摘要：在本综述中，我们讨论了斑马鱼脊髓损伤（SCI）后轴突损伤和修复。成年斑马鱼能够再生轴突，并能在脊髓损伤后恢复全部功能。与鱼类不同，成年哺乳动物中枢神经系统的轴突再生极其有限。由于损伤，轴突几乎没有修复，因此成年哺乳动物在脊髓损伤后仍存在功能缺陷。相比之下，外周神经系统轴突在受伤后很容易再生，从而使哺乳动物和鱼类的功能恢复。对这三种情况有更好的机械理解，对脊髓损伤后轴突再生的成败有更全面的认识。本文综述了目前对轴突再生的细胞和分子基础的认识，在外周神经系统和中枢神经系统中，并采用大规模基因表达分析方法对再生过程中的不同事件进行研究。斑马鱼脊髓再生相关基因的发现和鉴定以及随后的功能性实验将提供更多关于髓鞘形成和再髓鞘形成的内在机制的见解。此外，对斑马鱼特殊轴突再生过程的机制的精确了解，这也将使我们能够解开潜在的治疗策略，以加强哺乳动物轴突的再生和再髓鞘化。

 

简介：在脊椎动物中，硬骨鱼在脊髓损伤（SCI）后具有显著的轴突再生能力。与哺乳动物相比，斑马鱼是一个重要的模型，因为在成年鱼索中存在两个有效的神经再生程序，即神经轴突生长和再髓鞘化。轴突再生的程度已经用不同的损伤模式来评估，例如斑马鱼脊髓的横断或挤压损伤。哺乳动物中枢神经系统（CNS）缺乏长距离轴突再生的原因是神经元内在生长能力不足损伤后外源性抑制环境的建立。哺乳动物和鱼类的中枢神经系统轴突再生能力不同，尽管轴突再生的一些分子和细胞途径相似。中枢神经系统和周围神经系统（PNS）再生能力的显著差异是由于受损神经元的内在能力和不同环境信号的差异所致。因此，在这篇综述中，我们打算剖析在鱼和哺乳动物中调节中枢神经系统和PNS轴突再生的细胞和分子机制的相似性和不同之处，因为进一步的认识可能是高等生物诱导轴突成功修复和靶向神经支配的关键。斑马鱼是研究许多神经遗传疾病的强有力的实验模型，因为斑马鱼的基因组已经被测序和注释，而且大多数斑马鱼的基因在哺乳动物中高度保守。斑马鱼与人类中枢和周围神经系统的神经解剖学对比分析显示，它们具有相似的结构组织，包括细胞类型和神经元。通过利用可用于基因操作的新工具，如基因组编辑、高通量DNA/RNA测序、体内成像等，大多数人类生理和病理学可以在斑马鱼中建模。

 

哺乳动物中枢神经系统和PNS轴突损伤反应;成年哺乳动物中枢神经系统轴突的再生能力很小。最初的损伤破坏了许多神经元、胶质细胞、内皮细胞和脑膜细胞，随后的继发性退行性反应进一步加剧了损失。星形胶质细胞的丢失导致异常的离子稳态，而少突胶质细胞的丢失导致髓鞘形成不良和轴突活动受损。损伤后，与神经元细胞体失去联系的切断的轴突远端退化。尽管损伤的轴突试图在损伤环境中穿行，但近端部分偶尔存活并长出短芽，但仍无法再生和重新调节适当的靶点。损伤后，轴突显示营养不良的生长锥，被Ramon和Cajal鉴定为不育的轴突，后来被其他人确认。在受损轴突末端形成营养不良的端球被认为是轴突不能再生的原因。 形态学上，这些肿胀的实体含有破坏的细胞骨架和在脊髓损伤后持续数月至数年的细胞器。PNS损伤的轴突在损伤后数小时内可产生一个新的活动生长锥，而损伤的CNS轴突则会收缩并形成一个收缩球。活动生长锥状结构的形成也涉及再生能力强和不能再生轴突之间的关键区别。与损伤后不同阶段生长锥形成和生长锥塌陷相比，我们对收缩球形成的进一步理解是认识轴突损伤反应结果和复杂性的关键。Aguayo、David和Bray的里程碑式实验表明，一些受损的中枢神经轴突保留了有限的再生能力，在允许坐骨神经移植的环境下可以长距离再生，但不能重新融入中枢神经系统。此外，在没有建立真正的突触靶神经支配的情况下，发芽或再生没有任何功能意义。后来，其他研究表明，周围神经的髓鞘是允许生长的，而中枢神经系统的髓鞘则强烈抑制神经生长。成人PNS神经元损伤后仍保持再生能力，感觉和运动轴突均能长距离再生。大量解剖再生导致功能恢复。背根神经节（DRG）是独特的，因为它们的轴突分叉到周围神经目标，如皮肤和肌肉，而中央分支向中枢神经系统提供感觉信息。虽然DRG的外周分支在损伤后可以再生，但中心分支不能再生。因此，中枢神经系统和PNS对损伤的反应不同。这种再生能力的显著差异是由于受损PNS和CNS神经元的内在特性，以及PNS和CNS轴突的不同细胞外环境造成的。损伤反应的差异也存在于胶质细胞群中，胶质细胞群可能引发促再生反应或反再生反应。对这些细胞和分子机制的深入了解，突显了中枢神经系统和PNS轴突的分化能力，使我们能够设计出未来的治疗策略，以诱导中枢神经系统中有效的轴突再生。

 

鱼中枢轴突损伤导致功能恢复：成年斑马鱼在脊髓和视神经损伤后具有强大的轴突再生能力。切断的轴突在损伤后可以再生，因此可以进行功能恢复。损伤后，功能丧失反映了损伤程度，即鱼在损伤部位的尾部瘫痪，但在4-6周内恢复正常的游泳行为。脊髓损伤后一些轴突的再生是强健的，例如，脑干神经元的切断轴突可在病变部位外约3.5 mm处突出。但轴突再生在很大程度上是可变的，例如，Mauthner神经元轴突再生较差，尽管它可以通过改变细胞内的腺苷3′，5′环一磷酸（cAMP）信号来增强。同样，脊髓内神经元的背根轴突和上升轴突没有显示出任何明显的再生，而下降的单胺能轴突仅能向远端再生几微米。然而，白质更新的体积并不是100%，大多数再生轴突延伸到灰质而不是白质，可能需要巨噬细胞和小胶质细胞的支持。

 

神经创伤与炎症反应：神经系统的外伤引起炎症反应。中枢神经系统和PNS的炎症是不同的。基于各种研究，我们比较了哺乳动物和鱼类SCI之间的炎症反应，强调不同细胞类型和效应分子在数量和参与程度上的差异。

 

哺乳动物脊髓损伤后小胶质/巨噬细胞介导的反应：中枢神经系统损伤后的炎症反应主要是由于小胶质细胞的活化和外周源性巨噬细胞的募集，这些巨噬细胞被认为有助于哺乳动物中枢神经系统内的继发性退行性反应。这两种细胞根据损伤的类型和程度对损伤作出不同比例的反应，并可能对营养因子产生各种细胞毒性，这些营养因子在中枢神经系统组织中起着有害和有益的作用。中枢神经系统细胞在损伤后的第一小时内上调促炎细胞因子和趋化因子，这可能导致损伤附近的神经元死亡和破坏。因此可能在断开现有神经元连接方面起到关键作用。小胶质细胞在损伤后1天内被激活，并在组织碎片的吞噬作用中发挥作用，从而参与清除、抵抗感染和恢复组织内稳态。小胶质细胞在清除细胞碎片中的作用在中枢神经系统损伤中被放大，尽管与血液巨噬细胞相比，其吞噬能力可能有限。中枢神经系统损伤后，小胶质细胞可能产生抗炎细胞因子，如白细胞介素4（IL-4）、IL-10和转化生长因子β（TGFβ），具有神经保护作用。由于细胞因子或趋化因子的微胶质生成而引起的炎症反应在不同损伤阶段在损伤部位招募外周免疫细胞，如单核细胞、中性粒细胞、树突状细胞和T淋巴细胞。最重要的是，在哺乳动物的脊髓损伤中，造血巨噬细胞和小胶质细胞在损伤部位无限期地持续存在，而巨噬细胞的耗竭可提高恢复能力，增强了修复性巨噬细胞的表型，增加了轴突的生长和运动活性。此外，巨噬细胞向病变部位的延迟和有限的募集以及髓鞘碎片的持续存在为轴突生长创造了一个不利于轴突生长的环境，导致中枢神经系统再生失败。巨噬细胞吞噬碎片，分泌神经营养因子，并在损伤后广泛发生的轴突回缩和轴突回缩中起直接作用。损伤后的小胶质细胞反应也有助于瘢痕形成。巨噬细胞在炎症最严重的受伤部位附近吞噬轴突碎片。活化的小胶质/巨噬细胞释放基质金属蛋白酶9（MMP-9），并与血脑屏障破坏、中性粒细胞侵入和继发性髓鞘降解有关。血源性巨噬细胞而不是驻留的小胶质细胞负责延长损伤轴突的回缩，这是由MMP活性引起的。在脊髓损伤和脊髓神经损伤中报道了MMP-9的急性、短暂上调和MMP-2的延迟但持续上调。尤其是MMP-9和MMP-2主要是通过破坏硫酸软骨素-蛋白聚糖（CSPG）疤痕组织来清除轴突再生路径的关键参与者。体外研究还发现，激活的巨噬细胞引起显著的轴突收缩，这种收缩可以通过功能性阻断MMP-9而不是MMP-2来抑制。巨噬细胞暴露于受损中枢神经系统环境中，分化为功能上不同的细胞亚群，对神经元存活和轴突再生有不同的影响。M1型巨噬细胞负责干扰素γ（IFNγ）和toll样受体信号传导，分泌促炎细胞因子，促进炎症和碎片清除，并引起轴突回缩。而M2型巨噬细胞则交替激活，导致细胞增殖和心肌梗死。释放神经营养因子等生长因子，促进少突胶质祖细胞（opc）分化、再髓鞘化和轴突再生，减少轴突退行性变。因此，M2巨噬细胞启动抗炎反应，并能克服CSPG和髓鞘对轴突生长的抑制。哺乳动物的SCI反应始于早期的促炎反应。M1极化的巨噬细胞在损伤后持续很长时间，发挥神经毒性作用，导致慢性炎症和轴突再生受损。斑马鱼脊髓损伤后，炎症反应得到控制，髓鞘碎片迅速清除。斑马鱼脊髓损伤后几种趋化因子和细胞因子上调，其中IL-4R、干扰素-1（IFN-1）和转化生长因子β1（TGFβ-1）在哺乳动物中枢神经系统损伤中也上调。与其他脊椎动物相似，斑马鱼微胶质表达典型的脊椎动物巨噬细胞基因。此外，许多转录调节因子、免疫病原体受体和修剪相关基因的表达，也在哺乳动物中发现，这表明哺乳动物和鱼类之间的功能保护。在哺乳动物和鱼类中枢神经系统损伤中均可见MMP分泌。在斑马鱼的视网膜顶盖再生的不同阶段，有四种特异性MMP（MMP-2、MMP-9、MMP-13a和MMP-14）的动态表达。最重要的是，MMP-9和MMP-13都在脊髓损伤和视神经挤压损伤后表达，这可能表明它们在损伤反应和轴突再生中的作用。斑马鱼脊髓损伤后小胶质细胞和巨噬细胞的时空激活和分布与哺乳动物不同，我们观察到小胶质细胞的早期激活和伤口部位血液中巨噬细胞的浸润（损伤后2-3天）。在哺乳动物中，巨噬细胞在脊髓损伤后长期存在于损伤部位，而在成年斑马鱼中，在损伤后10天观察到血液中巨噬细胞的耗尽。斑马鱼体内也存在功能不同的巨噬细胞亚群，在脊髓损伤后早期，大量M2型巨噬细胞基因的表达上调，而只有两个M1型巨噬细胞基因的表达变化很小。到目前为止，所有的间接证据都提出了一个假设，即在斑马鱼SCI中，当M2极化巨噬细胞持续存在并占主导地位时，有一个最初短暂的促炎状态，随后是一个抗炎反应。由于M2巨噬细胞不是神经毒性的，因此一般倾向于抗炎状态，因此缺乏慢性炎症可促进脊髓损伤后轴突再生。进一步的实验分析和功能验证仍然需要充分揭示不同巨噬细胞亚群在斑马鱼脊髓损伤后炎症控制中的作用。

 

PNS损伤后炎症巨噬细胞和雪旺细胞的作用：PNS损伤后的炎症在一定程度上与成功的再生有关，许旺细胞和巨噬细胞的激活以及特定免疫反应的激活被认为是根本原因。雪旺细胞以特定的时间方式表达多种炎症介质，如肿瘤坏死因子α（TNF-α）、IL-1α和β、单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）、巨噬细胞炎症蛋白1、IL-10、TGF-β和galetin-3。雪旺细胞协调活化巨噬细胞的募集，炎症是通过趋化因子引起的。在PNS损伤中观察到几种促炎细胞因子和趋化因子的高倍增加。分析表明，炎症和免疫反应基因属于最丰富的类别，IL-6和IL-10通路是参与神经变性和再生的主要信号。几种细胞因子，如IL-6、白血病抑制因子（LIF）和纤毛神经营养因子（CNTF），由巨噬细胞和雪旺细胞分泌，并在PNS损伤后在DRG神经元中上调。雪旺细胞不仅参与炎症细胞的募集，而且在PNS损伤后终止炎症反应。修复轴突束的雪旺细胞再髓鞘通过巨噬细胞中的nogo受体（NGRs）和再髓鞘轴突中存在的配体之间的排斥性相互作用刺激巨噬细胞从雪旺细胞基底层流出。PNS损伤后巨噬细胞极化的动力学尚不清楚，尽管已证实小鼠PNS损伤导致了髓鞘巨噬细胞吞噬，刺激了M2巨噬细胞表型。将IL-4细胞因子注入受损的坐骨神经，诱导M2型巨噬细胞反应，刺激雪旺细胞迁移，改善远端神经末端轴突再生。因此，通过各种细胞因子/趋化因子触发或增强破碎过程，损伤诱导炎症。免疫反应的激活似乎有利于周围神经的再生。

 

哺乳动物和鱼类的巨噬细胞和小胶质细胞发出的分子信号具有明显的相似性。最近的一项研究表明，在斑马鱼和小鼠模型中，阻断溶血磷脂酸（炎症的一个重要介质）可以改善脊髓损伤后的结果。几种炎症刺激，如脂多糖和酶多糖，可促进M1型巨噬细胞表型，并增强外周轴突和中枢轴突的再生反应。小胶质细胞被认为是对小鼠和斑马鱼的中枢神经系统损伤作出反应的第一细胞类型，尽管可能存在暂时性变化。哺乳动物中枢神经系统损伤后的小胶质反应由ATP和受体p2y12介导，p2y12是到达损伤部位的引诱剂。证实早期损伤的脊髓中存在活化的小胶质细胞。在斑马鱼中，中枢神经系统损伤后小胶质细胞迁移需要ATP和p2y12嘌呤能受体，这突出了这些分子的保守作用，小胶质细胞可以通过这些分子感知神经元损伤。即使在没有机械损伤的情况下，当一个运动神经元选择性地在斑马鱼幼体脊髓中消融时，随着死亡神经元发出“吃我”信号，小胶质在30分钟内迅速激活，随后在损伤部位被小胶质吞噬。

 

斑马鱼中枢神经系统损伤表现出与PNS损伤相似的反应：先前的研究表明，哺乳动物中枢神经系统损伤后轴突再生失败的原因之一是髓鞘清除率低，而在PNS中，由雪旺细胞和巨噬细胞引起的 Wallerian变性过程中有效的髓鞘清除率增加了再生。为了支持这一概念，我们观察到斑马鱼巨噬细胞也参与碎片清除、凋亡神经元的清除和脊髓损伤后轴突碎片的吞噬。斑马鱼周围神经损伤后，在轴突断裂开始之前很久，巨噬细胞在损伤部位被招募，与雪旺细胞衍生的信号无关。轴突断裂后，巨噬细胞向受损神经远端浸润，吞噬轴突碎片。

 

损伤后轴突生长的内在控制：成年哺乳动物中枢神经系统轴突成功再生的一个主要限制因素是受损神经元的固有特性差。相反，在PNS的轴突切除术后，大量的再生相关基因（RAG）被上调。ATF-3、SOX-11、SPRR1A、GAP-43和CAP-23负责神经突的生长。 RAGs的激活，如ATF-3、C-Jun、HSP 27、SPRR1A、GAP-43和JAK-STAT通路发生在受损的PNS轴突中，而对CNS轴突的损伤不会导致这些RAGs的激活。据报道，抑制磷酸酶和紧张素同系物（PTEN）、细胞因子信号传导抑制因子（SOCS3）或参与PNS再生的基因（如klf7、creb和c-jun）的过度表达，均可诱导成人中枢神经系统轴突再生。几种对固有轴突生长的负调节因子，如哺乳动物的cAMP、pten和socs3，也在斑马鱼中起到保护作用。PTEN对小鼠皮质神经元的抑制作用表明，损伤的皮质脊髓束轴突有很强的再生能力，而这些轴突在其他方面对再生不敏感。同样，mTOR激活的哺乳动物靶点促进轴突再生。在DRG神经元中激活PI3K或抑制PTEN可增加轴突的生长。为了了解活动性mTOR是否在斑马鱼视神经再生中起作用，Diekmann等人研究了损伤后mTOR信号，得出结论：视神经损伤后mTOR活性的调节不同于哺乳动物，并起到补充作用。

 

外源性因子-中枢神经系统髓鞘相关抑制剂及其在轴突再生中的作用:损伤后，高级脊椎动物的PNS轴突能够再生，而CNS轴突不能再生。这种再生能力的差异不仅是由于中枢神经系统和PNS神经元的不同内在特性，而且是由于各自的环境。外在因素包括细胞外基质（ECM）、营养因子、化学排斥引导信号和髓鞘相关脂质和蛋白质。从切断的轴突释放的髓鞘分解产物的积累和损伤中心形成抑制性胶质疤痕导致化学和物理屏障，干扰轴突的生长和再生。损伤中枢神经系统轴突再生的主要外在障碍是几种由不同胶质细胞（如胶质祖细胞、少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞）表达的生长抑制和排斥因子。鱼类和哺乳动物神经元的再生轴突都被哺乳动物的干细胞和髓鞘细胞所阻止，尽管轴突可以在鱼类干细胞的存在下生长。这一实验证据表明哺乳动物中枢神经系统和PNS环境中的因子可能是轴突再生反应差异的原因。

 

哺乳动物脊髓损伤后神经胶质瘢痕的形成:除了髓鞘退化外，星形细胞疤痕的形成被认为是哺乳动物中枢神经系统损伤后轴突生长抑制的重要组成部分。胶质瘢痕是由ECM和细胞类型组成的复合物，形成致密结构，可以保护邻近组织，但也可能是轴突再生的主要障碍。以前的各种报告都将轴突再生失败与成熟的星形胶质细胞、星形胶质细胞疤痕和星形胶质细胞产生的CSPG相关。星形细胞对损伤的反应称为反应性胶质增生，其特征是细胞肥大、基因表达变化和细胞增殖。在研究反应性神经胶质病的分子机制及其对星形细胞功能的影响时，有人认为，星形胶质病可能根据其时间进程和动态特征，对轴突的生长产生有益和有害的影响。其中一些反应可能有利于减少炎症和细胞退化，而一个特定的星形胶质细胞群体可能支持轴突再生。星形胶质瘢痕或胶质瘢痕由两个截然不同的组成部分组成：（a）具有肥大星形细胞的病变半影；（b）由NG2+少突胶质细胞前体、PGDFRβ+成纤维细胞和活化的浸润巨噬细胞和周细胞组成的病变核心。病变区内的营养不良轴突与NG2+胶质细胞保持密切接触。在结构分层的胶质瘢痕中，不同细胞群的分离表明存在特定的化学排斥/吸引机制。NG2+胶质最初提供了一种支持物质，有助于防止由于炎症细胞的存在而引起的轴突坏死。营养不良轴突和NG2+胶质细胞的这些突触特化是阻碍轴突生长的原因。尽管NG2抑制了OPC的增殖，但MMP-9也能降解其蛋白支架，从而促进了细胞的再生。

 

成年斑马鱼中枢神经系统星形胶质细胞再生的缺失：在成年斑马鱼中，轴突再生最重要的一个方面是，再生轴突长距离到达合适的目标，并能进行再神经支配，这种现象在哺乳动物中不会发生。有人假设再生轴突可以沿着退化的轴突追踪其原始路径，就像在PNS中一样。已经提出再生过程中，再生轴突重新穿过灰质，这与先前的假设不符。通过排斥某些不受神经支配的区域的轴突，CSPG和其他抑制分子在发育过程中起着重要作用。脑室内注射软骨素酶对脑脊液中脑脊液蛋白的降解表明，新生的斑马鱼视轴突确实被脑脊液中的后前核排斥。

 

损伤后脱髓鞘和再髓鞘：中枢神经系统损伤时，轴突被切断，白质中的细胞可能死亡。损伤后轴突脱髓鞘导致功能严重丧失，对中枢神经系统和神经中枢神经系统都有严重影响。因此，再髓鞘是实现轴突成功再生的关键步骤，其次是适当的靶向神经支配和功能恢复。NG2+胶质在成年哺乳动物中枢神经系统脱髓鞘和再髓鞘中起主要作用。这些细胞增殖并产生大量新的少突胶质细胞。再髓鞘形成的一些关键成分包括祖细胞向少突胶质细胞或雪旺细胞分化、营养因子和环境信号，这些信号控制髓鞘形成/再髓鞘形成和清除髓鞘碎片。在研究斑马鱼神经系统的髓鞘形成和再髓鞘形成过程时，已经观察到鱼和哺乳动物之间髓鞘的基本结构和组成以及控制髓鞘形成的潜在分子机制是保守的。轴突的再生能力依赖和支持雪旺细胞髓鞘形成神经胶质的PNS。正如在许多范例中所研究的那样，PNS的损伤会引起壁细胞变性，随后是轴突再生和髓鞘再髓鞘化。雪旺细胞脱分化并参与自身髓鞘的吞噬作用，并招募巨噬细胞，这对清除受损组织至关重要。

 

未来展望：斑马鱼可以作为一个理想的模型来揭示有益的免疫反应和维持机制，以成功的再生。为了诱导轴突再生，了解轴突环境中的胶质细胞及其对损伤的反应是至关重要的。对神经胶质细胞再生机制的深入了解，可以为再生许可环境提供更多的线索。斑马鱼中枢神经系统轴突的成功再生依赖于高固有能力、无神经胶质疤痕和适当的轴突引导分子。未来的研究可以通过大规模的基因表达分析来识别新的RAGs、轴突导向分子等。同时，通过采用反向遗传技术进行有效的功能分析，为快速识别轴突再生所涉及的分子途径铺平了道路。