Frontiers in cellulaire Neuroscience

Inleiding

retinale ganglioncellen (RGC ‘ s) geven visuele gerelateerde informatie door van het oog naar de hersenen via hun axonen, die samen de oogzenuw vormen (Laha et al., 2017). Oogzenuwletsels veroorzaakt door trauma, glaucoom of neurodegeneratieve ziekten resulteren vaak in verlies van visuele functies en uiteindelijk blindheid. Strategieën die de overleving van RGC bevorderen en de regeneratie van de oogzenuw worden actief nagestreefd om neuraal letsel te herstellen en visuele functie te herstellen. Als centrale zenuwstelsel (CNS) neuronen, volwassen RGC ‘ s hebben sterk verminderd intrinsieke capaciteit om hun axonen te regenereren na traumatische verwondingen of neurodegeneratie, uiteindelijk leidend tot verlies van visie (Chun en Cestari, 2017; Laha et al., 2017). Ook, in tegenstelling tot neuronen in het perifere zenuwstelsel (PNS), werken verschillende extrinsieke remmende molecules om Axon regeneratie in het CNS, met inbegrip van het ruggenmerg en optische zenuwen te beperken (Geoffroy en Zheng, 2014). Eerdere studies toonden aan dat het verwijderen van extracellulaire remmende factoren, zoals Nogo en zijn receptoren, milde oogzenuwregeneratie zou kunnen induceren (Fischer et al., 2004; Su et al., 2008, 2009; Dickendesher et al., 2012). In tegenstelling, het verwijderen van fosfatase en tensin homolog (Pten) in RGCs, die de intrinsieke Axon regeneratiecapaciteit versterkt, bevorderd robuuste oogzenuw regeneratie, wat veelbelovende nieuwe wegen voor het verbeteren van CNS Axon regeneratie (Park et al., 2008). Tijdens het afgelopen decennium, is manipulatie van verscheidene genen in RGCs getoond om de intrinsieke Axon regeneratiecapaciteit van rijpe RGCs, zoals Klf4/9 (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), en P53 (Ma et al., 2019). Hoewel, deze genen zijn getoond om oogzenuwregeneratie te regelen, kon bijna geen van hen alleen worden gemanipuleerd om lange-afstands Axon regrowth in vivo te veroorzaken. Om dit probleem op te lossen, zijn combinatorische strategieën geprobeerd om de lengtes van regeneratieve axonen uit te breiden. Inderdaad, de synergistische of additieve effecten van meerdere onafhankelijke routes op RGC Axon regeneratie waren dramatischer en duurzamer, zoals zymosan/cAMP / PTEN-deletie (Kurimoto et al., 2010), CNTF/Pten-deletion/Socs3-deletion (Sun et al., 2011), c-Myc/CNTF/Pten-deletion/Socs3-deletion (Belin et al., 2015), en Lin28/PTEN-deletion (Wang et al., 2018). In een paar studies werd gemeld dat regenererende RGC axonen lange afstand konden bereiken, het optisch chiasme kruisten en de hersenen binnendringen (Kurimoto et al., 2010; Sun et al., 2011; De Lima et al., 2012; Lim et al., 2016).

de volgende stap na regeneratie van de oogzenuw over lange afstand moet zijn om te onderzoeken hoe de visuele functie kan worden hersteld met de juiste Axon-begeleiding, synaptogenese en neurale activiteitsoverdracht. Tot op heden, de novo oogzenuwregeneratie over het chiasm lijkt de bottleneck voor het regenereren van RGC axonen te zijn om de hersenen in te gaan. Daarom hebben slechts een paar studies met behulp van combinatorische benaderingen gemeld zeer beperkte herverbinding tussen gewonde oogzenuw axonen en hun doelwitten in de hersenen, zoals de suprachiasmatische nucleus (SCN), de laterale geniculate nucleus (IGN), de superior colliculus (SC), en andere visuele gebieden met een langere periode na de verwonding (de Lima et al., 2012; Bei et al., 2016; Lim et al., 2016) of het uitvoeren van de blessure bij de pre-chiasm (Li et al., 2015) of optische tractus (Bei et al., 2016). Hoewel verdere bevestiging van deze studies nog steeds nodig is, leverden de resultaten enig bewijs-in-principe bewijs dat het herstel van de visuele functie mogelijk is na oogzenuwbeschadiging als elke stap van Axon regrowth, begeleiding, synaptogenese en remyelinisatie kon worden bereikt. Hier, we bekijken de recente vooruitgang in het bereiken van de reconnection van de oog-naar-hersenen paden en bespreken mogelijke toekomstige strategieën voor het herbedraden van de visuele circuits na oogzenuw verwondingen.

regeneratie van Axon over lange afstand kan worden bereikt door gecombineerde manipulatie van meerdere genen/routes

om het gezichtsvermogen te herstellen na een blessure aan de oogzenuw, moeten gewonde axonen de volledige lengte van de oog-naar-hersenen routes regenereren, een afstand van meer dan 8 mm van de blessureplaats tot LGN en SC bij muizen (figuur 1). Lange afstand Axon regeneratie, als de eerste stap van de eye-to-brain reconnection, is cruciaal in het herstel van de visuele functie na oogzenuw letsel. Tot op heden, voorwaardelijke knock-out Pten alleen in RGCs leidde tot waarschijnlijk de langste oogzenuw regeneratie op 2 weken na de verwonding (tot 3 mm distal aan de laesieplaats; Park et al., 2008). Manipulaties van andere genen, zoals vermeld in Tabel 1, hebben aangetoond dat het een bescheiden regeneratie van RGC axonen bevordert die het middelste gebied van de oogzenuw bereiken na letsel (Tabel 1). Naast manipulatie van genexpressie in RGCs, de niet-RGC-gemedieerde versie van CNTF (Leaver et al., 2006), oncomoduline in response to inflammation (Yin et al., 2006), of amacrine-specifieke Lin28-gemedieerde IGF1 potentiëring (Zhang et al., 2019), zijn allen getoond om oogzenuwregeneratie te stimuleren, hetzij alleen of samen met andere factoren. Bovendien is aangetoond dat een verhoogd zinkgehalte in amacrinecellen bij beschadiging van de oogzenuw bijdraagt aan de celdood van RGC en mislukte regeneratie door langzaam over te gaan naar RGC ‘ s (Li et al., 2017). Dientengevolge, verbeterde de zinktransporter ZnT-3 (gecodeerd door Gen slc30a3) knockout RGC overleving en regeneratie. Verder is aangetoond dat een verhoogd cAMP-niveau de regeneratie van de oogzenuw verbetert door oncomoduline (Kurimoto et al., 2010). Ten slotte heeft een subtype van RGCs aangetoond om een afgescheiden gefosforyleerde glycoproteïne, osteopontin (OPN) te produceren, die samen met IGF1 of BDNF werkt, om oogzenuwregeneratie te verbeteren (Duan et al., 2015).

hoewel verscheidene benaderingen zijn getoond om substantiële regeneratie in vivo te bevorderen, blijft de nagroei van voldoende aantallen axonen door de volledige optische weg een belangrijke uitdaging. Recente ontwikkelingen in de regeneratie van RGC axon richtten zich niet alleen op het identificeren van nieuwe genen en pathways, maar toonden ook aan dat combinatorische behandelingen met verschillende onderliggende mechanismen leidden tot additieve of zelfs synergetische effecten (Tabel 2). Tot op heden is PTEN-deletie, samen met manipulatie van andere RGC-genen of extracellulaire factoren, de dominante combinatorische strategie geweest om de regeneratie van de oogzenuwen over lange afstand te bevorderen. Bijvoorbeeld, Socs3 verwijdering (Sun et al., 2011), B-RAF activering (O ‘ Donovan et al., 2014), c-Myc overexpressie (Belin et al., 2015), dclk2 overexpressie (Nawabi et al., 2015), Hil-6 expression (Leibinger et al., 2016), STAT3/mek activering (Luo et al., 2016), zinkchelatie (Li et al., 2017), of Lin28 overexpressie (Wang et al., 2018), is elk getoond om synergistische/additieve gevolgen met PTEN schrapping op oogzenuwregeneratie te hebben. Ook, extracellulaire factoren hierboven beschreven zijn allemaal gecombineerd met genetische manipulatie van RGCs, zoals cAMP / oncomodulin / PTEN-deletie (Kurimoto et al., 2010), CNTF/Pten-deletion/Socs3-deletion (Sun et al., 2011). Bovendien zijn de additieve of synergistische effecten van andere combinatorische strategieën ook aangetoond, zoals klf9 knockdown gecombineerd met Zinkchelatie (Trakhtenberg et al., 2018) en constitutief actieve CRMP2 gecombineerd met verbeterde gsk3-activiteit (Leibinger et al., 2017). Dergelijke combinatory gevolgen worden verondersteld om aan verschillende signalerende wegen stroomafwaarts van deze genen en factoren te zijn. Gebaseerd op vorige studies, zijn verscheidene signalerende wegen getoond om belangrijke rollen in het omzetten van de bevorderende gevolgen van deze genen/factoren te spelen. Bijvoorbeeld, de groei-factor gerelateerde gsk3/mTOR signalering wordt geactiveerd stroomafwaarts van PTEN deletie (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), of Lin28 (Wang et al., 2018). Ook de MAPK-route stroomafwaarts van B-RAF (O ‘ Donovan et al., 2014) of MEK (Luo et al., 2016) was betrokken. Bovendien zou de Jak-Stat cytokine-signalering stroomafwaarts van CNTF (Müller et al., 2007), Socs3 deletion (Smith et al., 2009), of klf4-verwijdering (Qin et al., 2013). Voorts hebben recente studies verscheidene nieuwe signalerende wegen geopenbaard die om oogzenuwregeneratie, zoals phosphatidic zure phosphatase (PAP) Lipin1 functioneren te bevorderen dat regeneratie door het reguleren van glycerolipidemetabolisme (Yang et al., 2020), thrombospondin – 1 dat gebonden is aan syndecan om oogzenuwregeneratie te bevorderen (Bray et al., 2019), en het actin cross-linker muscle LIM protein (Levin et al., 2019). Het is vermeldenswaard dat vele de regulerende genen van de oogzenuwregeneratie gelijktijdig veelvoudige stroomafwaartse wegen kunnen regelen en de stroomafwaartse signalerende wegen zijn ook getoond om met elkaar te kruisen.

collectief, wordt het goed erkend dat de combinatie van molecules met verschillende stroomafwaartse wegen in langere afstand Axon regeneratie zou resulteren. Aldus, zou het identificeren van nieuwe factoren met nieuwe signalerende wegen, vooral factoren die veelvoudige wegen kunnen regelen, nog één van de gerichte gebieden op het gebied moeten zijn. Daarnaast is ook het verkennen van de optimale combinatie van meerdere factoren op basis van hun regulerende mechanismen erg belangrijk. Ten slotte moet worden opgemerkt dat de meerderheid (>80%) van de RGC ‘ s enkele weken na oogzenuwletsel sterven (Wang et al., 2018; Tran et al., 2019), waardoor de overleving van RGC een belangrijk obstakel is voor een voldoende aantal regenererende axonen die nodig zijn voor visuele functieherstel. Intrigerend, verschillende subtypes van RGC ‘ s zijn aangetoond te verschillen in hun vermogen om te overleven of regenereren axonen op oogzenuw letsel (Duan et al., 2015; Norsworthy et al., 2017; Bray et al., 2019). Onlangs, onthulde een systematische studie door eencellig RNA-seq te gebruiken de selectieve kwetsbaarheid van RGC subtypes na axonaal letsel en verstrekte bewijsmateriaal dat type-specifieke neuroprotectieve strategieën voor interventie kritisch zouden kunnen zijn (Tran et al., 2019). Aldus, zijn de genen / wegen die handelen om RGCs of subtypes tegen celdood te beschermen even belangrijk om te worden geà dentificeerd.

juiste begeleiding van regenererende axonen die het optische chiasme passeren en de hersenen binnenkomen

hoewel de combinatorische benadering na beschadiging van de optische zenuw kan resulteren in aanzienlijke regeneratie van de optische zenuw over lange afstand, blijkt het optische chiasme het belangrijkste obstakel te zijn voor regenererende axonen om de hersenen binnen te komen en hun oorspronkelijke doelkernen te bereiken. Door het analyseren van Axon regeneratie op latere tijdstippen na de zenuwbeschadiging (dat wil zeggen, 4-10 weken), in verschillende studies met behulp van combinatorische benaderingen regenererende axonen kon bereiken en zelfs kruis het optische chiasme. Bijvoorbeeld, wanneer PTEN / Socs3 dubbele knockout werd gecombineerd met CNTF, 4 weken (Sun et al., 2011) of 10 weken (Luo et al., 2013) na zenuwbeschadiging konden veel regenererende axonen het proximale einde van het chiasm bereiken, maar stopten met groeien. Toen c-Myc expressie werd toegevoegd aan de combinatie, meer axonen kruisten het chiasm en groeide in de optische traktaten (Belin et al., 2015). Ook andere combinatorische benaderingen, zoals cAMP / Zymosan / PTEN-deletion (de Lima et al., 2012; Luo et al., 2013), Lipin1-deletion/CNTF (Yang et al., 2020), en PTEN-deletion / MEK / STAT3 (Luo et al., 2016), kan ook induceren optische zenuw regeneratie in de buurt of kruis de optische chiasm.Een interessante observatie uit enkele van deze studies was dat veel regenererende axonen bij het chiasm werden teruggedraaid of van het optisch kanaal ontspoorden nadat ze het chiasm waren gepasseerd. Deze observatie suggereert dat optisch chiasm presenteert een remmende grens en misleiding van axonen optreedt in de optische tractus. Inderdaad, zoals eerder vermeld, het verwijderen van Nogo en zijn receptoren in het visuele systeem resulteerde in milde oogzenuwregeneratie, wat wijst op de remmende aard van het rijpe visuele systeem. In een vroege studie (Pernet et al., 2013a), door de benadering van de weefselreiniging te gebruiken en confocal weergave van de gehele zet oogzenuw op, vond de studie dat vele regenererende axonen die door CNTF worden veroorzaakt onregelmatige trajecten, met vele U-bochten binnen de oogzenuw toonden. In een latere studie van hetzelfde lab (Pernet et al., 2013b), vertoonden regenererende RGC axonen geïnduceerd door actieve STAT3 ook zwerftrajecten met frequente u-bochten. Nochtans, toen de oogzenuwen bovendien met de inhibitor Y27632 van het Rho-kinase werden behandeld, werden de Stat3-veroorzaakte regenererende axonen rechter en was het u-tarief duidelijk verminderd. Omdat Rho kinase inhibitor is bekend om de remmende effecten van myeline-gebaseerde remmer antagoniseren (d.w.z., Nogo, MAG), deze resultaten bevestigd de aanwezigheid van extracellulaire remmende moleculen in de oogzenuw. Ter ondersteuning, door het gebruik van weefsel clearing en geavanceerde light-sheet fluorescentie microscopie (LSFM), drie studies (Luo et al., 2013; Yungher et al., 2015; Bray et al., 2017) uitgevoerd hoge-resolutie 3D beeldvorming en gedetailleerde axonale morfologische analyses op het single axon niveau. Uit de resultaten bleek dat in de oogzenuw de meeste regenererende axonen een slingerend pad hadden en veel van hen scherpe bochten maakten. Voor axonen die het chiasm bereiken, keren sommige axonen terug naar het chiasm en gaan de tegenoverliggende oogzenuw binnen, wat chiasm bevestigt als een remmende barrière. Voor axonen die erin slaagden het chiasm te passeren, werden meer axonen waargenomen in de ipsilaterale optische tractus dan in de contralaterale tractus, wat wijst op Axon misleiding. Een paar axonen werden geïdentificeerd in de SCN direct boven het chiasm en geen axon werd waargenomen in de meer afgelegen visuele doelen, IGN of SC. In overeenstemming met deze bevindingen, onze recente studie met behulp van weefsel clearing en 3D-beeldvorming (Wang et al., 2018) toonde aan dat Lin28 overexpressie-veroorzaakte regenererende RGC axonen ook vele U-bochten binnen de oogzenuw toonden, die werd verminderd toen Lin28 uitdrukking met PTEN knockdown werd gecombineerd. Bovendien, onze laatste studie (Wang et al., 2020) toonde aan dat het uitschakelen van myosin IIA/B in RGCs alleen resulteerde in significante oogzenuwregeneratie. Interessant is dat wanneer axon-trajecten werden onderzocht met weefselverwijdering en 3D-beeldvorming, bij wild type muizen de automatisch geregenereerde korte axonen zwervende trajecten volgden met veel U-bochten, terwijl bij myosine IIA/B knockout muizen de regenererende axonen veel rechter waren met sterk gereduceerde U-bochten. Belangrijker nog, het combineren van Lin28 overexpressie met myosin IIA/B knockout leidde tot de regeneratie van de oogzenuw over lange afstand in 2 weken na het zenuwletsel (tot 4.5 mm van de letselplaats). Omdat onze vorige studie (hur et al., 2011) toonde aan dat het verwijderen van myosine IIA/B Axon-groei over twee belangrijke remmende substraten, myeline puin en Cspg ‘ s mogelijk maakte, de nieuwe resultaten leverden bewijs dat het overwinnen van de remmende signalen in de oogzenuw een veelbelovende benadering was voor efficiëntere regeneratie van de oogzenuw over lange afstand.

ten slotte, om beter te onderzoeken hoe regenererende axonen zich gedroegen bij het optisch chiasm, een studie (Li et al., 2015) gebruikte een pre-chiasm blessure model, waarin regenererende axonen slechts een korte afstand nodig hadden om het chiasm te bereiken. De studie toonde aan dat op 4 weken na de zenuwbeschadiging, veel axonen ingevoerd en doorgegeven het chiasme, waarvan de meeste bezet de ipsilaterale kant van de hypothalamus, met inbegrip van de SCN. Na 8 weken werden meer axonen gevonden binnen het SCN. Een belangrijke bevinding was dat zelfs 4 maanden na de zenuwbeschadiging, bijna geen regenererende axonen hersendoelen bereikten verder weg van het optische chiasme, zoals de OPN en de SC. Deze studie bevestigde verder dat zonder de juiste richtlijnen, het voor het regenereren van axonen moeilijk is om diepere hersenendoelen te herstellen.

samengevat suggereerden deze studies dat goede Axon-geleidingsmechanismen noodzakelijk zijn voor het regenereren van RGC-axonen om hun oorspronkelijke doelkernen in de hersenen en het daaropvolgende visuele functionele herstel te bereiken. Nieuwe experimentele technieken, zoals weefsel clearing benaderingen (3DISCO, duidelijkheid, enz.) en geavanceerde 3D beeldvormingssystemen (multiphoton microscopie, LSFM, fMOST, enz.), komen te voorschijn om nuttige hulpmiddelen voor gedetailleerde analyse van Axon traject in de hersenen te zijn.

Axon-regeneratie van het oog naar de hersenen het redden van gedeeltelijk visueel gedrag

nadat regenererende axonen hun oorspronkelijke hersendoel hebben bereikt, is de volgende uitdaging het bereiken van nieuwe synaptogenese, remyelinisatie en het daaropvolgende functionele herstel van het gezichtsvermogen. Tot op heden, slechts een paar studies hebben gemeld functionele reconnection met hersenen kernen na oogzenuw verpletteren. Een vroege studie toonde aan dat de combinatie van PTEN deletie met zymosan en cAMP resulteerde in lange afstand Axon regeneratie kruising van de optische chiasm en in hersenstructuren, met inbegrip van SCN, dLGN, en SC, 10 weken na de optische zenuwbeschadiging. Histologisch bewijs toonde aan dat regenererende Axon terminals synapsen leken te vormen binnen de beoogde kernen. Bijgevolg werden verschillende aangeboren visuele gedragingen gedeeltelijk hersteld, zoals diepteperceptie, optomotorische respons en circadiaanse activiteitspatronen (de Lima et al., 2012). In een latere studie waarin dezelfde combinatorische benadering werd gebruikt (Luo et al., 2013), whole-mount Weefsel clearing en 3D beeldvorming analyse met LSFM toonden aan dat regenererende axonen inderdaad werden waargenomen in en voorbij het optische chiasm. Echter, in tegenstelling tot de bovenstaande studie (de Lima et al., 2012), werden slechts enkele axonen waargenomen die het SCN bereikten en werden geen regenererende axonen gevonden voorbij het SCN. Veel axonen werden waargenomen op plaatsen die niet werden geassocieerd met de optische route, wat wijst op Axon misleiding. In dezelfde studie werden Socs3/PTEN double knockout, samen met CNTF, gebruikt om Axon-regeneratie op lange afstand te induceren. Op dezelfde manier konden regenererende axonen het optische chiasm bereiken en kruisen en konden geen axonen worden gevonden buiten het SCN. Om de mogelijkheid uit te sluiten dat de weefselverwijderingsprocedure het CTB tracer signaal kan bleken, werden regelmatige coronale hersensecties onderzocht. Op dezelfde manier werden CTB-gelabelde regenererende axonen voornamelijk gevonden in het hypothalamusgebied, inclusief het SCN, en werden geen axonen geïdentificeerd in de verder verwijderde doelen, IGN en SC.

in een recente studie werden al 3 weken na de beschadiging van de oogzenuw (Lim et al., 2016). Specifiek, in muizen die visuele stimulatie en Rheb1 overexpressie behandeling ontvangen, konden nieuw gevormde verbindingen gedeeltelijk herstellen optomotorische respons door optokinetische reflex analyse (OKR), terwijl er niet in geslaagd om pupil respons, diepte perceptie, en visuele angst respons te redden (Lim et al., 2016). De studie suggereerde dat een dergelijk gedeeltelijk functioneel herstel zou kunnen wijzen op defecten in synapsvorming, onvoldoende aantal regenererende axonen en/of lage precisie van binnen-doel pathfinding. Samen, tot op heden, zijn er slechts zeer weinig studies (de Lima et al., 2012; Lim et al., 2016) gemeld lange afstand oogzenuw regeneratie met gedeeltelijke visuele functie herstel, waaronder een studie kon niet worden herhaald in een andere studie (Luo et al., 2013). Zo zijn aanvullende studies nodig om te bevestigen of na intraorbitale oogzenuwletsel regenererende RGC axonen correct kunnen worden geleid om hun oorspronkelijke innervating doelen in de hersenen te bereiken.

ondanks significante vooruitgang in het bevorderen van RGC axonen voorbij het optisch chiasme in de hersenen na beschadiging van de oogzenuw, is het moeilijk om Axon pathfinding over het chiasme en de daaropvolgende doelherinnervatie te onderzoeken vanwege het beperkte aantal regenererende axonen dat de hersenen bereikt. Om een dergelijk probleem op te lossen, zoals hierboven vermeld in een studie (Li et al., 2015) pre-chiasme optische zenuwbeschadiging werd uitgevoerd zodat meer axonen het optische chiasme konden bereiken en kruisen. In deze studie, seriële secties bleek dat na een langere periode meer regenererende axonen konden worden geïdentificeerd in het kerngebied van SCN. Door zich te concentreren op het SCN, gebruikte de studie antilichamen tegen zowel de pre-synaptische marker vesiculair glutamaat transporter 2 (VgluT2) als de postsynaptische dichtheidsmarker Homer1 om nieuwe synapsvorming te labelen. Vele drievoudige gelabelde (CTB, Vglut2, Homer1) punten werden geà dentificeerd, die opwindende synaptische plaatsen op regenererende CTB positieve regenererende axonen aangeven. De extra experimenten gebruikend pseudo-rabiësvirus die GFP coderen verschaften bewijsmateriaal dat het regenereren RGC axons verbindingen met de bestaande hersenencircuits vormden. Ten slotte, door lichte pulsstimulatie van het gewonde oog te gebruiken, werd de genuitdrukking van C-Fos waargenomen in SCN na de behandeling, die wijst op functionele synapsen die in SCN worden hervormd. Bovendien toonden de opnamen van de hele celflard-klem van SCN neuronen met optische zenuwstimulatie epscs opgeroepen, bevestigend Hervormde prikkelende synaptische verbindingen. Op basis van dezelfde redenering, een andere recente studie (Bei et al., 2016) nam een optisch tractaat transectie model (proximaal aan de SC) dat duidelijk verminderde de afstand tussen regenererende axonen en de SC. In dit onderzoek induceerde de combinatie van PTEN/Socs3 co-deletie met CNTF/BCL2 of co-overexpressie van OPN/IGF1/CNTF retinocolliculaire Axon regeneratie en functionele synapsvorming na transectie van de optische tractus. Regenererende axonen vertoonden echter een slechte elektrische geleiding en konden dus geen significante visuele functie herstellen. Een mogelijke reden voor het falen is waarschijnlijk geassocieerd met een gebrek aan myelinatie. Voltage-gated kaliumkanaalblokkers (4-AP of 4-AP-3-Me) is gebruikt om de geleiding te verbeteren bij gedemyelineerde axonen van patiënten met multipele sclerose. Zoals verwacht verbeterde acute toepassing van 4-AP de elektrische geleiding aanzienlijk, wat uiteindelijk resulteerde in aanzienlijk herstel van de visuele functie. Samen leverden deze twee studies met Axon-letsel in de buurt van hun innervating targets belangrijke aanwijzingen dat wanneer voldoende regenererende axonen hun hersendoelen konden bereiken, synaps-vorming en visuele functieherstel mogelijk zijn.

samengevat ondersteunen de huidige gegevens dat: (1) bij combinatorische benaderingen het mogelijk is om lange-afstands Axon-regeneratie in de hersenen te induceren; en (2) met de juiste Axon-geleiding en remyelinisatie, de visuele functie kan worden hersteld (Figuur 2). De eye-to-brain pathway bevat meerdere doelstructuren, die worden geassocieerd met verschillende visuele gerelateerde functies, zoals de hele dierlijke fysiologische toestand, visueel gedreven reflexief gedrag, en coderen van complexe visuele kenmerken (Dhande et al., 2015). Daarom is de optimale oplossing voor functioneel herstel na oogzenuwletsel vereist lange afstand Axon regeneratie van de blessureplaats in de hersenen, juiste Axon begeleiding om specifieke centrale kernen te bereiken, reformatie van functionele synapsen met de juiste doelen, en remyelinatie om transductie van elektrische impulsen mogelijk te maken.

toekomstperspectieven

ondanks aanzienlijke vooruitgang in de regeneratie van RGC in de afgelopen tien jaar, heeft functioneel herstel in het visuele traject nog een lange weg te gaan. Op basis van de hierboven beschreven studies, is een belangrijke vraag waar we binnenkort moeten gaan. Ten eerste, hoewel we veel genen hebben geïdentificeerd die kunnen worden gemanipuleerd om de oogzenuwregeneratie te verbeteren, blijft ons begrip van cellulaire en moleculaire mechanismen waarmee Axon-regeneratie wordt gereguleerd gefragmenteerd. Bijvoorbeeld, tijdens neuronale rijping wat zijn de belangrijkste stappen en essentiële regulatoren die geleidelijk uitschakelen van het vermogen van Axon groei? Wat zijn de belangrijkste verschillen tussen neuronen in het CNS die bijna permanent hun capaciteit verloren om Axon regeneratie te ondersteunen, in vergelijking met die in de PNS die hun intrinsieke capaciteit kunnen reactiveren? Van alle neuronen in hetzelfde weefsel, hebben ze allemaal hetzelfde vermogen om Axon regeneratie te ondersteunen? Hoe dragen andere cellen in het netvlies, zoals Müller-cellen, amacrine-cellen, bij aan het verlies van Axon-regeneratievermogen van RGC ‘ s tijdens rijping en mislukte regeneratie na blessures? Recent ontwikkelde multiomics benadering, zoals RNA -, ATAC, en Hi-C sequencing, hetzij op bulk-of eencellig niveau, ondersteund door de geavanceerde Bioinformatica analyses, zal zeer nuttige hulpmiddelen zijn om deze vragen te beantwoorden (Tran et al., 2019). Aan de andere kant, de snelle bijgewerkte CRISPR/CAS9-dCAS9 systemen (Liu et al., 2018; Tian et al., 2019) worden rijpe en betrouwbare technieken, die voor hoog-productie functioneel scherm van nieuwe genen kunnen worden gebruikt die RGC overleving en regeneratie regelen. De toepassing van deze nieuwe technieken zal ons niet alleen helpen om de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de regeneratie van axon beter te verhelderen, maar zal ons ook helpen om nieuwe genen en routes te ontdekken die de overleving en regeneratie van RGC reguleren.

ten tweede is de volgende uitdaging om de regenererende axonen te begeleiden om hun specifieke doel in de hersenen te bereiken, functionele synapsen te vormen, de juiste axonen te remyelineren en hun specifieke visuele functie terug te krijgen. Helaas blijft het recente onderzoek op dit gebied zeer beperkt. Hoewel een paar studies hebben aangetoond lange afstand regeneratie van de optische zenuw axonen terug naar alle kernen van de hersenen en sommige visuele functie herstel, meer studies nodig zijn om deze bevindingen te bevestigen. Verschillende eerdere studies (Luo et al., 2013; Yungher et al., 2015; Wang et al., 2020) hebben duidelijk aangetoond dat hoge-resolutie 3D beeldvorming op het single axon niveau een optimale benadering is om de trajecten van regenererende axonen in de hersenen te volgen.

Ten derde is het huidige meest gebruikte diermodel voor visuele schade de verbrijzeling van de oogzenuw die operatief eenvoudig en reproduceerbaar is. Echter, meerdere klinisch relevante ziekten resulteren in oogzenuw letsel, zoals glaucoom, optische neuritis, optische neuropathie, en oogzenuw atrofie. Omdat de verschillende ziekten verschillende cellulaire reacties kunnen veroorzaken, zouden de verschillende dierlijke modellen die elke ziekte nabootsen vóór een potentiële Vertalende toepassing moeten worden gebruikt.

Auteursbijdragen

S-GY, C-ML en F-QZ ontwierpen, schreven, reviseerden en finaliseerden het manuscript. C-PL bewerkte het manuscript. X-QP ontwierp de figuren. Z-QT gaf constructieve opmerkingen. Alle auteurs hebben de definitieve versie van het manuscript gelezen en goedgekeurd.

financiering

voor dit werk werd F-QZ ondersteund door subsidies van NIH (National Eye Institute); National Institute of Neurological Disorders and Stroke; R01NS085176, R01EY027347, R01EY030883), de Craig H. Neilsen Foundation (259450), en de Birght Focus Foundation (G2017037). C-ML werd ondersteund door subsidies van het strategisch prioritair Onderzoeksprogramma van de Chinese Academie van Wetenschappen (XDA16010302), het National Key Research and Development Program Of China Project (2016YFA0101402), en de National Science Foundation of China (91753140). S-GY werd ondersteund door de subsidie van de National Science Foundation of China (81370051).

belangenconflict

de auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.