Sci Transl Med解锁脊髓损伤恢复新路径：布美他尼的神奇作用

脊髓损伤（SCI）包括初级和次级病理事件，后者常加剧初始损伤。次级损伤可导致离子稳态失衡，进而引发脊髓组织水肿和细胞肿胀等体积变化。水肿在损伤后迅速出现，通常在2天内达到峰值，并在14天后逐渐消退。水肿可能通过增加鞘内压和减少血流来加重损害，导致脊髓缺血、细胞死亡及功能下降。SCI还可诱导星形胶质细胞通过水通道蛋白摄水而肿胀，从而扰乱渗透平衡，引发离子和血管性水肿。因此，当前的治疗建议包括快速液体管理及抑制水通道蛋白，以减轻水肿。然而，神经元肿胀的机制及其对神经元损失和功能恢复的影响仍不明确。

近日，得克萨斯大学加尔维斯顿医学分部的Bo Chen研究团队在Sci Transl Med上发表了题为Reduction of prolonged excitatory neuron swelling after spinal cord injury improves locomotor recovery in mice的研究论文，深入揭示了SCI相关的病理机制，并提出布美他尼作为潜在治疗药物，可缓解神经元肿胀并促进SCI后的恢复。

对三种SCI模型在损伤后不同时期的脊髓水肿进展进行评估发现，在急性期（损伤后2天内），所有模型的损伤中心区域水含量显著增加。到亚急性期（损伤后14天），水含量恢复至接近未损伤小鼠的水平，并持续至35天。这一结果表明，脊髓水肿主要发生在急性期，并在亚急性期逐渐减轻。

本研究开发了一种基于机器学习的三维图像分析流程，成功可视化了脊髓中的兴奋性和抑制性神经元，并分析了它们的体积和空间分布。利用EGFP标记的核糖体亚基，研究人员在T7至T10之间的脊髓区域识别出约37,304个兴奋性神经元和32,456个抑制性神经元。结果显示，神经元体积分布偏向较小细胞，兴奋性和抑制性神经元的中位体积分别为1475 μm³和1756 μm³。此外，体积较小的神经元主要位于脊髓背部区域，而较大的神经元则集中在腹部区域。该流程实现了在单细胞分辨率下对神经元形态特征的详细描绘。

使用T7和T10双侧半切SCI模型研究脊髓神经元的肿胀情况，重点分析兴奋性Vglut2神经元在急性（2天）、亚急性（14天）和慢性（35天）阶段的体积变化。研究发现，SCI后2天内神经元体积显著增大，14天时背部区域的肿胀减轻，35天后神经元体积分布恢复至接近未损伤状态。通过基于体积的分类，研究将神经元分为小、中、大三组，显示在SCI后2天内所有组的神经元体积均增加，尤其是中型和大型神经元的肿胀持续至14天和35天。结果表明，神经元肿胀存在明显的时空模式，从背部向腹部依次发生，并在不同区域维持不同时间。

对SCI抑制性Vgat神经元肿胀动态的评估结果显示，抑制性神经元在损伤后2天内体积显著增大，但在14天和35天时恢复至未损伤水平。进一步的组织切片分析证实，抑制性神经元的肿胀仅在急性期发生，并在14天内消退。这表明SCI后抑制性和兴奋性神经元的肿胀模式存在显著差异。

研究发现，SCI导致的兴奋性和抑制性神经元的肿胀与其存活率相关。2天时，兴奋性Vglut2神经元的存活率为69.2%，抑制性Vgat神经元为66.1%。到14天，存活率进一步下降，兴奋性神经元为60.6%，抑制性神经元为58.5%。在35天时，兴奋性神经元的存活率显著降低至42.3%，而抑制性神经元数量相对稳定，导致抑制性神经元数量超过兴奋性神经元，E/I比从1.2:1降至0.9:1。此外，不同体积分类中兴奋性神经元死亡的时间模式也有所不同，G1和G2组神经元在亚急性阶段显著减少，而G3组则在慢性阶段大幅下降。

细胞毒性和血管源性水肿在中枢神经系统水肿中相互依赖。尽管甘露醇有效降低了脊髓水分含量，但在水肿消退后，神经元肿胀仍然存在。14天时，甘露醇未能显著改变兴奋性神经元的肿胀或数量，提示血管源性水肿与神经元肿胀之间的时间关系尚不明确。

脊髓损伤后，兴奋性神经元持续表达NKCC1通道，而抑制性神经元的NKCC1表达则显著减少。SCI后14天，NKCC1与神经元体积呈正相关，而KCC2未显示这种相关性。这一差异揭示了兴奋性和抑制性神经元在肿胀机制上的不同反应。

研究还探讨了NKCC1抑制剂布美他尼对脊髓损伤后神经元肿胀的影响。实验表明，在脊髓损伤后的急性期，布美他尼显著减少了兴奋性Vglut2神经元的肿胀，并增加了存活神经元的数量。延迟至损伤后14至35天施用布美他尼，尽管减少了大体积（G3）神经元的肿胀，但未显著影响总体神经元体积，且抑制性Vgat神经元的体积和数量未受影响。这表明布美他尼能够阶段性缓解兴奋性神经元的肿胀并增加其存活率。

图1.布美他尼治疗可预防SCI所致的神经元肿胀和神经元死亡

研究显示，布美他尼治疗能够促进运动功能恢复。立即进行布美他尼治疗的小鼠，其Basso小鼠评分（BMS）和步态分析显示出显著改善，步态和步幅均有所提升（P < 0.01）。相比之下，延迟治疗组和对照组的恢复效果较差，步态几乎没有改善。尽管延迟开始的布美他尼治疗未提高步态表现，但显著增加了神经元的存活率，表明脊髓损伤后的治疗窗口可能具有灵活性。

图2.布美他尼恢复了后肢麻痹SCI小鼠的踏步能力

此外，布美他尼治疗促进了长期的运动功能恢复，且在治疗停止后，运动功能仍保持显著提升。使用DREADDs技术选择性沉默兴奋性神经元，进一步证明了这些神经元对恢复的重要性。此外，布美他尼未显著影响胶质细胞、纤维化或炎症反应，但早期可能对炎症有调节作用。

图3.布美他尼可挽救中继区的兴奋性神经元，以促进功能恢复

总体而言，本研究揭示了脊髓损伤后兴奋性和抑制性神经元的肿胀与减少具有不同时间模式，并发现布美他尼作为NKCC1抑制剂能够减轻兴奋性神经元的肿胀，降低其损失，显著改善运动功能恢复，效果持续至少4周。这为理解脊髓损伤的病理机制及提供潜在治疗方案奠定了基础。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Li Q, Sandoval A, Moth J, et al. Reduction of prolonged excitatory neuron swelling after spinal cord injury improves locomotor recovery in mice. Sci Transl Med. 2024;16(766):eadn7095. doi:10.1126/scitranslmed.adn7095