脊髓损伤后AMPA受体信号增强促进室管膜衍生神经干/前体细胞迁移与功能恢复 —— Nature Neuroscience 最新研究综合报道

一、学术背景：脊髓损伤修复难题、室管膜细胞的潜能与AMPA受体机制探索

脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）是一类严重危害人类健康的中枢神经系统损伤，其导致的神经功能损失及瘫痪常常不可逆。由于哺乳动物的脊髓再生能力有限，如何促进损伤后神经再生与功能恢复，成为神经科学与临床康复医学领域长期关注的难题。近年来，研究者发现，脊髓中央管（central canal）周围的室管膜细胞（Ependymal cells）在损伤后可被激活，获得干细胞/前体细胞（Neural Stem/Progenitor Cells，NSPCs）特性，短暂地表现出增殖、迁移能力。这些室管膜衍生神经干/前体细胞（Ependymal-Derived NSPCs，epNSPCs）在下等脊椎动物（如两栖动物、鱼类）中的修复作用极佳，但在哺乳动物中，这类细胞的激活状态转瞬即逝且修复力远不及低等动物。因此，如何延长和强化室管膜细胞的激活与干性，挖掘其再生潜力，成为目前SCI修复机制研究的热点。

过去针对epNSPCs激活驱动机制的探索主要集中于Wnt、Oncostatin、Purinergic等信号通路，但尚未找到决定性调控因素。损伤早期局部谷氨酸（Glutamate）水平显著升高且伴有兴奋性毒性（Excitotoxicity），而谷氨酸信号对神经干细胞发育、分化和迁移有重要影响。近年体外研究发现，AMPA受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor，AMPA receptor，简称AMPAR）调控epNSPCs的增殖与分化。由此推测，损伤后通过AMPAR介导的谷氨酸信号，或许为室管膜细胞激活和迁移的关键驱动机制，是SCI再生修复新突破的潜在靶点。

二、论文来源与作者介绍

本研究由Laureen D. Hachem、Homeira Moradi Chameh、Gustavo Balbinot、Andrea J. Mothe、Alain Pacis、Rui Tong Geng Li、Taufik A. Valiante、Wei Lu、Charles H. Tator及Michael G. Fehlings等作者共同完成，主要作者隶属于University of Toronto’s Division of Neurosurgery、Krembil Brain Institute及University Health Network等单位，部分合作来自Simon Fraser University、McGill University以及NIH。论文题为“augmenting ampa receptor signaling after spinal cord injury increases ependymal-derived neural stem/progenitor cell migration and promotes functional recovery”，于2025年10月发表在顶级神经科学期刊《Nature Neuroscience》上，论文DOI为：https://doi.org/10.1038/s41593-025-02044-8。

三、研究流程详述

1. 研究模型与总体设计

本研究设计了围绕AMPA受体调控SCI室管膜细胞激活与功能恢复机制的一系列创新实验。模型采用成年雌性C57BL/6J系小鼠，在脊髓C6/7节段实施标准化双侧压迫/挫伤损伤。主要分为以下几个流程环节：

1.1 药理学抑制实验

为验证AMPAR在epNSPCs激活中的作用，研究者在损伤前以NBQX和GYKI-53655两种AMPAR拮抗剂（前者同时抑制Kainate受体，后者更特异性）进行鞘内注射，通过免疫组织化学检测损伤侧中央管区epNSPCs的增殖标志物Ki67+细胞比例，并利用Foxj1-CreER-tdTomato报导小鼠追踪epNSPCs的迁移模式。

1.2 基因敲除模型构建与验证

为进一步排除药物脱靶影响，作者构建了Foxj1-CreER-tdTomato; Gria1–3flox/flox转基因小鼠，通过tamoxifen诱导，精准敲除epNSPCs中的Gria1/Gria2/Gria3基因（即AMPA受体1-3亚单位），随后在体内外采用膜片钳（patch-clamp）记录epNSPCs的电生理AMPA受体活动，验证敲除效果。

1.3 损伤激活实验骤与迁移评估

利用上述敲除模型，研究组分析损伤后（3天、7天）epNSPCs的增殖、迁移分布（细胞由中央管迁移至损伤区距离、比例变化），进一步细化基因敲除对细胞激活的影响。

1.4 药理学增强实验（Ampakine CX546）

启动“正向调节AMPAR”实验，采用Ampakine CX546（正变构AMPAR调节剂），在损伤后第7天起每日腹腔注射，持续5周。利用单核RNA测序（snRNA-seq）、免疫组化以及行为学分析，评估CX546在急性后期及慢性期对epNSPCs转录谱、迁移性的调控效应和脊髓功能恢复情况。

1.5 特异性验证与细胞间信号分析

再次使用Gria1–3敲除小鼠，考察CX546的作用是否依赖AMPAR表达。借助细胞—细胞通讯推断分析，测试室管膜细胞与星形胶质细胞（Astrocyte）、神经元之间信号（如Connexin-43，Cadherin、FGF2）变化，探索CX546调节下的微环境影响。

1.6 行为学与电生理功能检测

包括Basso Mouse Scale（BMS）开放场运动评分、Forelimb Locomotor Assessment Scale（FLAS）前肢运动评分、Catwalk自动步态分析、Von Frey痛觉阈值测定及抓力测试。并于损伤后1周和各时间点实施运动诱发电位（MEP）记录（最大幅值、反应潜伏期、招募曲线等参数），以评估皮质脊髓束兴奋性与脊髓残余神经元数量的关联。

2. 创新技术和方法

• Foxj1-CreER-tdTomato小鼠：可视化追踪epNSPCs及其衍生细胞免疫荧光定位。
• 单核RNA测序（snRNA-seq）：细分脊髓各细胞类型，聚焦室管膜细胞群落转录谱变化，细粒度分析药物作用。
• Augur算法：用于评价不同细胞群对损伤或药物处理的响应强烈程度。
• 细胞通讯推断与GSEA富集分析：解读细胞间信号通路及生物过程变化，如Connexin-43和FGF2信号，以及细胞黏附等关键过程。
• 行为学自动化评估与电生理多参数分析：全方位真实反映小鼠运动、感觉、力量、神经传导能力变化。

四、主要实验结果详解

1. 药理学抑制证实AMPAR遗传调控epNSPCs激活

损伤早期，谷氨酸兴奋毒性显著升高，Foxj1-CreER-tdTomato小鼠实验显示，鞘内注射NBQX和GYKI-53655可显著降低epNSPCs中央管区Ki67阳性比例、减少迁移细胞数量，但对整体epNSPCs数目影响有限，提示AMPAR相关机制主要调节激活与迁移，而非主导细胞存活。

2. Gria1–3基因敲除精准阻断AMPAR电流及损伤激活

膜片钳结果表明，野生型epNSPCs在谷氨酸刺激下出现大量AMPA受体电流并伴多单元活动，而Gria1–3敲除细胞AMPA电流明显下降且几乎无谷氨酸响应，单元活动明显减少，证实AMPAR电生理功能被彻底阻断。

3. 敲除AMPAR后室管膜细胞激活迁移受限

损伤后第3天，Gria1–3敲除小鼠epNSPCs Ki67阳性比例显著下降；7天时迁移细胞比例与距离均大幅低于对照组，确认AMPAR介导的信号为损伤早期室管膜细胞激活、迁移的核心驱动力。

4. Ampakine CX546增强AMPAR信号、维持epNSPCs迁移激活

CX546处理组单核测序显示epNSPCs对药物反应最强烈，相关增殖、迁移调控基因显著富集，如Erbb4、Magi2、Rnf220等AMPAR相关调节基因表达上调；而多种负向迁移调控基因（Magi2、Csmd1、Ptprd、Rora等）表达下调，推测CX546可维持室管膜细胞于未成熟、易迁移的干性状态。

5. Connexin-43（CX43）信号增强、细胞间黏附激活

免疫组化结果证实，CX546强化epNSPCs的CX43蛋白表达。细胞通讯推断发现，CX43通路在epNSPCs-星形胶质细胞间显著上调，CX546促进其相互作用，并促进FGF2相关信号转导，增强细胞间黏附与协同迁移能力。行为学评分、细胞迁移距离、总迁移细胞比例均显著提升。

6. Gria1–3敲除证实CX546作用依赖AMPAR

重测CX546处理在Gria1–3敲除小鼠中，CX43表达及epNSPCs迁移显著回落，确定CX546序贯作用高度依赖AMPAR表达，即AMPAR调节是CX546具体作用基础。

7. 电生理增强及功能恢复显著

CX546处理不仅在细胞层面促进室管膜细胞激活迁移，也逆转损伤后的皮质脊髓兴奋性下降，诱发电位最大幅度、反应潜伏期、招募曲线均明显改善。抓力测试、BMS评分、FLAS及Catwalk步态均持续改善，提示AMPAR调节机制不仅促进干细胞激活迁移，还带动整体脊髓网络及运动功能恢复。

8. 其他发现：神经元保护及基地黏附分子作用

CX546直接促进损伤区神经元保护（NeuN+细胞增多），对多种神经元亚型（如PDYN、RORB、SOX5、MAF等）功能及迁移有积极调节；通过促进室管膜细胞与各类神经元间Cadherin信号，可能协助周围神经元轴突再生与网络重塑。

五、重要结论与科学意义

本研究系统阐明了AMPA受体在SCI损伤后调控室管膜衍生神经干/前体细胞（epNSPCs）快速激活与迁移的核心机制。药理学增强（CX546）可有效延长并增强epNSPCs的迁移和成熟逆转，使其长期持续处于干性迁移状态，最终有效促进脊髓网络电生理恢复和整体运动功能恢复，具有极高的临床转化前景。

科学意义主要体现在： - 首次详实证明AMPAR介导室管膜干细胞激活与迁移的分子机制； - 围绕CX546药物开发出全新SCI修复干预策略； - 发现CX43、Cadherin等信号在干细胞微环境迁移和细胞间粘附中的实际调节作用； - 提供了AMPAR激活联合细胞通讯机制深化SCI修复的新理论模型； - 提出激活室管膜细胞干性与迁移潜能，是促进脊髓神经再生和网络重建的关键环节。

六、研究亮点与创新

• 生理病理双验证：药理抑制与基因敲除双轨道验证AMPAR的核心地位，逻辑严密。
• 干细胞激活与迁移调控：创新性提出通过AMPAR信号调控室管膜细胞干性和迁移能力，突破传统单一分子靶点困局。
• 细胞通讯机制剖析：首次整合多层次单细胞测序及细胞通讯分析，揭示CX43、FGF2、Cadherin等分子协同促进干细胞和神经元、胶质细胞互作。
• 功能恢复直证：多维度行为学与电生理测试均有显著功能改善，打通从分子、细胞到系统水平的完整机制链条。
• 临床转化价值高：Ampakine类药物安全性良好，为未来SCI功能恢复药物开发和临床试验提供坚实理论基础。

七、其他补充信息与展望

本研究还讨论了人类室管膜细胞成熟状态与再生能力的异同，为后续人源干细胞临床转化、激活机制进一步探索提供启示。文章引用了多达60余篇相关文献，系统梳理了SCI与室管膜细胞领域从发育、分化到再生修复的学科脉络。

未来该机制若能在人类患者中进一步验证，将有望实现SCI后室管膜干细胞的低损伤、高效激活与迁移，开启脊髓损伤修复治疗新纪元。

八、总结

该研究从基础理论到实验验证，全程严密，创新性提出了通过增强AMPAR信号调控室管膜干细胞激活迁移的新策略，实现了SCI修复机制的新突破，对神经科学基础研究和临床康复均具有重要推动作用。未来或可为SCI功能恢复药物开发与干细胞疗法提供全新辅助路径，极大提升SCI患者的生活质量。