Frontiers in Cellular Neuroscience

Einleitung

Retinale Ganglienzellen (RGCs) leiten visuelle Informationen vom Auge über ihre Axone, die zusammen den Sehnerv bilden, an das Gehirn weiter (Laha et al., 2017). Verletzungen des Sehnervs durch Trauma, Glaukom oder neurodegenerative Erkrankungen führen häufig zum Verlust der Sehfunktionen und schließlich zur Erblindung. Strategien, die das Überleben von RGC und die Regeneration des Sehnervs fördern, werden aktiv verfolgt, um neuronale Verletzungen zu reparieren und die Sehfunktion wiederherzustellen. Als Neuronen des Zentralnervensystems (ZNS) haben reife RGCs die intrinsische Fähigkeit, ihre Axone nach traumatischen Verletzungen oder Neurodegeneration zu regenerieren, stark reduziert, was schließlich zu einem Verlust des Sehvermögens führt (Chun und Cestari, 2017; Laha et al., 2017). Im Gegensatz zu Neuronen im peripheren Nervensystem (PNS) begrenzen verschiedene extrinsische Hemmmoleküle die Axonregeneration im ZNS, einschließlich des Rückenmarks und der Sehnerven (Geoffroy und Zheng, 2014). Frühere Studien zeigten, dass die Entfernung extrazellulärer Hemmfaktoren wie Nogo und seiner Rezeptoren eine leichte Regeneration des Sehnervs induzieren kann (Fischer et al., 2004; Su et al., 2008, 2009; Dickendesher et al., 2012). Im Gegensatz dazu förderten das Löschen von Phosphatase und Tensin-Homolog (Pten) in RGCs, die die intrinsische Axon-Regenerationskapazität erhöhten, eine robuste Regeneration des Sehnervs, was auf vielversprechende neue Wege zur Verbesserung der ZNS-Axon-Regeneration hinweist (Park et al., 2008). In den letzten zehn Jahren wurde gezeigt, dass die Manipulation mehrerer Gene in RGCs die intrinsische Axonregenerationskapazität reifer RGCs wie Klf4 / 9 signifikant erhöht (Moore et al., 2009; Apara et al., 2017), Socs3 (Smith et al., 2009), B-RAF (O’Donovan et al., 2014), c-myc (Belin et al., 2015), GSK3ß (Guo et al., 2016; Miao et al., 2016), Lin28 (Wang et al., 2018) und P53 (Ma et al., 2019). Obwohl gezeigt wurde, dass diese Gene die Regeneration des Sehnervs regulieren, konnte fast keines von ihnen allein manipuliert werden, um das Nachwachsen von Axonen über große Entfernungen in vivo zu induzieren. Um dieses Problem zu lösen, wurden kombinatorische Strategien versucht, die Längen regenerativer Axone zu verlängern. Tatsächlich waren die synergistischen oder additiven Effekte mehrerer unabhängiger Signalwege auf die RGC-Axonregeneration dramatischer und nachhaltiger, wie z. B. die Zymosan / cAMP / Pten-Deletion (Kurimoto et al., 2010), CNTF/Pten-Deletion/Socs3-Deletion (Sun et al., 2011), c-Myc/CNTF/Pten-Deletion/Socs3-Deletion (Belin et al., 2015) und Lin28/Pten-Deletion (Wang et al., 2018). In einigen Studien wurde berichtet, dass regenerierende RGC-Axone eine große Entfernung erreichen, das optische Chiasma durchqueren und in das Gehirn gelangen können (Kurimoto et al., 2010; Sun et al., 2011; de Lima et al., 2012; Lim et al., 2016).

Der nächste Schritt nach der Regeneration des Sehnervs über große Entfernungen sollte darin bestehen, zu untersuchen, wie die visuelle Funktion mit der richtigen Axonführung, Synaptogenese und Übertragung neuronaler Aktivität wiederhergestellt werden kann. Bis heute scheint die De-Novo-Regeneration des Sehnervs über das Chiasma der Engpass für die Regeneration von RGC-Axonen zu sein, um in das Gehirn einzudringen. Daher haben nur wenige Studien mit kombinatorischen Ansätzen berichtet sehr begrenzte Wiederverbindung zwischen verletzten Sehnervenaxonen und ihren Zielen im Gehirn, wie dem suprachiasmatischen Kern (SCN), dem lateralen genikulären Kern (LGN), dem oberen Colliculus (SC) und anderen visuellen Bereichen mit einer längeren Zeit nach der Verletzung (de Lima et al., 2012; Bei et al., 2016; Lim et al., 2016) oder Durchführung der Verletzung am Prä-Chiasma (Li et al., 2015) oder optischer Trakt (Bei et al., 2016). Obwohl eine weitere Bestätigung dieser Studien noch erforderlich ist, lieferten die Ergebnisse einen prinzipiellen Beweis dafür, dass die Wiederherstellung der Sehfunktion nach einer Verletzung des Sehnervs möglich ist, wenn jeder Schritt des Axonwachstums, der Führung, der Synaptogenese und der Remyelinisierung erreicht werden könnte. Hier, Wir überprüfen die jüngsten Fortschritte bei der Wiederverbindung der Auge-zu-Gehirn-Bahnen und diskutieren mögliche zukünftige Strategien zur Neuverkabelung der visuellen Schaltkreise nach Verletzungen des Sehnervs.

Langstrecken-Axonregeneration kann durch kombinatorische Manipulation mehrerer Gene / Signalwege erreicht werden

Um das Sehvermögen nach einer Verletzung des Sehnervs wiederherzustellen, müssen verletzte Axone die gesamte Länge der Auge-Gehirn-Bahnen regenerieren, einen Abstand von mehr als 8 mm von der Verletzungsstelle zu LGN und SC bei Mäusen (Abbildung 1). Die Langstreckenregeneration der Axone als erster Schritt der Wiederverbindung von Auge zu Gehirn ist entscheidend für die Wiederherstellung der Sehfunktion nach einer Verletzung des Sehnervs. Bisher führte das bedingte Ausschlagen von Pten allein in RGCs zu der wahrscheinlich längsten Regeneration des Sehnervs 2 Wochen nach der Verletzung (bis zu 3 mm distal zur Läsionsstelle; Park et al., 2008). Es wurde gezeigt, dass Manipulationen anderer Gene, wie in Tabelle 1 aufgeführt, die Regeneration von RGC-Axonen fördern, die nach einer Verletzung die mittlere Region des Sehnervs erreichen (Tabelle 1). Neben der Manipulation der Genexpression in RGCs wurde die nicht-RGC-vermittelte Freisetzung von CNTF (Leaver et al., 2006), Oncomodulin als Reaktion auf Entzündungen (Yin et al., 2006) oder amacrin-spezifische Lin28-vermittelte IGF1-Potenzierung (Zhang et al., 2019), haben alle gezeigt, dass sie die Regeneration des Sehnervs stimulieren, entweder allein oder zusammen mit anderen Faktoren. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein erhöhter Zinkspiegel in Amakrinzellen bei einer Verletzung des Sehnervs zum RGC-Zelltod und zur fehlgeschlagenen Regeneration beiträgt, indem er langsam in RGCs übergeht (Li et al., 2017). Infolgedessen verbesserte der Zinktransporter ZnT-3 (kodiert durch das Gen slc30a3) das Überleben und die Regeneration von RGC. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein erhöhter cAMP-Spiegel die Oncomodulin-induzierte Regeneration des Sehnervs verbessert (Kurimoto et al., 2010). Schließlich hat ein Subtyp von RGCs gezeigt, dass er ein sekretiertes phosphoryliertes Glykoprotein, Osteopontin (OPN), produziert, das zusammen mit IGF1 oder BDNF wirkt, um die Regeneration des Sehnervs zu verbessern (Duan et al., 2015).

Obwohl gezeigt wurde, dass mehrere Ansätze eine wesentliche Regeneration in vivo fördern, bleibt das Nachwachsen einer ausreichenden Anzahl von Axonen durch den gesamten optischen Weg eine große Herausforderung. So konzentrierten sich die jüngsten Fortschritte in der RGC-Axonregeneration nicht nur auf die Identifizierung neuer Gene und Signalwege, sondern zeigten auch, dass kombinatorische Behandlungen mit unterschiedlichen zugrunde liegenden Mechanismen zu additiven oder sogar synergistischen Effekten führten (Tabelle 2). Bisher war die Pten-Deletion zusammen mit der Manipulation anderer RGC-Gene oder extrazellulärer Faktoren die dominierende kombinatorische Strategie zur Förderung der Regeneration des Sehnervs über große Entfernungen. Zum Beispiel die Socs3-Deletion (Sun et al., 2011), B-RAF-Aktivierung (O’Donovan et al., 2014), c-Myc-Überexpression (Belin et al., 2015), DCLK2-Überexpression (Nawabi et al., 2015), hIL-6-Expression (Leibinger et al., 2016), STAT3/MEK-Aktivierung (Luo et al., 2016), Zinkchelation (Li et al., 2017) oder Lin28-Überexpression (Wang et al., 2018), wurde jeweils gezeigt synergistische / additive Effekte mit Pten-Deletion auf die Regeneration des Sehnervs. Auch die oben beschriebenen extrazellulären Faktoren wurden alle mit genetischer Manipulation von RGCs kombiniert, wie cAMP / Oncomodulin / Pten-Deletion (Kurimoto et al., 2010), CNTF/Pten-Deletion/Socs3-Deletion (Sun et al., 2011). Darüber hinaus wurden auch die additiven oder synergistischen Effekte anderer kombinatorischer Strategien gezeigt, wie z. B. Klf9-Knockdown in Kombination mit Zinkchelation (Trakhtenberg et al., 2018) und konstitutiv aktives CRMP2 in Kombination mit erhöhter GSK3-Aktivität (Leibinger et al., 2017). Es wird angenommen, dass solche kombinatorischen Effekte auf unterschiedliche Signalwege stromabwärts dieser Gene und Faktoren zurückzuführen sind. Basierend auf früheren Studien wurde gezeigt, dass mehrere Signalwege eine wichtige Rolle bei der Transduktion der fördernden Wirkungen dieser Gene / Faktoren spielen. Zum Beispiel wird die Wachstumsfaktor-bezogene GSK3 / mTOR-Signalisierung stromabwärts der Pten-Deletion aktiviert (Park et al., 2008; Leibinger et al., 2019), osteopontin (Duan et al., 2015), Melanopsin (Li et al., 2016), Akt (Guo et al., 2016; Miao et al., 2016) oder Lin28 (Wang et al., 2018). Auch der MAPK-Weg stromabwärts von B-RAF (O’Donovan et al., 2014) oder MEK (Luo et al. 2016) beteiligt. Darüber hinaus konnte die Jak-Stat-Zytokinsignalisierung stromabwärts von CNTF aktiviert werden (Müller et al., 2007), Socs3-Deletion (Smith et al., 2009) oder Klf4-Deletion (Qin et al., 2013). Darüber hinaus haben neuere Studien mehrere neuartige Signalwege aufgedeckt, die die Regeneration des Sehnervs fördern, wie die Phosphatidsäurephosphatase (PAP) Lipin1, die die Regeneration durch Regulierung des Glycerolipidstoffwechsels induziert (Yang et al., 2020), Thrombospondin-1, das an Syndecan gebunden ist, um die Regeneration des Sehnervs zu fördern (Bray et al., 2019) und das Aktin-Crosslinker-Muskel-LIM-Protein (Levin et al., 2019). Es ist erwähnenswert, dass viele regulatorische Gene für die Regeneration des Sehnervs gleichzeitig mehrere Downstream-Signalwege regulieren können, und es wurde auch gezeigt, dass die Downstream-Signalwege miteinander übersprechen.

Zusammenfassend ist bekannt, dass die Kombination von Molekülen mit unterschiedlichen Downstream-Pfaden zu einer Axonregeneration mit größerer Entfernung führen würde. Daher sollte die Identifizierung neuer Faktoren mit neuartigen Signalwegen, insbesondere Faktoren, die mehrere Signalwege regulieren können, immer noch einer der Schwerpunkte auf diesem Gebiet sein. Außerdem ist es sehr wichtig, die optimale Kombination mehrerer Faktoren basierend auf ihren Regulationsmechanismen zu untersuchen. Schließlich ist anzumerken, dass die Mehrheit (> 80%) der RGCs einige Wochen nach einer Verletzung des Sehnervs stirbt (Wang et al., 2018; Tran et al., 2019), was das Überleben der RGC zu einem Haupthindernis für eine ausreichende Anzahl regenerierender Axone macht, die für die Wiederherstellung der Sehfunktion erforderlich sind. Interessanterweise wurde gezeigt, dass sich mehrere Subtypen von RGCs in ihrer Fähigkeit unterscheiden, Axone bei einer Verletzung des Sehnervs zu überleben oder zu regenerieren (Duan et al., 2015; Norsworthy et al., 2017; Bray et al., 2019). Kürzlich zeigte eine systematische Studie unter Verwendung von Einzelzell-RNA-seq die selektive Anfälligkeit von RGC-Subtypen nach axonaler Verletzung und lieferte Hinweise darauf, dass typspezifische neuroprotektive Strategien für die Intervention kritisch sein könnten (Tran et al., 2019). Daher sind Gene / Signalwege, die RGCs oder Subtypen vor dem Zelltod schützen, ebenso wichtig, um identifiziert zu werden.

Korrekte Führung regenerierender Axone, die das optische Chiasma passieren und in das Gehirn gelangen

Obwohl die kombinatorischen Ansätze nach einer Verletzung des Sehnervs zu einer erheblichen Regeneration des Sehnervs über große Entfernungen führen könnten, erweist sich das optische Chiasma als Haupthindernis für die Regeneration von Axonen, um in das Gehirn einzudringen und ihre ursprünglichen Zielkerne zu erreichen. Durch die Analyse der Axonregeneration zu späteren Zeitpunkten nach der Nervenverletzung (d. H. 4-10 Wochen) konnten in mehreren Studien mit kombinatorischen Ansätzen regenerierende Axone das optische Chiasma erreichen und sogar durchqueren. Zum Beispiel, wenn Pten / Socs3 Double Knockout mit CNTF kombiniert wurde, 4 Wochen (Sun et al., 2011) oder 10 Wochen (Luo et al., 2013) Nach einer Nervenverletzung konnten viele regenerierende Axone das proximale Ende des Chiasmas erreichen, hörten aber auf zu wachsen. Wenn die c-Myc-Expression in die Kombination aufgenommen wurde, überquerten mehr Axone das Chiasma und wuchsen in die optischen Bahnen (Belin et al., 2015). In ähnlicher Weise können andere kombinatorische Ansätze, wie cAMP/Zymosan/Pten-Deletion (de Lima et al., 2012; Luo et al., 2013), Lipin1-Deletion/CNTF (Yang et al., 2020) und Pten-deletion/MEK/STAT3 (Luo et al., 2016), könnte auch die Regeneration des Sehnervs in der Nähe oder im Chiasma des Sehnervs induzieren.

Eine interessante Beobachtung aus einigen dieser Studien war, dass viele regenerierende Axone nach dem Überqueren des Chiasmas am Chiasma zurückgedreht oder vom optischen Trakt weg entgleist wurden. Diese Beobachtung legt nahe, dass das optische Chiasma eine hemmende Grenze darstellt und eine Fehlleitung von Axonen im optischen Trakt auftritt. Wie bereits erwähnt, führte das Löschen von Nogo und seinen Rezeptoren im visuellen System zu einer leichten Regeneration des Sehnervs, was auf die hemmende Natur des reifen visuellen Systems hinweist. In einer frühen Studie (Pernet et al., 2013a), unter Verwendung des Tissue Clearing-Ansatzes und der konfokalen Bildgebung des gesamten Mount-Sehnervs, fand die Studie heraus, dass viele durch CNTF induzierte regenerierende Axone unregelmäßige Flugbahnen mit vielen Kehrtwenden innerhalb des Sehnervs zeigten. In einer späteren Studie aus demselben Labor (Pernet et al., 2013b) zeigten regenerierende RGC-Axone, die durch aktives STAT3 induziert wurden, auch wandernde Trajektorien mit häufigen Kehrtwenden. Wenn jedoch die Sehnerven zusätzlich mit dem Rho-Kinase-Inhibitor Y27632 behandelt wurden, wurden die Stat3-induzierten regenerierenden Axone gerader und die U-Rate wurde deutlich reduziert. Da bekannt ist, dass Rho-Kinase-Inhibitoren die hemmenden Wirkungen von Myelin-basierten Inhibitoren (d. H. Nogo, MAG) antagonisieren, bestätigten diese Ergebnisse das Vorhandensein von extrazellulären Hemmmolekülen im Sehnerv. Zur Unterstützung wurden unter Verwendung von Tissue Clearing und Advanced Light-Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM) drei Studien (Luo et al., 2013; Yungher et al., 2015; Bray et al., 2017) führten hochauflösende 3D-Bildgebung und detaillierte axonale morphologische Analysen auf der Ebene einzelner Axone durch. Insbesondere fanden die Ergebnisse heraus, dass innerhalb des Sehnervs die meisten regenerierenden Axone einen mäandernden Pfad hatten und viele von ihnen scharfe Kurven machten. Bei Axonen, die das Chiasma erreichen, kehren einige Axone zum Chiasma zurück und treten in den gegenüberliegenden unverletzten Sehnerv ein, was das Chiasma als hemmende Barriere bestätigt. Für Axone, die es schafften, das Chiasma zu durchqueren, wurden im ipsilateralen optischen Trakt mehr Axone beobachtet als im kontralateralen Trakt, was auf eine Axonfehlleitung hinweist. Einige Axone wurden im SCN direkt über dem Chiasma identifiziert und kein Axon wurde in den entfernteren visuellen Zielen, LGN oder SC, beobachtet. In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen hat unsere jüngste Studie mit Tissue Clearing und 3D-Bildgebung (Wang et al., 2018) zeigten, dass Lin28-überexpressionsinduzierte regenerierende RGC-Axone auch viele Kehrtwenden innerhalb des Sehnervs zeigten, die reduziert wurden, wenn die Lin28-Expression mit Pten-Knockdown kombiniert wurde. Darüber hinaus hat unsere neueste Studie (Wang et al., 2020) zeigten, dass das Ausschlagen von Myosin IIA / B in RGCs allein zu einer signifikanten Regeneration des Sehnervs führte. Interessanterweise, wenn Axon-Trajektorien untersucht wurden, mit Gewebe-clearing und 3D-imaging, in Wildtyp-Mäusen die automatisch regenerierten kurzen Axone folgten wandernden Trajektorien mit vielen U-turns, während in Myosin IIA/B knockout-Mäuse die regenerierenden Axone waren viel gerader mit stark reduzierten U-turns. Noch wichtiger ist, dass die Kombination der Lin28-Überexpression mit dem Knockout von Myosin IIA / B innerhalb von 2 Wochen nach der Nervenverletzung (bis zu 4,5 mm von der Verletzungsstelle entfernt) zu einer Regeneration des Sehnervs über große Entfernungen führte. Weil unsere vorherige Studie (Hur et al., 2011) zeigten, dass das Löschen von Myosin IIA/B erlaubt Axon Wachstum über zwei große Hemmsubstrate, Myelin-Trümmer und CSPGs, die neuen Ergebnisse lieferten Hinweise darauf, dass die Überwindung der hemmenden Signale im Sehnerv war ein vielversprechender Ansatz für eine effizientere Langstrecken-Regeneration des Sehnervs.

Um schließlich besser zu untersuchen, wie sich regenerierende Axone am optischen Chiasma verhielten, wurde eine Studie (Li et al., 2015) verwendeten ein Prä-Chiasma-Verletzungsmodell, bei dem regenerierende Axone nur eine kurze Strecke wachsen mussten, um das Chiasma zu erreichen. Die Studie zeigte, dass 4 Wochen nach der Nervenverletzung viele Axone in das Chiasma eindrangen und es passierten, von denen die meisten die ipsilaterale Seite des Hypothalamus einschließlich des SCN besetzten. Nach 8 Wochen wurden mehr Axone innerhalb des SCN gefunden. Ein wichtiger Befund war, dass selbst 4 Monate nach der Nervenverletzung fast keine regenerierenden Axone Gehirnziele erreichten, die weiter vom optischen Chiasma entfernt waren, wie das OPN und das SC. Diese Studie bestätigte weiter, dass es für regenerierende Axone schwierig ist, tiefere Gehirnziele ohne geeignete Orientierungshinweise zu reinnervieren.

Zusammenfassend legen diese Studien nahe, dass für die Regeneration von RGC-Axonen geeignete Axonführungsmechanismen erforderlich sind, um ihre ursprünglichen Zielkerne im Gehirn und die anschließende Wiederherstellung der visuellen Funktion zu erreichen. Neue experimentelle Techniken, wie z.B. Tissue Clearing Ansätze (3DISCO, CLARITY, etc.) und moderne Systeme der Darstellung 3D (multiphoton Mikroskopie, LSFM, fMOST, etc.), erweisen sich als nützliche Werkzeuge zur detaillierten Analyse der Axontrajektorie im Gehirn.

Axonregeneration vom Auge zum Gehirn Rettung partiellen Sehverhaltens

Nachdem die Regeneration der Axone ihre ursprünglichen Gehirnziele erreicht hat, besteht die nächste Herausforderung darin, eine neue Synaptogenese, Remyelinisierung und die anschließende funktionelle Wiederherstellung des Sehvermögens zu erreichen. Bisher haben nur wenige Studien über eine funktionelle Wiederverbindung mit Hirnkernen nach Sehnervenzerstörung berichtet. Eine frühe Studie zeigte, dass die Kombination der Pten-Deletion mit Zymosan und cAMP 10 Wochen nach der Verletzung des Sehnervs zu einer Langstreckenaxonregeneration durch das optische Chiasma und in Gehirnstrukturen, einschließlich SCN, dLGN und SC, führte. Histologische Beweise zeigten, dass regenerierende Axonterminals Synapsen innerhalb der Zielkerne zu bilden schienen. Folglich wurden mehrere angeborene visuelle Verhaltensweisen wie Tiefenwahrnehmung, optomotorische Reaktion und zirkadiane Aktivitätsmuster teilweise wiederhergestellt (de Lima et al., 2012). In einer späteren Studie, in der derselbe kombinatorische Ansatz verwendet wurde (Luo et al., 2013), whole-Mount Tissue Clearing und 3D-Bildgebungsanalyse mit LSFM zeigten, dass regenerierende Axone tatsächlich in und außerhalb des optischen Chiasmas beobachtet wurden. Im Gegensatz zur obigen Studie (de Lima et al., 2012) wurden nur einige Axone beobachtet, die den SCN erreichten, und es wurden keine regenerierenden Axone jenseits des SCN gefunden. Viele Axone wurden an Stellen beobachtet, die nicht mit dem optischen Weg assoziiert waren, was auf eine Fehlführung der Axone hinweist. In derselben Studie wurde Socs3 / Pten Double Knockout zusammen mit CNTF verwendet, um eine Axonregeneration über große Entfernungen zu induzieren. In ähnlicher Weise konnten regenerierende Axone das optische Chiasma erreichen und durchqueren, und es konnten keine Axone jenseits des SCN gefunden werden. Um die Möglichkeit auszuschließen, dass das Gewebe-Clearing-Verfahren das CTB-Tracer-Signal bleichen könnte, wurden regelmäßige koronale Hirnschnitte untersucht. In ähnlicher Weise wurden CTB-markierte regenerierende Axone hauptsächlich im Hypothalamusbereich einschließlich des SCN gefunden, und in den weiter entfernten Zielen LGN und SC wurden keine Axone identifiziert.

In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde durch die Verbesserung der neuronalen Aktivität von RGC und die Aktivierung der mTOR-Signalisierung (Rheb1-Überexpression) bereits 3 Wochen nach der Verletzung des Sehnervs eine Langstreckenaxonregeneration und eine korrekte Pfadfindung in alle wichtigen visuellen Ziele beobachtet (Lim et al., 2016). Insbesondere bei Mäusen, die eine visuelle Stimulation und eine Rheb1-Überexpressionsbehandlung erhielten, konnten neu gebildete Verbindungen die optomotorische Reaktion durch optokinetische Reflexanalyse (OKR) teilweise wiederherstellen, während die Pupillenreaktion, die Tiefenwahrnehmung und die visuelle Angstreaktion nicht gerettet wurden (Lim et al., 2016). Die Studie schlug vor, dass eine solche teilweise funktionelle Erholung Defekte in der Synapsenbildung, unzureichende Anzahl von regenerierenden Axonen und / oder geringe Präzision der Ziel-Pathfinding widerspiegeln könnte. Zusammen gibt es bisher nur sehr wenige Studien (de Lima et al., 2012; Lim et al., 2016) berichteten über eine Langstreckenregeneration des Sehnervs mit partieller Wiederherstellung der Sehfunktion, von denen eine Studie in einer anderen Studie nicht wiederholt werden konnte (Luo et al., 2013). Daher sind zusätzliche Studien erforderlich, um zu bestätigen, ob nach einer intraorbitalen Verletzung des Sehnervs regenerierende RGC-Axone können korrekt geführt werden, um ihre ursprünglichen innervierenden Ziele im Gehirn zu erreichen.

Trotz bedeutender Fortschritte bei der Förderung von RGC-Axonen über das optische Chiasma hinaus in das Gehirn Nach einer Verletzung des Sehnervs ist es schwierig, die Axonpfadfindung über das Chiasma und die anschließende Ziel-Reinnervation zu untersuchen aufgrund der begrenzten Anzahl regenerierender Axone, die das Gehirn erreichen. Um ein solches Problem zu lösen, wie oben in einer Studie erwähnt (Li et al., 2015) Eine Sehnervenverletzung vor dem Chiasmus wurde durchgeführt, damit mehr Axone das optische Chiasma erreichen und durchqueren konnten. In dieser Studie zeigten serielle Schnitte, dass nach längerer Zeit mehr regenerierende Axone in der Kernregion von SCN identifiziert werden konnten. Durch die Konzentration auf den SCN verwendete die Studie Antikörper sowohl gegen den präsynaptischen Marker vesikulären Glutamattransporter 2 (VgluT2) als auch gegen den postsynaptischen Dichtemarker Homer1, um die Bildung neuer Synapsen zu markieren. Viele dreifach markierte (CTB, VgluT2, Homer1) Punkte wurden identifiziert, was auf exzitatorische synaptische Stellen auf regenerierenden CTB-positiven regenerierenden Axonen hinweist. Zusätzliche Experimente mit Pseudo-Tollwut-Virus-Codierung GFP lieferten Hinweise darauf, dass regenerierende RGC-Axone Verbindungen mit der bestehenden Gehirnschaltung bildeten. Schließlich wurde durch Lichtimpulsstimulation des verletzten Auges eine c-Fos-Genexpression im SCN nach der Behandlung beobachtet, was auf funktionelle Synapsen hinweist, die im SCN reformiert wurden. Darüber hinaus zeigten Ganzzell-Patch-Clamp-Aufnahmen von SCN-Neuronen mit Sehnervenstimulation evozierte EPSCs, die die exzitatorischen synaptischen Verbindungen bestätigten. Basierend auf der gleichen Begründung, eine andere aktuelle Studie (Bei et al., 2016) übernahm ein optisches Trakt-Transsektionsmodell (proximal zum SC), das den Abstand zwischen regenerierenden Axonen und dem SC deutlich reduzierte. In dieser Studie entweder die Kombination von Pten / Socs3 Co-Deletion mit CNTF / BCL2 oder Co-Überexpression von OPN / IGF1 / CNTF, induzierte retinocollicular Axon Regeneration und funktionelle Synapsenbildung nach Optikus-Trakt-Transection. Regenerierende Axone zeigten jedoch eine schlechte elektrische Leitung und konnten daher keine signifikante Sehfunktion wiederherstellen. Ein möglicher Grund für das Versagen ist wahrscheinlich mit einem Mangel an Myelinisierung verbunden. Spannungsgesteuerte Kaliumkanalblocker (4-AP oder 4-AP-3-Me) wurden verwendet, um die Leitung in de-myelinisierten Axonen von Patienten mit Multipler Sklerose zu verbessern. Wie erwartet, verbesserte die akute Anwendung von 4-AP die elektrische Leitung signifikant, was schließlich zu einer signifikanten Wiederherstellung der Sehfunktion führte. Zusammen lieferten diese beiden Studien mit Axonverletzungen in der Nähe ihrer innervierenden Ziele wichtige Beweise dafür, dass bei ausreichender Regeneration Axone könnten ihre Gehirnziele erreichen Synapsenbildung und Wiederherstellung der Sehfunktion sind möglich.

Zusammenfassend unterstützen die aktuellen Daten, dass: (1) Mit kombinatorischen Ansätzen eine Axonregeneration über große Entfernungen induziert werden kann, um in das Gehirn einzudringen; und (2) mit der richtigen Axonführung und Remyelinisierung könnte die Sehfunktion wiederhergestellt werden (Abbildung 2). Der Auge-zu-Gehirn-Weg enthält mehrere Zielstrukturen, die mit verschiedenen visuellen Funktionen verbunden sind, wie dem physiologischen Zustand des ganzen Tieres, visuell gesteuertem reflexivem Verhalten und der Kodierung komplexer visueller Merkmale (Dhande et al., 2015). Daher erfordert die optimale Lösung für die funktionelle Erholung nach einer Verletzung des Sehnervs eine Axonregeneration über große Entfernungen von der Verletzungsstelle in das Gehirn, eine ordnungsgemäße Axonführung, um bestimmte zentrale Kerne zu erreichen, die Reformation funktioneller Synapsen mit den entsprechenden Zielen und eine Remyelinisierung, um die Übertragung elektrischer Impulse zu ermöglichen.

Zukunftsaussichten

Trotz erheblicher Fortschritte bei der RGC-Regeneration in den letzten zehn Jahren hat die funktionelle Reparatur im Sehweg noch einen langen Weg vor sich. Basierend auf den oben beschriebenen Studien ist eine wichtige Frage, wohin wir bald gehen sollten. Erstens, obwohl wir viele Gene identifiziert haben, die manipuliert werden können, um die Regeneration des Sehnervs zu verbessern, bleibt unser Verständnis der zellulären und molekularen Mechanismen, durch die die Axonregeneration reguliert wird, fragmentiert. Was sind zum Beispiel während der neuronalen Reifung die Schlüsselschritte und essentiellen Regulatoren, die die Fähigkeit des Axonwachstums allmählich ausschalten? Was sind die Hauptunterschiede zwischen Neuronen im ZNS, die fast dauerhaft ihre Fähigkeit zur Unterstützung der Axonregeneration verloren haben, im Vergleich zu denen im PNS, die ihre intrinsische Kapazität reaktivieren können? Haben alle Neuronen im selben Gewebe die gleiche Fähigkeit, die Axonregeneration zu unterstützen? Wie tragen andere Zellen in der Netzhaut, wie Müller-Zellen, Amakrinzellen, zum Verlust der Axonregenerationsfähigkeit von RGCs während der Reifung und zur fehlgeschlagenen Regeneration nach Verletzungen bei? Kürzlich entwickelte Multiomics-Ansätze, wie RNA-, ATAC- und Hi-C-Sequenzierung, entweder auf Bulk- oder Einzelzellebene, unterstützt durch die fortgeschrittenen bioinformatischen Analysen, werden sehr nützliche Werkzeuge sein, um diese Fragen zu beantworten (Tran et al., 2019). Auf der anderen Seite wurden die schnell aktualisierten CRISPR / CAS9-dCAS9-Systeme (Liu et al., 2018; Tian et al., 2019) werden zu ausgereiften und zuverlässigen Techniken, die für den Hochdurchsatz verwendet werden können funktionelles Screening neuartiger Gene, die das Überleben und die Regeneration von RGC regulieren. Die Anwendung dieser neuen Techniken wird uns nicht nur helfen, die molekularen Mechanismen, die der Axonregeneration zugrunde liegen, besser aufzuklären, sondern auch neue Gene und Wege zu entdecken, die das Überleben und die Regeneration von RGC regulieren.

Zweitens besteht die nächste Herausforderung nach der Axonregeneration über große Entfernungen darin, die sich regenerierenden Axone dazu zu bringen, ihre spezifischen Ziele im Gehirn zu erreichen, funktionelle Synapsen zu bilden, die richtigen Axone zu remyelinieren und die spezifische Sehfunktion wiederzugewinnen. Leider ist die aktuelle Forschung in diesem Bereich noch sehr begrenzt. Obwohl einige Studien eine Langstreckenregeneration der Sehnervenaxone zurück zu allen Hirnkernen und eine gewisse Wiederherstellung der Sehfunktion gezeigt haben, sind weitere Studien erforderlich, um diese Ergebnisse zu bestätigen. Mehrere frühere Studien (Luo et al., 2013; Yungher et al., 2015; Wang et al., 2020) haben deutlich gezeigt, dass hochauflösende 3D-Bildgebung auf der Ebene einzelner Axone ein optimaler Ansatz ist, um den Trajektorien regenerierender Axone im Gehirn zu folgen.

Drittens ist das derzeit am häufigsten verwendete Tiermodell der Sehverletzung der Sehnerv Crush, der chirurgisch einfach und reproduzierbar ist. Mehrere klinisch relevante Erkrankungen führen jedoch zu einer Verletzung des Sehnervs, wie Glaukom, Optikusneuritis, Optikusneuropathie und Optikusatrophie. Da verschiedene Krankheiten unterschiedliche zelluläre Reaktionen hervorrufen können, sollten vor einer möglichen translationalen Anwendung verschiedene Tiermodelle verwendet werden, die jede Krankheit nachahmen.

Autorenbeiträge

S-GY, C-ML und F-QZ entwarfen, schrieben, überarbeiteten und finalisierten das Manuskript. C-PL hat das Manuskript bearbeitet. X-QP hat die Figuren entworfen. Z-QT lieferte konstruktive Kommentare. Alle Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts gelesen und genehmigt.

Finanzierung

Für diese Arbeit wurde F-QZ durch Zuschüsse des NIH (National Eye Institute) unterstützt; Nationales Institut für neurologische Störungen und Schlaganfall; R01NS085176, R01EY027347, R01EY030883), die Craig H. Neilsen Foundation (259450) und die Birght Focus Foundation (G2017037). C-ML wurde durch Zuschüsse aus dem Strategic Priority Research Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (XDA16010302), dem National Key Research and Development Program of China Project (2016YFA0101402) und der National Science Foundation of China (91753140) unterstützt. S-GY wurde durch das Stipendium der National Science Foundation of China (81370051) unterstützt.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.