來源：CellPress細胞科學
2021年1月7日，美國南加州大學研究團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell上發表了一篇新研究，題為「Cranial suture regeneration mitigates skull and neurocognitive defects in craniosynostosis」，科學家們成功地使功能性顱骨縫線再生，糾正顱骨畸形，使顱內壓正常化並挽救神經認知行為缺陷。基於MSC的顱縫再生為逆轉這種破壞性疾病中的顱骨畸形和神經認知異常提供了一種治療方案。
摘要
顱骨早閉症是由顱縫過早融合引起的，顱縫線包含間充質幹細胞（MSC），這些細胞對顱蓋擴張與腦部生長的協調至關重要。患有顱骨早閉症的嬰兒會出現顱骨畸形、顱內壓升高及其他併發症，例如降低生活質量的神經認知障礙。開發創新療法的需要十分迫切，但由於缺乏概括這些表型的動物模型，治療的發展受到了阻礙。
在此，我們顯示患有顱骨早閉症的Twist1 +/-小鼠出現了顱內壓升高和神經認知行為異常的表現，展現了人類Saethre-Chotzen症候群的特徵。使用可生物降解的材料與MSC結合，我們成功地使功能性顱骨縫線再生，可糾正顱骨畸形，使顱內壓正常化並挽救神經認知行為缺陷。再生的顱縫線創造了一個適合內源性MSC遷移到的位置，維持了顱骨的穩態和修復。基於MSC的顱縫再生為逆轉這種破壞性疾病中的顱骨畸形和神經認知異常提供了一種治療模式的轉變。
簡介
顱縫早閉症是一種常見疾病，又稱狹顱症或顱縫骨化症，由一條或多條顱縫線（分離顱骨的纖維關節）在嬰兒期過早融合引起。該疾病會導致顱骨生長畸形、顱內壓（ICP）升高、腦部發育遲緩，而且往往會使認知功能受損（Morriss-Kay and Wilkie, 2005; Twigg and Wilkie, 2015）。顱縫的開放對於分娩過程中的顱骨受壓十分重要，對於產後顱骨發育和適應以及貫穿整個成年期的大腦發育來說也是至關重要的。目前，治療顱縫早閉症的唯一方法是複雜手術，這樣才能糾正顱骨畸形並預防相應的後遺症（Wolfswinkel et al., 2017）。在許多情況下，顱骨會再次發生骨性結合，因而需要再次進行手術。迫切需要更好的方法來治療顱縫早閉症並預防骨性結合再次發生。
顱縫早閉症患者通常表現出神經認知功能障礙和智力障礙（Gripp et al., 2000; Reardon et al., 1997; Speltz et al., 2015; Zechi-Ceide et al., 2012）。例如，Saethre-Chotzen症候群患者的TWIST1基因發生突變，其冠狀線為主要的丟失。包括TWIST1基因座在內的大基因片段缺失與學習障礙和神經認知障礙有關（Gripp et al., 2000; Zechi-Ceide et al., 2012）。ZIC1或FGFR基因的功能獲得性突變也會導致顱縫早閉和學習障礙（Reardon et al., 1997; Twigg and Wilkie, 2015）。
儘管神經認知功能障礙更常見於綜合病徵型顱縫早閉，但某些非綜合病徵型的單縫顱縫早閉患者也可能會出現智力障礙和發育遲緩，其嚴重程度因人而異（Speltz et al., 2015;Wallace et al., 2016; Collett et al., 2017）。這些研究突顯了這些缺陷的異質性，也提供證據表明單獨的顱縫早閉也可能會引起神經認知功能障礙。總體而言，顱縫線過早融合可能會對神經認知功能產生不利影響，這可能是由於ICP升高和神經解剖學變化增加所致（Morriss-Kay and Wilkie, 2005）。然而，目前還未有任何研究工作在顱縫早閉的動物模型中深入研究ICP和神經認知，導致我們對這種破壞性疾病的了解仍有欠缺。因此，恢復顱縫的開放能否改善神經認知功能也仍然是一個未知的問題。
間充質幹細胞（MSC）可以自我更新並分化為一系列不同的細胞類型，從而使組織再生（Chan et al., 2018; Mao et al., 2006），此前也有研究者將其用於顱蓋骨的再生（Cowan et al., 2004; Liu et al., 2011; Maruyama et al., 2016）。我們最近的研究報告顯示，Gli1 +細胞是顱縫內不可缺少的MSC來源（Zhao et al., 2015）。它們對成年小鼠的顱面骨更新、修復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，我們證明了在Twist1 +/-小鼠的冠狀線融合之前，Gli1 +細胞會過早丟失（Zhao et al., 2015）。這些研究表明，恢復MSCs是顱骨早閉症中能使顱縫線再生的一種潛在治療方法。但是，這種方法提出了巨大的技術難題。既往研究表明，MSC的遞送方法和用於受損區域的生物材料至關重要（Zhao and Chai, 2015）。研究者尚不清楚MSC如何參與顱縫的再生過程，支持MSC的理想生物材料是什麼也尚未明確。
在這項研究中，我們顯示了Twist1 +/-小鼠冠狀線的過早融合會導致ICP升高和神經認知異常增加，從而重現了人類Saethre-Chotzen症候群的症狀。使用這一具有高度臨床相關性的小鼠模型，我們證明了Gli1 + MSC與改良的GelMA結合可以支持冠狀線再生。內源性MSC遷移至再生縫線區域，以維持其在顱骨組織穩態和修復中的功能。縫線再生顯著降低了ICP，部分減輕了顱蓋畸形，並改善了神經認知功能。由於TWIST1單倍體功能不全與Saethre-Chotzen症候群患者的顱骨早閉症相關，因此我們的發現具有高度的臨床轉化性，為提高顱骨早閉症患者的生活質量提供了獨特的方法。
討論
通過將MSC與生物材料結合，並建立顱縫早閉相關神經認知缺陷的小鼠模型，我們發現基於Gli1 + MSC的顱縫再生不僅可以在Twist1 +/-顱縫早閉症小鼠模型中修復顱骨畸形，還可以恢復神經認知功能障礙。這些發現體現了研究範式的轉變，並提供了一種基於MSC的顱縫早閉治療策略，對臨床實踐具有潛在的積極影響。
含有突變的動物模型在闡明顱縫早閉症的分子機制和細胞病因學方面具有重要意義。其中許多模型表型化了在攜帶相同基因突變的患者中觀察到的骨性結合，因而具有很高的價值（Twigg and Wilkie, 2015）。但是，幾乎所有研究都只針對顱縫線缺損。對於這些模型的ICP和神經認知功能分析仍然十分欠缺。在此，我們建立了Twist1 +/-小鼠模型，以探究顱縫早閉症患者的神經解剖學和認知功能障礙。
這些發現將促進未來使用其他顱縫早閉症小鼠模型探究神經認知功能障礙的研究，並為研究其潛在的分子、細胞和迴路機制奠定基礎。我們的發現還促進了未來治療幹預的設計和評估，因為綜合病徵型的和非綜合病徵型的顱縫早閉症都會導致ICP升高和腦形態改變，進而導致神經認知功能發生重大變化（Bellew et al., 2005; Brooks et al., 2018; Renier et al., 1982; Sidoti et al., 1996）。我們開發出了一種有效的治療方法，在患有顱縫早閉症的Twist1 +/-小鼠中成功使用Gli1 + MSCs和改良的GelMA支持顱縫再生並糾正顱骨畸形。這些發現具有重大的潛在臨床價值。
顱縫早閉症的手術矯正通常在出生後第一年進行，目前最普遍的方法是全顱頂顱骨成形術和內鏡輔助手術結合頭顱重塑頭盔（Brooks et al., 2018）。然而，這些過程是侵入性的，並且與骨性結合再發和其他併發症相關。我們需要採用改良的治療方案來確保這些年輕患者的長期生活質量。基於MSC的縫線再生之所以能取得成功，是因為經過獨特修飾的GelMA（M-GM）支架，該支架與Gli1 + MSC具有生物相容性，可生物降解並為縫線再生提供絕佳支持。我們的治療策略能在至少一年內仍保持縫線的功能，而且在修復損傷和維持組織穩態方面，其功能類似於天然顱骨縫線。我們的研究結果表明，對狹顱症患者來說，結合M-GM的MSC侵入性較低和具有可持續性。
我們的研究為顱縫線的再生和維持過程提供了細胞和分子層面的見解。我們發現，在Twist1 +/-小鼠中，外源性植入的Gli1 + MSC和源於硬腦膜顱縫線再生的內源性MSC具有相當的重要性和相互依賴性。這與硬腦膜內多能祖細胞在維持顱骨組織穩態中的關鍵作用一致（Gagan et al., 2007;Kwan et al., 2008; Ogle et al., 2004）。MSC移植物可以募集內源性幹細胞至再生位點（Xing et al., 2014），這一過程可能受到Wnt3a、PDGF和VEGF的輔助（Shin and Peterson, 2013）。
在分子水平上，Twist1的單倍體功能不全會導致Axin2受損和Wnt信號轉導增強（Yu et al., 2005）。外源MSC的植入能將Wnt信號轉導恢復至與對照樣品相當的水平，從而阻止骨性結合的再次發生。
此外，我們的數據表明Twist1在嬰兒出生後的功能並非不可或缺，因為Gli1 + MSC中Twist1的丟失並不會導致成年小鼠發生顱縫早閉。該結果也部分解釋了為什麼在Twist1單倍體功能不全的條件下，植入的MSC與募集的內源性Gli1 + MSC能使顱縫線再生。總體而言，我們的發現表明，植入的MSC提供了一個合適的位置，從而活躍地募集內源性MSC並將其整合其中，以支持功能性和可持續性的顱縫線再生。
該研究的重大發現之一在於，恢復顱縫線開放的不僅可以挽救顱骨畸形，而且可以使ICP正常化並恢復神經認知功能。顱骨融合症患者經常有學習障礙（Kilcoyne et al., 2019; Twigg and Wilkie, 2015; Zechi-Ceide et al.,2012）。影響不同顱縫線的非症候群性顱骨融合症可能對行為功能異常有不同的影響（Sun et al., 2019）。我們的顱縫線再生方法可以挽救Twist1 +/-小鼠中的幾種神經認知功能異常，包括新物體識別和社交能力等方面的缺陷。
該研究表明，ICP升高至少部分會導致神經認知功能障礙，在伴有顱縫早閉的Twist1 +/-小鼠中，這種疾病可通過縫線再生得以挽救。我們通過MRI和組織學分析得到的結果表明，Twist1 +/-小鼠的神經元數量和大腦體積變化會導致神經認知功能障礙，這些變化可在顱縫再生後得以恢復。我們的研究為顱縫再生改善神經認知功能的潛在機制提供了重要見解。Twist1在成年小鼠的大腦中不表達，而沒有顱縫早閉的Twist1 +/-小鼠具有正常的ICP和神經認知功能，這表明Twist1在調節大腦結構的發育和功能中不發揮直接作用。
然而，在人類中，TWIST1基因在胎兒發育時的大腦皮層中表達，也在成人的上層興奮性神經元中表達（Sousa et al., 2017; Zhu et al., 2018）。未來的研究需要使用多種骨性結合的模型，闡明導致選擇性認知功能障礙和功能恢復的分子介體或神經迴路。
總結來說，我們的研究表明，與M-GM結合的MSC可以在與臨床高度相關的顱縫早閉病變模型中使顱縫再生、恢復正常ICP並挽救神經認知功能。但是這種方法的臨床應用仍然存在挑戰，包括確定手術的最佳時機以及理想的MSC來源和數量，這需要進一步的研究才能使治療效果最大化。不過，我們的顱縫再生方法為狹顱症提供了一種侵入性較低的有效治療選擇，給這種破壞性疾病的患者帶來了新希望。