NRR:中国天津医科大学冯世庆团队解析脊髓损伤后参与瘢痕形成和神经修复调控的关键蛋白酶及其作用机制
撰文:冯世庆
脊髓损伤在全球范围内构成显著疾病负担,最新疾病负担研究及中国流行病学分析结果提示,其患者基数及年新发病例数仍呈持续攀升态势。星形胶质细胞、小胶质细胞及成纤维细胞均参与脊髓损伤后的瘢痕组织形成过程 [1],而瘢痕组织纤维化的核心在于活化成纤维细胞分泌的细胞外基质异常沉积。在慢性炎症刺激下,损伤中心区域会出现细胞外基质的病理性积聚,由此形成的纤维化瘢痕是导致神经再生受阻的关键病理因素 [2-3]。脊髓损伤后常伴随巨噬细胞大量浸润,以及成纤维细胞、内皮细胞的活化。这些细胞的活性调控与多种蛋白酶的表达水平密切相关,此类蛋白酶可参与多种蛋白质的水解过程,进而降解细胞外基质结构,为免疫细胞向未损伤神经组织的迁移创造条件 [4]。然而,现有研究大多聚焦于参与脊髓损伤病理过程的单一蛋白酶,而不同蛋白酶在损伤后神经瘢痕形成与组织重塑中的相对作用尚未得到充分探究。
中国天津医科大学冯世庆团队在《中国神经再生研究(英文)》(Neural Regeneration Research)发表了题为“Multi-omics
prediction of key proteases regulating scar formation and neural repair after
spinal cord injury”的研究,整合了多组学测序数据,联合差异分析、WGCNA与LASSO/SVM-RFE/随机森林三算法,明确了Mmp12与Adam17是参与脊髓损伤病理过程的关键蛋白酶,同时发现巨噬细胞、成纤维细胞和单核细胞是脊髓损伤后富集蛋白酶的主要细胞类型。药物筛选与分子对接发现Marimastat能够显著抑制关键蛋白酶活性。进一步实验结果表明Marimastat通过抑制脊髓损伤后部分组织蛋白酶功能有效减轻脊髓损伤后的纤维瘢痕形成,促进神经功能恢复。
脊髓损伤后存在显著的炎症扩散及组织瘢痕形成,其中多种蛋白酶的调控作用被越来越多的证据指向为关键驱动因素。研究团队聚焦于脊髓损伤后多种蛋白酶的功能及作用,提出三点核心假说:其一,脊髓损伤中心存在几种关键蛋白酶作为主要因素参与损伤后的组织结构重塑及瘢痕形成;其二,蛋白酶的在不同细胞中分布存在显著差异,可能与免疫浸润密切相关;其三,通过干预关键蛋白酶活性可以有效调控脊髓损伤后的瘢痕形成,从而改善损伤后的神经功能恢复。
关键发现1:基质金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶以及去整合素和金属蛋白酶 (ADAMs)为脊髓损伤的核心蛋白酶类型。
为阐释脊髓损伤后蛋白酶表达与损伤程度之间的关系,冯世庆等整合了多个的全转录组测序数据。主成分分析(PCA)验证了该批次效应校正方法的有效性(图1A)。随后,本研究开展差异表达分析,以筛选脊髓损伤过程中的差异表达基因(图1B)。进一步针对性分析了脊髓损伤后呈上调表达的蛋白酶基因,并按蛋白酶种类进行分类展示(图1C)。通过基因集变异分析计算各类蛋白酶的表达得分,提示这些蛋白酶的表达水平在脊髓损伤后均呈逐步上升趋势(图1D)。为鉴定参与脊髓损伤病理过程的核心蛋白酶,我们运用最小绝对收缩与选择算子回归分析及随机森林算法进行筛选(图1E和F)。结果表明,去整合素和金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶及基质金属蛋白酶在脊髓损伤后发挥关键作用(图1G)。同时上调差异表达基因与上述3类蛋白酶之间存在多个基因交集(图1H)。
关键发现2:Mmp12与Adam17为关键蛋白酶
为确定参与脊髓损伤调控的关键蛋白酶,研究采用三种机器学习算法筛选关键基因,分别为最小绝对收缩与选择算子(LASSO)回归分析、随机森林(RF)算法及支持向量机-递归特征消除(SVM-RFE)算法(图2A-C)。整合三种算法的分析结果后,Mmp12与Adam17被确定为参与脊髓损伤病理过程的关键蛋白酶编码基因(图2D)。基于细胞类型富集原理,冯世庆等运用 xCell 算法对脊髓损伤转录组学数据开展免疫浸润分析。结果显示,成纤维细胞、巨噬细胞和单核细胞在脊髓损伤后的不同时间点呈现出程度各异的富集状态(图2E)。以关键基因Mmp12和Adam17为基础,构建了岭回归得分模型,并在训练集与验证集两个数据集中验证了该回归模型的可靠性(图2F)。分析发现,该回归得分在脊髓损伤后随时间推移呈逐步上升趋势(图2G)。此外,岭回归得分与所有蛋白酶均表现出较强的相关性,且与单核细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、星形胶质细胞等多种细胞的浸润程度存在显著关联(图2H)
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关键发现3:关键蛋白酶活性的抑制有效减少了脊髓损伤后的瘢痕形成
对小鼠脊髓损伤后14天的组织进行免疫荧光分析,结果提示与对照组相比,Marimastat处理组的硫酸软骨素蛋白聚糖与I型胶原蛋白荧光强度显著降低(图3A-D),提示蛋白酶抑制可有效阻碍脊髓损伤后的瘢痕形成。此外,Marimastat还缓解了因蛋白酶过度表达造成的轴突结构损害(图3A和B)。细胞外基质破坏程度的减轻,显著减少了损伤中心处 CD68 阳性髓系细胞的免疫浸润(图3C和D)。Marimastat可有效抑制由MMP12和ADAM17介导的损伤边缘紧密连接蛋白降解与血管结构破坏(图3E)。免疫印迹结果进一步证实,Marimastat可逆转损伤后脊髓组织中紧密连接蛋白Occludin与Claudin-5的表达水平下调(图3F和G)。对照组与Marimastat处理组小鼠在脊髓损伤前均表现出正常的运动行为;损伤后1d,2组小鼠几乎完全瘫痪。但在损伤恢复期,对照组小鼠的运动功能仅呈缓慢恢复趋势,而Marimastat治疗组小鼠的运动功能恢复情况显著优于对照组(图3H)。脊髓损伤后,小鼠的运动诱发电位潜伏期延长、波幅显著降低,而Marimastat处理可有效改善脊髓损伤后的生物电信号传导(图3I和J)。此外,Marimastat处理还能增强脊髓损伤小鼠的后肢协调性,对步态规整性指数及足印位置的改善作用尤为明显(图3K和L)。上述研究结果表明,抑制关键蛋白酶MMP12与ADAM17的活性,可促进脊髓损伤小鼠的神经功能恢复。
该研究以多组学-机器学习范式系统界定了脊髓损伤中的关键蛋白酶,并以Marimastat实现了对关键蛋白酶的抑制,有效减少了脊髓损伤后的瘢痕形成并促进神经功能恢复。
综上,冯世庆等整合多套数据集与多种分析方法,系统描绘了脊髓损伤后组织相关蛋白酶的时空表达特征,并揭示了其表达水平与免疫细胞浸润及瘢痕形成的关联。确定Mmp12与Adam17为核心蛋白酶编码基因。进一步证实Marimastat可作为这2种蛋白酶的双重抑制剂,可有效减少脊髓损伤后瘢痕形成、抑制炎性细胞浸润,从而维持损伤区域边缘的微血管完整性。本研究结果为阐明脊髓损伤后的组织重塑与免疫调控机制提供了新的思路,并筛选出具有潜在应用价值的治疗靶点。同时,研究仍有以下不足:①研究通过定量检测紧密连接蛋白的降解程度,间接证实了Marimastat对蛋白酶活性的抑制作用,但并未直接测定其对 ADAM17 或 MMP12 活性的特异性影响;②统计分析的测序数据样本量相对较小。后续研究应纳入更大规模的原始数据,以提升统计效力,增强研究结论的可信度。
原文链接:https://doi.org/10.4103/NRR.NRR-D-25-01391
参考文献#br#
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