小鼠脊髓損傷后對少突膠質(zhì)細胞前體細胞發(fā)育的影響

沈嘉希，劉阿娟，楊俊林

（杭州師范大學生命與環(huán)境科學學院，浙江 杭州310036）

脊髓損傷之后損傷區(qū)域周圍活躍的星形膠質(zhì)細胞將會形成膠質(zhì)疤痕［1］，很大程度上阻礙了脊髓損傷后神經(jīng)元的修復(fù)［2］，此外，損傷以后微環(huán)境將發(fā)生劇烈的變化，且各類免疫細胞會釋放多種因子.本研究旨在探索這些微環(huán)境的變化對少突膠質(zhì)細胞前體細胞（Oligodendrocyte progenitor cells，OPCs）發(fā)育的影響.PDGFRa是血小板源性生長因子受體家族的一員，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，PDGFRa只表達在未分化的OPCs中［3］.體內(nèi)試驗表明，PDGFRa敲除的小鼠中OPCs的增殖受到明顯抑制而分化提前［4］.因此，PDGFRa被認為是比較好的OPCs的標記分子.

脊髓損傷目前還沒有非常有效的治療方案，現(xiàn)有主要的治療方案包括干細胞移植［5］或誘導性多功能干細胞（induced pluripotent stem cells，IPSC）移植［6］、重編程損傷區(qū)域中的星形膠質(zhì)細胞［7］等.移植后的OPCs主要分化形成星形膠質(zhì)細胞，因此通過觀察損傷區(qū)域微環(huán)境的變化對OPCs發(fā)育的影響，對移植OPCs／OLs（Oligodendrocyte cells，少突膠質(zhì)細胞）治療脊髓損傷具有參考價值.本研究利用PDGFRa-creER小鼠和Rosa-tdTomato小鼠品系在特定時間內(nèi)來示蹤損傷后OPCs細胞的去向：在脊髓損傷前5d予以腹腔注射藥物Tomaxifen［8］，誘導tdTomato 的表達，標記損傷前的PDGFRa陽性細胞在脊髓損傷后的轉(zhuǎn)變.

1 材料和方法

1.1 小鼠及主要試劑

PDGFRa-creER＋／-小鼠購買自Jackson lab.Rosa-tdTomato＋／＋小鼠由杭州師范大學發(fā)育與再生研究所劉陽老師實驗室提供.PBS、慶大霉素購自美國Gicbco公司.山羊血清和蔗糖購自美國Invitrgen公司.包埋劑購自美國Thermo公司.0.1%Triton、氫氧化鈉和Tris-HCl購自上海生工.戊巴比妥鈉、多聚甲醛（PFA）和戊二醛購自美國Sigma公司.抗體為anticc1（Abcam，AB16794），antiPDGFRa（Abcam，AB61219），antiGFAP（Millipore，AB5804）.

1.2 Tomaxifen誘導小鼠

得到PDGFRa-creER／Rosa-tdTomato小鼠后的第25天時，對小鼠注射40mg／mL 的Tomaxifen溶液（溶劑為95%的植物油和5%的無水乙醇）0.1mL，連續(xù)注射5d.

1.3 損傷小鼠脊髓

在小鼠腹腔注射戊巴比妥鈉，待小鼠麻醉后，將脊髓T7～T10之間的表皮去毛，剪開背部皮膚，在手術(shù)顯微鏡下取出小鼠T8或T9區(qū)域脊髓背側(cè)的骨頭，在脊髓損傷儀下進行損傷.損傷后用手術(shù)線將傷口縫合，并在損傷處留下一小段手術(shù)線作為標記.最后在腹腔注射慶大霉素，降低術(shù)后感染.

1.4 處理小鼠脊髓

先將小鼠麻醉，剪開小鼠腹腔到胸腔處，露出心臟，將PBS用泵注入右心室，并把左心房剪個小口子，當肝臟顏色退去后，改注射4%的PFA.待小鼠全身肌肉僵硬后，取出損傷段脊髓置于冰上，在PBS中將脊髓取出，放入4%的PFA 中在4 ℃冰箱過夜固定.第二天用30%的蔗糖溶液替換PFA 溶液對脊髓進行脫水.在包埋材料前，將包埋劑在冰上預(yù)冷，錫箔紙折成正方形后放在干冰上并將包埋劑加入錫箔紙內(nèi)，然后迅速把脊髓垂直底面放入包埋劑內(nèi)，等包埋劑凝固后放入-80 ℃冰箱保存.包埋好的材料在冰凍切片機上切片（厚度為14μm），貼完材料的玻片放入片盒在-80 ℃冰箱保存.

1.5 免疫熒光

將脊髓組織切片放入PBS洗5min，重復(fù)3次.5%的山羊血清室溫封閉30min，按稀釋比例加入一抗，放入水盒在4 ℃過夜.第二天取出片子后繼續(xù)用PBS洗5min，重復(fù)3次，加入熒光標記的二抗，室溫孵育1h.最后用PBS洗3遍，每次5min，封片，在熒光顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡下照相.

1.6 電鏡

剖開小鼠胸腔后，用含有戊二醛的PB進行灌注，取出損傷區(qū)域，放在PB 中保存.在浙江大學農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學院電鏡公共平臺進行后期處理，在鋨酸中脫水，然后依次在由低到高不同濃度梯度的乙醇中脫水.包埋劑包埋后定位損傷部位，之后對材料超薄切片，電子顯微鏡下照相.

2 結(jié) 果

2.1 小鼠Tomaxifen作用下的誘導效率

為了探究PDGFRa陽性細胞在小鼠脊髓損傷后的變化，選用基因型為PDFGRa-creER／Rosa-tdTomato的小鼠作為研究對象，在兩個不同的時期通過腹腔注射Tomaxifen誘導Cre的表達起到示蹤的作用.選取小鼠出生后第15天（P15）和第30天（P30）兩個時期作為參照.PDGFRa陽性細胞隨著小鼠的發(fā)育逐漸減少（圖1），PDGFRa和tomato的信號符合本研究要求（P＜0.05）.

圖1 Tomaxifen誘導下tdTomato可以正常表達Fig.1 The expression of the tomato under the action of Tomaxifen

2.2 小鼠脊髓損傷后損傷區(qū)域的修復(fù)

本研究選擇在小鼠P30時期做損傷實驗，因為這個時期小鼠脊髓中PDGFRa陽性細胞處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，并且細胞的分裂活性較高.用50Kdynes損傷小鼠脊髓T8或T9段后，小鼠會在一段時間后恢復(fù)部分行動能力，在該條件下能觀察小鼠脊髓的自我修復(fù).本研究在P30時期損傷后，繼續(xù)飼養(yǎng)小鼠一個月后取材，電鏡觀察（圖2）可見：在物理損傷情況下，大部分的髓鞘都已消失，很多神經(jīng)元在損傷下死亡.以喂酮腙實驗作為比較，28d連續(xù)喂飼小鼠酮腙后，取胼胝體在電鏡下觀察，藥物并不能非常干凈地脫髓鞘，會有少許的殘留，而物理損傷的情況則比較嚴重.

脊髓損傷后會形成許多的膠質(zhì)疤痕，對野生型的P30小鼠脊髓傷后30d取材，通過免疫熒光染GFAP抗體后確定損傷區(qū)域（圖3）.膠質(zhì)疤痕主要由星形膠質(zhì)細胞、成纖維細胞和小膠質(zhì)細胞等組成，會阻礙神經(jīng)元軸突的再生和髓鞘的修復(fù)［1］.

圖2 物理損傷和酮腙作用下脫髓鞘的情況Fig.2 The effect of physical injury and ketone hydrazone demyelinating

圖3 物理損傷后形成的膠質(zhì)疤痕Fig.3 The glial scar under the physical injury

圖4 大部分tdTomato陽性細胞表達CC1Fig.4 The tomato positive cells express CC1

2.3 PDGFRa陽性細胞在損傷后的表達

PDGFRa主要表達在OPCs以及更早期的膠質(zhì)祖細胞等，本研究對PDFGRa-creER／Rosa-tdTomato小鼠在P25時期腹腔注射Tomaxifen，在P30時期進行脊髓損傷，并在損傷后休養(yǎng)30d恢復(fù)部分活動能力后取材.通過免疫熒光染少突膠質(zhì)細胞標志蛋白CC1后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)tdTomato陽性的細胞表達CC1（圖4）.說明在損傷以后，大部分的PDGFRa陽性細胞分化成為少突膠質(zhì)細胞，參與形成髓鞘.

此外，極少數(shù)tdTomato陽性的細胞不表達CC1（圖5）.筆者認為這些細胞可能是新形成的星形膠質(zhì)細胞，因此做了針對GFAP免疫熒光.在激光共聚焦顯微鏡下發(fā)現(xiàn)有極少數(shù)tdTomato陽性細胞的確表達GFAP（圖6），表明在脊髓損傷后，有極少部分PDGFRa陽性的細胞參與形成了星形膠質(zhì)細胞.

圖5 CC1-／tdTomato＋的細胞Fig.5 The CC1negative and the tdTomato positive cells

圖6 GFAP＋／tdTomato＋的細胞Fig.6 The GFAP positive and tdTomato positive cells

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在損傷后的一個月，PDGFRa陽性的OPCs及其子代細胞主要分化成為CC1陽性的少突膠質(zhì)細胞，這表明，PDGFRa陽性的細胞在損傷后主要參與髓鞘的修復(fù)，但是仍然有少部分PDGFRa陽性的細胞在損傷后參與分化成為GFAP陽性的星形膠質(zhì)細胞.小鼠脊髓損傷后體內(nèi)微環(huán)境發(fā)生了極大的改變，在各類免疫細胞釋放的因子作用下，影響了少數(shù)OPCs的正常成熟途徑.在體外實驗中，OPCs可以分化成為星形膠質(zhì)細胞［9］，但是在體內(nèi)實驗中，還未探索是否存在這條途徑.

以往的研究［10］表明，使用軟磷脂對小鼠脫髓鞘后，部分PDGFRa陽性細胞形成施旺細胞并分化成髓鞘，也有一些PDGFRa陽性的細胞表達GFAP信號.物理損傷或使用軟磷脂脫髓鞘后，體內(nèi)微環(huán)境發(fā)生改變，使少部分OPCs細胞的命運發(fā)生了改變.因此通過比較正常脊髓微環(huán)境和損傷后微環(huán)境的差別，可以尋找出影響OPCs發(fā)育的因素，這為今后提高干細胞移植或OPCs在治療脊髓損傷時分化成為OLs的效率、抑制移植的細胞分化成為星形膠質(zhì)細胞提供了應(yīng)用基礎(chǔ).

［1］Stichel C C，Müller H W.The CNS lesion scar：new vistas on an old regeneration barrier［J］.Cell Tissue Res，1998，294（1）：1-9.

［2］Richardson P M，Issa V M K，Shemie S.Regeneration and retrograde degeneration of axons in the rat optic nerve［J］.J Neurocytol，1982，11（6）：949-966.

［3］Spassky N，Olivier C，Perez-Villegas E，etal.Single or multiple oligodendroglial lineages：a controversy［J］.Glia，2000，29（2）：143-148.

［4］Fruttiger M，Karlsson L，Hall A C，etal.Defective oligodendrocyte development and severe hypomyelination in PDGF-A knockout mice［J］.Development，1999，126（3）：457-467.

［5］Fehlings M G，Vawda R.Cellular treatments for spinal cord injury：the time is right for clinical trials［J］.Neurotherapeutics，2011，8（4）：704-720.

［6］Wang S，Bates J，Li X J，etal.Human iPSC-derived oligodendrocyte progenitor cells can myelinate and rescue a mouse model of congenital hypomyelination［J］.Cell Stem Cell，2013，12（2）：252-264.

［7］Piantino J，Burdick J A，Goldberg D，etal.An injectable，biodegradable hydrogel for trophic factor delivery enhances axonal rewiring and improves performance after spinal cord injury［J］.Exp Neurol，2006，201（2）：359-367.

［8］Feil S，Krauss J，Thunemann M，etal.Genetic inducible fate mapping in adult mice using tamoxifen-dependent cre recombinases［J］.Methods Mol Biol，2014，1194：113-139.

［9］Dincman T A，Beare J E，Ohri S S，etal.Isolation of cortical mouse oligodendrocyte precursor cells［J］.J Neurosci Methods，2012，209（1）：219-226.

［10］Zawadzka M，Rivers L E，F(xiàn)ancy S P J，etal.CNS-resident glial progenitor／stem cells produce Schwann cells as well as oligodendrocytes during repair of CNS demyelination［J］.Cell Stem Cell，2010，6（6）：578-590.