细胞外基质结构和生物材料支架如何提供指导性的物理和生化信号，以稳定生长锥并引导轴突延伸。同时，针对mTOR、STAT3、Krüppel样因子（Krüppel-like factors）和Lin28/let-7轴等通路的内部策略可以重新建立神经元生长能力。先进的体外平台进一步实现了内在和外在变量的可控整合，提供了再生微环境的实验模型和组合干预的测试平台。通过将轴突再生视为协调的神经元-环境相互作用的涌现特性，本综述连接了神经生物学和生物工程，提出了一个与疾病相关的神经修复概念框架，并强调了能够将神经元状态与工程化细胞外环境相协调的综合策略的必要性。
**1. 引言**
中枢神经系统（CNS）损伤和神经退行性疾病是导致长期残疾的主要原因，其根本限制在于轴突再生失败。外周神经系统（PNS）与CNS的再生能力存在显著差异：PNS损伤后神经元可激活强效再生程序，而CNS轴突再生几乎缺失。这种差异源于抑制性细胞外信号与内在生长能力限制的共同作用。CNS损伤后，髓鞘碎片清除低效，抑制性分子如Nogo-A、髓鞘相关糖蛋白（MAG）和少突胶质细胞髓鞘糖蛋白（OMgp）持续存在，同时反应性星形胶质细胞和瘢痕形成细胞分泌富含硫酸软骨素蛋白聚糖（CSPGs）的细胞外基质（ECM），限制轴突延伸。内在方面，成熟神经元中发育性生长程序下调，形成营养不良性生长锥。然而，早期研究显示，CNS神经元在许可性环境中可延伸，如外周神经移植实验所示。层粘连蛋白（laminin）作为关键ECM成分，在发育中促进粘附和轴突延伸，但在成人CNS损伤后表达受限。组织工程的发展通过生物材料支架（如聚ε-己内酯（PCL））整合物理引导和生化信号，同时内在策略聚焦于重新激活mTOR、STAT3、Krüppel样因子（KLFs）和Lin28/let-7轴等通路。然而，单一干预效果有限，表明再生受内在和外在机制共同约束。本综述提出重建允许性再生微环境的概念框架，整合内在生长能力与工程化细胞外环境。
**2. 概念框架：重建再生微环境**
内在发育生长程序的激活增强神经元对细胞外信号的响应，但不足以在抑制性环境中实现有效再生。再生能力取决于mTOR、STAT3和Lin28/let-7轴介导的合成代谢、细胞骨架动力学和转录状态的协调调节。基于ECM调节和生物材料支架的外在干预建立物理和生化环境，稳定生长锥并提供方向引导。再生是一个多阶段过程，包括起始、延伸和突触整合，不同阶段需要不同的内在激活和环境支持组合。动态生物材料系统可通过阶段性释放生物活性分子或渐进调节机械特性来匹配再生时序。先进的体外系统整合生物材料、控制性细胞外梯度与内在分子操作，作为再生微环境的实验表征，使系统解析神经元状态与环境设计如何相互作用成为可能。再生并非由单一干预触发，而是通过细胞和微环境决定因素的协调来构建。
**3. CNS再生失败与PNS再生能力的对比**
**3.1 华勒变性和碎片清除**
轴突损伤后启动华勒变性，远端轴突碎裂和髓鞘碎片清除是再生的前提。在PNS中，施万细胞迅速重编程为修复状态，通过髓鞘自噬参与碎片清除，并分泌趋化因子招募巨噬细胞，形成Büngner带提供引导。CNS中的华勒变性效率低下，少突胶质细胞缺乏髓鞘自噬能力，血脑屏障限制巨噬细胞浸润，导致抑制性髓鞘碎片长期存在，形成持续非许可性环境。
**3.2 CNS微环境中的抑制性分子**
CNS损伤后，髓鞘相关蛋白（Nogo-A、MAG、OMgp）通过共同受体复合物激活RhoA/ROCK通路，导致生长锥塌陷。同时，反应性星形胶质细胞分泌富含CSPGs的ECM，干扰整合素介导的粘附和细胞骨架动力学。尽管酶解CSPGs或中和髓鞘抑制因子可增强轴突出芽，但很少实现长距离再生，表明抑制机制具有冗余性和稳健性。
**3.3 胶质和纤维瘢痕形成**
CNS损伤后形成由反应性星形胶质细胞、小胶质细胞、浸润巨噬细胞和周细胞来源的成纤维样细胞组成的复杂瘢痕。星形胶质细胞形成致密网络物理阻碍轴突穿透，纤维核心富含胶原提供刚性基质。瘢痕相关细胞还分泌CSPGs和引导线索（如信号素）。尽管传统上认为胶质瘢痕是主要障碍，但星形胶质细胞在某些条件下也能产生促生长分子，提示调节瘢痕成分而非完全消除可能是更可行的策略。
**3.4 CNS神经元的内在生长限制**
即使在许可性环境中，许多CNS神经元也无法再生，表明内在生长能力的重要性。发育期间神经元具有强大的轴突延伸能力，成熟后生长程序下调，损伤后形成营养不良性生长锥。不同神经元亚型的内在生长能力存在差异。实验激活mTOR信号和转录调节因子可部分恢复生长能力，转录组学研究表明受损成年神经元可部分返回到胚胎样生长状态，表明再生能力是一种可塑性细胞程序。
**3.5 CNS再生的多因素屏障**
CNS再生失败源于碎片清除低效、持续抑制分子、胶质和纤维瘢痕形成以及内在生长能力降低的协同作用，这些因素相互强化形成自我维持的非许可性微环境。相比之下，PNS表现出环境重塑与内在生长程序协调的再生反应，这强调了需要同时解决外在和内在约束的治疗策略。
**4. 外在策略：工程化允许性再生微环境**
**4.1 基于细胞外基质的方法**
ECM通过提供结构支持和生化信号影响神经元存活、极化和轴突延伸。层粘连蛋白是促轴突生长的重要ECM成分，但成人CNS损伤后表达减少，局限于血管基底膜。实验补充层粘连蛋白可部分恢复生长许可性，其超分子组织影响生物学活性。相反，CNS损伤后富含抑制性CSPGs，酶解CSPGs或功能性平衡可增强轴突延伸，基因治疗靶向CSPG降解也显示出持续功能改善。
**4.2 生物材料作为再生支架**
ECM分子直接治疗受限于快速降解和缺乏空间控制。生物材料提供可定制平台，天然生物材料（如胶原蛋白）具有固有生物活性但批次间变异大，合成聚合物（如PCL）可精确控制刚度、孔隙率和降解动力学。排列的PCL纤维提供接触引导，促进定向轴突生长和神经元极化，但合成聚合物通常生物惰性，需要表面修饰。
**4.3 表面功能化和混合策略**
生物材料表面功能化ECM分子（如层粘连蛋白）结合结构优势和生物信号，增强神经元附着和轴突延伸。空间呈现ECM分子与拓扑线索协同引导轴突生长方向。先进支架设计包含控制释放系统、配体梯度和随时间可调的机械特性，以更接近复制再生微环境的动态特性，支持再生的不同阶段。
**4.4 纯外在方法的局限性**
尽管取得进展，外在策略单独未能实现CNS中一致的功能性再生。即使在优化环境中，轴突生长仍然有限或未能形成适当突触连接。因此，外在工程应被视为再生策略的基础组成部分，而非独立解决方案，为神经元更有效响应内在促生长信号创造条件。
**5. 内在策略：重新激活神经元生长程序**
**5.1 发育生长通路**
轴突再生与发育过程中活跃但成熟后沉默的分子程序紧密相关。mTOR信号通路整合营养和生长因子信号控制蛋白质合成和代谢，其激活可增强再生。转录调节因子STAT3诱导生长相关基因表达，Krüppel样因子（KLFs）家族成员对再生能力具有相反作用。单个通路激活通常产生适度再生效果，表明内在生长能力分布于相互连接的调控网络中。
**5.2 转录后调节和miRNA依赖的控制**
微小RNA（miRNAs）通过调节mRNA稳定性和翻译控制基因表达。Lin28/let-7调节轴涉及发育时序、代谢和再生潜能，Lin28抑制let-7成熟，维持合成代谢相关基因表达。在再生物种中，Lin28表达在损伤后维持或重新激活，哺乳动物中Lin28表达在发育后急剧下降，其重新激活可增强轴突生长。此外，miR-25-3p和miR-222等miRNAs也通过调节凋亡和细胞骨架重塑促进神经元存活和再生，表明再生能力受复杂转录后调控网络支配。
**5.3 内在程序的遗传和药理学调节**
病毒介导的基因递送和药理学调节剂已被用于操纵内在生长通路，可诱导成年神经元在实验许可条件下再生。然而，内在操纵单独很少导致复杂损伤模型中的功能恢复，再生的轴突可能无法穿越抑制性环境或建立适当突触连接。此外，广泛激活发育生长通路可能干扰神经元身份和突触稳定性，需要实现可控和空间受限的调节。
**5.4 内在和外在因素的相互依赖性**
内在生长能力和外在许可性不是独立变量，而是相互强化的再生决定因素。促生长基底稳定生长锥并促进细胞骨架动力学，放大内在信号；内在激活增加神经元对细胞外引导线索的响应性。因此，内在策略在支持粘附、极化和定向生长的环境中最为有效，分子重编程与工程化微环境相结合可能产生协同效应。
**6. 研究神经再生的体外模型**
**6.1 传统神经元培养**
分离神经元培养是研究神经突生长和轴突引导的基础平台，具有高实验可及性，可精确操纵细胞外底物和细胞内信号通路，但缺乏三维组织和神经元-胶质相互作用，限制了翻译相关性。
**6.2 分隔和微流控系统**
应室培养（如Campenot室）和微流控装置（如PDMS）允许物理分离神经元胞体和轴突，实现局部操控和稳定化学梯度，用于研究生长锥导航、轴突损伤反应和神经元-胶质通讯，但通常依赖于简化几何结构。
**6.3 组织外植体和器官型模型**
组织外植体培养保留天然细胞结构、ECM组成和神经元-胶质相互作用，提供更生理相关的环境，但可及性和通量较低。
**6.4 生物材料整合的体外平台**
将生物材料整合到培养系统中提供三维结构和拓扑引导，功能化层粘连蛋白后作为许可性基底，允许系统调节物理参数，桥接简化培养与复杂体内模型，为组合策略提供测试平台。
**6.5 体外模型作为整合策略的平台**
体外模型提供互补视角，高级培养系统作为再生微环境的实验表征，通过可控整合生物材料、细胞外线索和分子操作，支持解决内在和外在约束的整合策略，模型选择成为关键实验变量。
**7. 神经再生中未解决的挑战和开放性问题**
再生失败反映多种细胞和细胞外机制的协同作用。关键挑战包括：神经突生长与电路重建的脱节；神经元亚型和损伤背景的异质性；再生的时间维度（不同阶段需不同信号组合）；促生长与电路稳定性之间的平衡；以及内在和外在策略整合的设计原则不明。这些挑战表明再生不能简化为孤立靶标操作，需要理解内在生长程序与工程化微环境在时空上的协调。
**8. 转化挑战和未来方向**
实验策略转化为临床疗法面临损伤异质性、长距离轴突生长和精确靶向再支配的要求。生物材料方面需考虑可扩展性和长期生物相容性，内在操纵带来脱靶效应和系统调节风险。未来方向包括：开发更忠实复现神经组织复杂性的实验平台；实现再生干预的时间性调控；结合细胞疗法；以及整合再生策略与活动依赖性可塑性和神经调节干预。最终需要综合、适应性强且基于机制的方法来重建允许性再生微环境，同时保持电路特异性和长期组织完整性。
**9. 结论**
成人神经系统轴突再生应被视为重建的再生微环境的涌现特性，该微环境协调内在神经元生长程序与允许性细胞外环境。外在策略基于ECM调节和生物材料支架重建关键特征，内在策略靶向发育通路和转录后调控网络恢复生长能力。两者功能上相互依赖。先进的体外平台作为再生微环境的重建和机制模型，为组合策略的开发提供测试平台。未来进展需要整合发育神经生物学、分子信号和组织工程见解，设计能够指导神经元在时空上生长的环境，最终实现功能修复。
