frontiere în neuroștiințe celulare

Introducere

celulele ganglionare retiniene (RGC) transmit informații vizuale legate de ochi către creier prin axonii lor, care formează colectiv nervul optic (Laha și colab., 2017). Leziunile nervului Optic induse de traume, glaucom sau boli neurodegenerative duc adesea la pierderea funcțiilor vizuale și, eventual, la orbire. Strategiile care promovează supraviețuirea RGC și regenerarea nervului optic sunt urmărite în mod activ pentru a repara leziunile neuronale și a restabili funcția vizuală. Ca neuroni ai sistemului nervos central (SNC), RGC-urile mature au redus foarte mult capacitatea intrinsecă de a-și regenera axonii după leziuni traumatice sau neurodegenerare, ducând în cele din urmă la pierderea vederii (Chun și Cestari, 2017; Laha și colab., 2017). De asemenea, spre deosebire de neuronii din sistemul nervos periferic (PNS), diferite molecule inhibitoare extrinseci acționează pentru a limita regenerarea axonilor în SNC, inclusiv măduva spinării și nervii optici (Geoffroy și Zheng, 2014). Studiile anterioare au arătat că eliminarea factorilor inhibitori extracelulari, cum ar fi Nogo și receptorii săi, ar putea induce regenerarea ușoară a nervului optic (Fischer și colab., 2004; Su și colab., 2008, 2009; Dickendesher și colab., 2012). În schimb, ștergerea fosfatazei și tensin homolog (Pten) în RGC, care a sporit capacitatea intrinsecă de regenerare a axonilor, a promovat regenerarea robustă a nervului optic, indicând noi căi promițătoare pentru îmbunătățirea regenerării axonilor SNC (Park și colab., 2008). În ultimul deceniu, s-a demonstrat că manipularea mai multor gene în RGC-uri crește semnificativ capacitatea intrinsecă de regenerare a axonilor RGC-urilor mature, cum ar fi Klf4/9 (Moore și colab., 2009; apărea și colab., 2017), Socs3 (Smith și colab., 2009), B-RAF (O ‘ Donovan și colab., 2014), c-myc (Belin și colab., 2015), Gsk3 (Guo și colab., 2016; Miao și colab., 2016), Lin28 (Wang și colab., 2018) și P53 (Ma și colab., 2019). Deși, aceste gene s-au dovedit a reglementa regenerarea nervului optic, aproape nici unul dintre ei singur ar putea fi manipulate pentru a induce regrowth axon pe distanțe lungi in vivo. Pentru a rezolva această problemă, s-au încercat strategii combinatorii pentru a extinde lungimile axonilor regenerativi. Într-adevăr, efectele sinergice sau aditive ale mai multor căi independente asupra regenerării axonului RGC au fost mai dramatice și mai durabile, cum ar fi ștergerea Zymosan/cAMP/Pten (Kurimoto și colab., 2010), CNTF/Pten-ștergere/Socs3-ștergere (Sun și colab., 2011), c-Myc/CNTF/Pten-ștergere/Socs3-ștergere (Belin și colab., 2015) și Lin28/Pten-ștergere (Wang și colab., 2018). În câteva studii, s-a raportat că regenerarea axonilor RGC ar putea ajunge la distanțe lungi, traversând chiasma optică și intrând în creier (Kurimoto și colab., 2010; Sun și colab., 2011; de Lima și colab., 2012; Lim și colab., 2016).

următorul pas după regenerarea nervului optic pe distanțe lungi ar trebui să fie explorarea modului în care funcția vizuală ar putea fi restabilită cu ghidarea corectă a axonului, sinaptogeneza și transmiterea activității neuronale. Până în prezent, regenerarea nervului optic de novo peste chiasm pare a fi blocajul pentru regenerarea axonilor RGC pentru a intra în creier. Prin urmare, doar câteva studii care utilizează abordări combinatorii au raportat o reconectare foarte limitată între axonii nervului optic răniți și țintele lor din creier, cum ar fi nucleul suprachiasmatic (SCN), nucleul geniculat lateral (LGN), coliculul superior (SC) și alte zone vizuale cu o perioadă mai lungă după leziune (de Lima și colab., 2012; Bei și colab., 2016; Lim și colab., 2016) sau efectuarea rănirii la pre-chiasm (Li și colab., 2015) sau tractul optic (Bei și colab., 2016). Deși este încă necesară o confirmare suplimentară a acestor studii, rezultatele au furnizat unele dovezi în principiu că recuperarea funcției vizuale este posibilă după leziunea nervului optic dacă fiecare etapă de regrowth axon, orientare, sinaptogeneză, și remielinizare ar putea fi atins. Aici, analizăm progresele recente în realizarea reconectării căilor ochi-creier și discutăm potențialele strategii viitoare pentru recablarea circuitelor vizuale după leziunile nervului optic.

regenerarea axonilor pe distanțe lungi poate fi realizată prin manipularea combinatorie a mai multor gene/căi

pentru a restabili vederea după leziunea nervului optic, axonii răniți trebuie să regenereze întreaga lungime a căilor ochi-creier, la o distanță mai mare de 8 mm de la locul leziunii la LGN și SC la șoareci (Figura 1). Regenerarea axonilor pe distanțe lungi, ca prim pas al reconectării ochi-creier, este crucială în restaurarea funcției vizuale în urma leziunilor nervului optic. Până în prezent, eliminarea condiționată a Pten singur în RGC a dus la probabil cea mai lungă regenerare a nervului optic la 2 săptămâni după leziune (până la 3 mm distal de locul leziunii; Park și colab., 2008). Manipulările altor gene, așa cum sunt enumerate în tabelul 1, s-au dovedit a promova regenerarea modestă a axonilor RGC care ajung în regiunea medie a nervului optic după leziune (Tabelul 1). În plus față de manipularea expresiei genelor în RGC, eliberarea mediată de non-RGC a CNTF (Leaver și colab., 2006), oncomodulină ca răspuns la inflamație (Yin și colab., 2006) sau potențarea IGF1 mediată de Lin28 specifică Amacrinei (Zhang și colab., 2019), s-a dovedit că toate stimulează regenerarea nervului optic, fie singur, fie împreună cu alți factori. Mai mult, s-a demonstrat că un nivel ridicat de zinc în celulele amacrine la leziunea nervului optic contribuie la moartea celulelor RGC și la regenerarea eșuată prin transferul lent în RGC (Li și colab., 2017). Ca rezultat, transportorul de zinc ZnT-3 (codificat de gena slc30a3) knockout a îmbunătățit supraviețuirea și regenerarea RGC. Mai mult, s-a demonstrat că un nivel crescut de cAMP îmbunătățește regenerarea nervului optic indusă de oncomodulină (Kurimoto și colab., 2010). În cele din urmă, un subtip de RGC s-a dovedit a produce o glicoproteină fosforilată secretată, osteopontina (OPN), care acționează împreună cu IGF1 sau BDNF, pentru a spori regenerarea nervului optic (Duan și colab., 2015).

deși s-a demonstrat că mai multe abordări promovează regenerarea substanțială in vivo, regenerarea unui număr suficient de axoni pe întreaga cale optică rămâne o provocare majoră. Astfel, progresele recente în regenerarea axonilor RGC nu numai că s-au concentrat pe identificarea genelor și căilor noi, dar au relevat și faptul că tratamentele combinatorii cu mecanisme subiacente distincte au dus la efecte aditive sau chiar sinergice (Tabelul 2). Până în prezent, ștergerea Pten, împreună cu manipularea altor gene RGC sau factori extracelulari, au fost strategia combinatorie dominantă pentru promovarea regenerării nervului optic pe distanțe lungi. De exemplu, ștergerea Socs3 (Sun și colab., 2011), activarea B-RAF (O ‘ Donovan și colab., 2014), supraexpresia c-Myc (Belin și colab., 2015), supraexpresia DCLK2 (Nawabi și colab., 2015), expresia hIL-6 (Leibinger și colab., 2016), activarea STAT3/MEK (Luo și colab., 2016), chelarea zincului (Li și colab., 2017) sau supraexpresia Lin28 (Wang și colab., 2018), s-a dovedit că fiecare are efecte sinergice/aditive cu ștergerea Pten asupra regenerării nervului optic. De asemenea, factorii extracelulari descriși mai sus au fost combinați cu manipularea genetică a RGC, cum ar fi cAMP/oncomodulin/Pten-deleție (Kurimoto și colab., 2010), CNTF/Pten-ștergere/Socs3-ștergere (Sun și colab., 2011). Mai mult, s-au arătat și efectele aditive sau sinergice ale altor strategii combinatorii, cum ar fi eliminarea Klf9 combinată cu chelarea zincului (Trakhtenberg și colab., 2018) și crmp2 activ constitutiv combinat cu o activitate GSK3 îmbunătățită (Leibinger și colab., 2017). Se crede că astfel de efecte combinatorii se datorează diferitelor căi de semnalizare în aval de aceste gene și factori. Pe baza studiilor anterioare, s-a demonstrat că mai multe căi de semnalizare joacă un rol important în transducerea efectelor de promovare ale acestor gene/factori. De exemplu, semnalizarea gsk3/mTOR legată de factorul de creștere este activată în aval de ștergerea Pten (Park și colab., 2008; Leibinger și colab., 2019), osteopontin (Duan și colab., 2015), melanopsin (Li și colab., 2016), Akt (Guo și colab., 2016; Miao și colab., 2016) sau Lin28 (Wang și colab., 2018). De asemenea, calea MAPK în aval de B-RAF (O ‘ Donovan și colab., 2014) sau MEK (Luo și colab., 2016) a fost implicat. Mai mult, semnalizarea citokinelor Jak-Stat ar putea fi activată în aval de CNTF (m Electicller și colab., 2007), ștergerea Socs3 (Smith și colab., 2009) sau ștergerea Klf4 (Qin și colab., 2013). Mai mult, studii recente au relevat mai multe căi de semnalizare noi care funcționează pentru a promova regenerarea nervului optic, cum ar fi Fosfatida acidului fosfatidic (PAP) Lipin1 care a indus regenerarea prin reglarea metabolismului glicerolipidelor (Yang și colab., 2020), trombospondina-1 care s-a legat de syndecan pentru a promova regenerarea nervului optic (Bray și colab., 2019) și proteina Lim a mușchiului încrucișat de actină (Levin și colab., 2019). Este demn de remarcat faptul că multe gene de reglare a regenerării nervului optic pot regla simultan mai multe căi din aval, iar căile de semnalizare din aval s-au dovedit, de asemenea, că se intersectează între ele.

în mod colectiv, este bine recunoscut faptul că combinația de molecule cu căi diferite în aval ar duce la regenerarea axonilor la distanță mai mare. Astfel, identificarea de noi factori cu noi căi de semnalizare, în special factori care pot regla mai multe căi, ar trebui să fie în continuare una dintre zonele concentrate în domeniu. În plus, explorarea combinației optime de factori multipli pe baza mecanismelor lor de reglementare este, de asemenea, foarte importantă. În cele din urmă, trebuie remarcat faptul că majoritatea (>80%) RGC mor la câteva săptămâni după leziunea nervului optic (Wang și colab., 2018; Tran și colab., 2019), făcând supraviețuirea RGC un obstacol major pentru un număr suficient de axoni regeneratori necesari pentru recuperarea funcției vizuale. În mod intrigant, s-a demonstrat că mai multe subtipuri de RGC diferă în ceea ce privește capacitatea lor de a supraviețui sau de a regenera axonii la leziunea nervului optic (Duan și colab., 2015; Norsworthy și colab., 2017; Bray și colab., 2019). Recent, un studiu sistematic prin utilizarea ARN-seq cu o singură celulă a relevat vulnerabilitatea selectivă a subtipurilor RGC în urma leziunilor axonale și a furnizat dovezi că strategiile neuroprotectoare specifice tipului ar putea fi critice pentru intervenție (Tran și colab., 2019). Astfel, genele / căile care acționează pentru a proteja RGC-urile sau subtipurile de moartea celulelor sunt la fel de importante pentru a fi identificate.

ghidarea corectă a axonilor regeneratori care trec chiasma optică și intră în creier

deși abordările combinatorii după leziunea nervului optic ar putea duce la o regenerare substanțială a nervului optic pe distanțe lungi, chiasma optică este în curs de dezvoltare a fi obstacolul major pentru regenerarea axonilor pentru a intra în creier și a ajunge la nucleele lor țintă originale. Analizând regenerarea axonilor la momente ulterioare după leziunea nervului (adică 4-10 săptămâni), în mai multe studii care utilizează abordări combinatorii, axonii regeneratori ar putea ajunge și chiar traversa chiasma optică. De exemplu, când Pten/Socs3 double knockout a fost combinat cu CNTF, 4 săptămâni (Sun și colab., 2011) sau 10 săptămâni (Luo și colab., 2013) după leziuni nervoase, mulți axoni regeneratori ar putea ajunge la capătul proximal al chiasmei, dar au încetat să crească. Când expresia c-Myc a fost adăugată în combinație, mai mulți axoni au traversat chiasma și au crescut în tracturile optice (Belin și colab., 2015). În mod similar, alte abordări combinatorii, cum ar fi cAMP/Zymosan/Pten-deleția (de Lima și colab., 2012; Luo și colab., 2013), Lipin1-ștergere/CNTF (Yang și colab., 2020) și Pten-deletion/MEK/STAT3 (Luo și colab., 2016), ar putea induce, de asemenea, regenerarea nervului optic în apropierea sau traversarea chiasmei optice.

o observație interesantă din unele dintre aceste studii a fost că mulți axoni regeneratori au fost întorși înapoi la chiasm sau au deraiat departe de tractul optic după traversarea chiasmei. Această observație sugerează că chiasma optică prezintă o limită inhibitoare și apare o eroare a axonilor în tractul optic. Într-adevăr, așa cum am menționat mai sus, ștergerea Nogo și a receptorilor săi în sistemul vizual a dus la o regenerare ușoară a nervului optic, indicând natura inhibitoare a sistemului vizual Matur. Într-un studiu timpuriu (Pernet și colab., 2013a), folosind abordarea de compensare a țesuturilor și imagistica confocală a întregului nerv optic de montare, studiul a constatat că mulți axoni regeneratori induși de CNTF au prezentat traiectorii neregulate, cu multe viraje în interiorul nervului optic. Într-un studiu ulterior din același laborator (Pernet și colab., 2013b), regenerarea axonilor RGC induși de STAT3 activ a arătat, de asemenea, traiectorii rătăcitoare cu viraje u frecvente. Cu toate acestea, atunci când nervii optici au fost tratați suplimentar cu inhibitorul Rho kinazei Y27632, axonii regeneratori induși de Stat3 au devenit mai drepți și rata U a fost semnificativ redusă. Deoarece inhibitorul Rho kinazei este bine cunoscut pentru a antagoniza efectele inhibitoare ale inhibitorului pe bază de mielină (adică Nogo, MAG), aceste rezultate au confirmat prezența moleculelor inhibitoare extracelulare în nervul optic. În sprijin, prin utilizarea de compensare a țesuturilor și microscopie avansată de fluorescență a foilor luminoase (LSFM), trei studii (Luo și colab., 2013; Yungher și colab., 2015; Bray și colab., 2017) a efectuat imagini 3D de înaltă rezoluție și analize morfologice axonale detaliate la nivel de axon unic. Mai exact, rezultatele au constatat că în nervul optic majoritatea axonilor regeneratori au avut o cale șerpuitoare și mulți dintre ei au făcut viraje ascuțite. Pentru axonii care ajung la chiasm, unii axoni s-au întors înapoi la chiasm și intră în nervul optic opus, confirmând chiasmul ca o barieră inhibitoare. Pentru axonii care au reușit să traverseze chiasma, s-au observat mai mulți axoni în tractul optic ipsilateral decât în tractul contralateral, indicând o eroare a axonilor. Câțiva axoni au fost identificați în SCN situat direct deasupra chiasmei și nu a fost observat niciun axon în țintele vizuale mai îndepărtate, LGN sau SC. În concordanță cu aceste constatări, studiul nostru recent folosind curățarea țesuturilor și imagistica 3D (Wang și colab., 2018) a arătat că axonii RGC regeneratori induși de Supraexpresie Lin28 au arătat, de asemenea, multe viraje în U în nervul optic, care a fost redus atunci când expresia Lin28 a fost combinată cu PTEN knockdown. Mai mult, ultimul nostru studiu (Wang și colab., 2020) a arătat că eliminarea miozinei IIA/B numai în RGC a dus la o regenerare semnificativă a nervului optic. Interesant este că, atunci când traiectoriile axonilor au fost examinate cu curățarea țesuturilor și imagistica 3D, la șoarecii de tip sălbatic axonii scurți regenerați automat au urmat traiectorii rătăcitoare cu multe viraje în U, în timp ce la miozina IIA/B șoarecii knockout axonii regeneratori au fost mult mai drepți, cu viraje în U foarte reduse. Mai important, combinarea supraexpresiei Lin28 cu eliminarea miozinei IIA / B a dus la regenerarea nervului optic pe distanțe lungi în 2 săptămâni după leziunea nervului (până la 4,5 mm de la locul leziunii). Deoarece studiul nostru anterior (Hur și colab., 2011) a arătat că ștergerea miozinei IIA/B a permis creșterea axonului pe două substraturi inhibitoare majore, resturile de mielină și Cspg-urile, noile rezultate au furnizat dovezi că depășirea semnalelor inhibitoare din nervul optic a fost o abordare promițătoare pentru o regenerare mai eficientă a nervului optic pe distanțe lungi.

în cele din urmă, pentru a examina mai bine modul în care axonii regeneratori s-au comportat la chiasma optică, un studiu (Li și colab., 2015) a folosit un model de leziune pre-chiasmă, în care axonii regeneratori aveau nevoie doar de o distanță scurtă pentru a ajunge la chiasmă. Studiul a demonstrat că la 4 săptămâni după leziunea nervului, mulți axoni au intrat și au trecut chiasmul, majoritatea ocupând partea ipsilaterală a hipotalamusului, inclusiv SCN. La 8 săptămâni, mai mulți axoni au fost găsiți în cadrul SCN. O constatare importantă a fost că, chiar și la 4 luni după leziunea nervului, aproape niciun Axon regenerant nu a atins ținte cerebrale mai departe de chiasma optică, cum ar fi OPN și SC. Acest studiu a confirmat în continuare că, fără indicii de orientare adecvate, este dificil pentru regenerarea axonilor să reinnerveze ținte cerebrale mai profunde.

în rezumat, aceste studii au sugerat că mecanismele adecvate de ghidare a axonilor sunt necesare pentru regenerarea axonilor RGC pentru a ajunge la nucleele lor țintă originale în creier și recuperarea funcțională vizuală ulterioară. Noi tehnici experimentale, cum ar fi abordările de curățare a țesuturilor (3DISCO, CLARITY etc.) și sisteme avansate de imagistică 3D (microscopie multiphoton, LSFM, fMOST etc.), sunt în curs de dezvoltare pentru a fi instrumente utile pentru analiza detaliată a traiectoriei axonului în creier.

regenerarea axonilor de la ochi la creier salvarea comportamentelor vizuale parțiale

după ce axonii regenerați își ating țintele originale ale creierului, următoarea provocare este realizarea unei noi sinaptogeneze, remielinizare și restaurarea funcțională ulterioară a vederii. Până în prezent, doar câteva studii au raportat reconectarea funcțională cu nucleele creierului după zdrobirea nervului optic. Un studiu timpuriu a arătat că combinația de ștergere Pten cu Zymosan și cAMP a dus la regenerarea axonilor pe distanțe lungi care traversează chiasma optică și în structurile creierului, inclusiv SCN, dLGN și SC, la 10 săptămâni după leziunea nervului optic. Dovezile histologice au demonstrat că regenerarea terminalelor axonice părea să formeze sinapse în nucleele vizate. În consecință, mai multe comportamente vizuale înnăscute au fost parțial restaurate, cum ar fi percepția adâncimii, răspunsul optomotor și modelele de activitate circadiană (de Lima și colab., 2012). Într-un studiu ulterior în care a fost utilizată aceeași abordare combinatorie (Luo și colab., 2013), curățarea țesuturilor întregi și analiza imagistică 3D cu LSFM au arătat că axonii regeneratori au fost într-adevăr observați în și dincolo de chiasma optică. Cu toate acestea, spre deosebire de studiul de mai sus (de Lima și colab., 2012), doar câțiva axoni au fost observați ajungând la SCN și nu s-au găsit axoni regeneratori dincolo de SCN. Mulți axoni au fost observați în locuri care nu au fost asociate cu calea optică, indicând misguidance axon. În același studiu, Socs3 / Pten double knockout, împreună cu CNTF, au fost utilizate pentru a induce regenerarea axonilor pe distanțe lungi. În mod similar, axonii regeneratori ar putea ajunge și traversa chiasma optică și nu s-ar putea găsi axoni dincolo de SCN. Pentru a exclude posibilitatea ca procedura de curățare a țesuturilor să înălbească semnalul de urmărire CTB, au fost examinate secțiuni regulate ale creierului coronal. În mod similar, axonii regeneratori marcați cu CTB au fost găsiți în principal în zona hipotalamusului, inclusiv SCN, și nu au fost identificați axoni în țintele mai îndepărtate, LGN și SC.

într-un studiu recent, prin îmbunătățirea activității neuronale RGC și activarea semnalizării mTOR (supraexpresie Rheb1) regenerarea axonului pe distanțe lungi și găsirea corectă a căii în toate țintele vizuale majore au fost observate încă de la 3 săptămâni după leziunea nervului optic (Lim și colab., 2016). Mai exact, la șoarecii care primesc stimulare vizuală și tratament de supraexpresie Rheb1, conexiunile nou formate ar putea restabili parțial răspunsul optomotor prin analiza reflexului optokinetic (OKR), în timp ce nu a reușit să salveze răspunsul pupilei, percepția adâncimii și răspunsul vizual al fricii (Lim și colab., 2016). Studiul a sugerat că o astfel de recuperare funcțională parțială ar putea reflecta defecte în formarea sinapselor, un număr insuficient de axoni regeneratori și/sau o precizie scăzută a găsirii căii în interiorul țintei. Împreună, până în prezent, există doar foarte puține studii (de Lima și colab., 2012; Lim și colab., 2016) a raportat regenerarea nervului optic pe distanțe lungi cu recuperarea parțială a funcției vizuale, dintre care un studiu nu a putut fi repetat într-un alt studiu (Luo și colab., 2013). Astfel, sunt necesare studii suplimentare pentru a confirma dacă, după leziuni intraorbitale ale nervului optic, axonii RGC regeneratori pot fi ghidați corect pentru a-și atinge țintele inervatoare originale din creier.

în ciuda progreselor semnificative în promovarea axonilor RGC dincolo de chiasma optică în creier după leziunea nervului optic, este dificil de explorat găsirea căii axonilor peste chiasm și reinervarea țintă ulterioară datorită numărului limitat de axoni regeneratori care ajung la creier. Pentru a rezolva o astfel de problemă, așa cum sa menționat mai sus într-un studiu (Li și colab., 2015) a fost efectuată leziunea nervului optic pre-chiasm, astfel încât mai mulți axoni să poată ajunge și traversa chiasma optică. În acest studiu, secțiunile seriale au arătat că, după o perioadă mai lungă, mai mulți axoni regeneratori ar putea fi identificați în regiunea de bază a SCN. Concentrându-se pe SCN, studiul a utilizat anticorpi atât împotriva markerului pre-sinaptic transportor de glutamat vezicular 2 (VgluT2), cât și a markerului de densitate postsinaptică Homer1 pentru a eticheta formarea de noi sinapse. Au fost identificate multe puncte triple etichetate (CTB, VgluT2, Homer1), indicând site-uri sinaptice excitatorii pe regenerarea axonilor regeneratori pozitivi CTB. Experimente suplimentare folosind virusul pseudo-rabic care codifică GFP au furnizat dovezi că regenerarea axonilor RGC a format conexiuni cu circuitele creierului existente. În cele din urmă, prin utilizarea stimulării pulsului ușor al ochiului rănit, expresia genei c-Fos a fost observată în SCN după tratament, indicând sinapse funcționale reformate în SCN. Mai mult, înregistrările cu cleme de patch-uri cu celule întregi ale neuronilor SCN cu stimulare a nervului optic au arătat EPSCs evocate, confirmând conexiunile sinaptice excitatorii reformate. Pe baza aceluiași raționament, un alt studiu recent (Bei și colab., 2016) a adoptat un model de transecție a tractului optic (proximal față de SC) care a redus semnificativ distanța dintre axonii regeneratori și SC. În acest studiu, fie combinația de co-deleție Pten/Socs3 cu CNTF/BCL2, fie co-supraexprimarea OPN/IGF1 / CNTF, a indus regenerarea axonului retinocollicular și formarea sinapselor funcționale după transecția tractului optic. Cu toate acestea, axonii regeneratori au prezentat o conducere electrică slabă și, prin urmare, nu au reușit să restabilească funcția vizuală semnificativă. Un motiv potențial pentru eșec este probabil asociat cu o lipsă de mielinizare. Blocanții canalelor de potasiu cu tensiune (4-AP sau 4-AP-3-Me) au fost utilizați pentru a îmbunătăți conducerea axonilor de-mielinizați la pacienții cu scleroză multiplă. Așa cum era de așteptat, aplicarea acută a 4-AP a îmbunătățit semnificativ conducerea electrică, rezultând în cele din urmă o recuperare semnificativă a funcției vizuale. Împreună, aceste două studii cu leziuni ale axonilor în apropierea țintelor lor inervante au furnizat dovezi cheie că atunci când axonii regeneratori suficienți ar putea atinge țintele creierului, formarea sinapselor și restaurarea funcției vizuale sunt posibile.

în rezumat, datele existente până în prezent susțin că: (1) cu abordări combinatorii, este posibil să se inducă regenerarea axonilor pe distanțe lungi pentru a intra în creier; și (2) cu ghidarea și remielinizarea corespunzătoare a axonilor, funcția vizuală ar putea fi restabilită (Figura 2). Calea ochi-creier conține mai multe structuri țintă, care sunt asociate cu diverse funcții vizuale legate, cum ar fi starea fiziologică a întregului animal, comportamentele reflexive conduse vizual și codificarea caracteristicilor vizuale complexe (Dhande și colab., 2015). Prin urmare, soluția optimă pentru recuperarea funcțională după leziunea nervului optic necesită regenerarea axonului pe distanțe lungi de la locul leziunii în creier, ghidarea corectă a axonului pentru a ajunge la nuclee centrale specifice, reformarea sinapselor funcționale cu țintele adecvate și remielinizarea pentru a permite transducția impulsurilor electrice.

perspective de viitor

în ciuda progreselor semnificative în regenerarea RGC în ultimul deceniu, repararea funcțională a căii vizuale mai are un drum lung de parcurs. Pe baza studiilor descrise mai sus, o întrebare importantă este unde ar trebui să mergem în curând. În primul rând, deși am identificat multe gene care pot fi manipulate pentru a spori regenerarea nervului optic, înțelegerea mecanismelor celulare și moleculare prin care regenerarea axonilor este reglementată rămâne fragmentată. De exemplu, în timpul maturării neuronale care sunt pașii cheie și regulatorii esențiali care opresc treptat capacitatea de creștere a axonilor? Care sunt diferențele cheie dintre neuronii din SNC care și-au pierdut aproape permanent capacitatea de a susține regenerarea axonilor, comparativ cu cei din PNS care își pot reactiva capacitatea intrinsecă? Dintre toți neuronii din același țesut, toți au aceeași capacitate de a susține regenerarea axonilor? Cum contribuie alte celule din retină, cum ar fi celulele m Oktkller, celulele amacrine, la pierderea capacității de regenerare a axonilor RGC în timpul maturării și regenerarea eșuată după leziuni? Abordarea multiomică recent dezvoltată, cum ar fi secvențierea ARN -, ATAC și Hi-c, fie la nivel de vrac, fie la nivel unicelular, susținută de analizele bioinformatice avansate, va fi instrumente foarte utile pentru a aborda aceste întrebări (Tran și colab., 2019). Pe de altă parte, sistemele CRISPR/CAS9-DCAS9 actualizate rapid (Liu și colab., 2018; Tian și colab., 2019) devin tehnici mature și fiabile, care pot fi utilizate pentru ecranul funcțional de mare viteză al genelor noi care reglează supraviețuirea și regenerarea RGC. Aplicarea acestor noi tehnici nu numai că ne va ajuta să elucidăm mai bine mecanismele moleculare care stau la baza regenerării axonilor, dar ne va ghida și să descoperim noi gene și căi care reglează supraviețuirea și regenerarea RGC.

în al doilea rând, după regenerarea axonilor pe distanțe lungi, următoarea provocare este de a ghida axonii regeneratori pentru a-și atinge țintele specifice din creier, pentru a forma sinapse funcționale, pentru a remielina axonii corespunzători și pentru a recâștiga funcția vizuală specifică. Din păcate, cercetările actuale în acest domeniu rămân foarte limitate. Deși câteva studii au arătat regenerarea pe distanțe lungi a axonilor nervului optic înapoi la toate nucleele creierului și o recuperare a funcției vizuale, sunt necesare mai multe studii pentru a confirma aceste constatări. Mai multe studii anterioare (Luo și colab., 2013; Yungher și colab., 2015; Wang și colab., 2020) au arătat clar că imagistica 3D de înaltă rezoluție la nivelul unui singur axon este o abordare optimă pentru a urmări traiectoriile axonilor regeneratori din creier.

în al treilea rând, actualul model animal cel mai utilizat de leziuni vizuale este zdrobirea nervului optic care este ușor și reproductibil chirurgical. Cu toate acestea, mai multe boli relevante clinic duc la leziuni ale nervului optic, cum ar fi glaucomul, nevrita optică, neuropatia optică și atrofia nervului optic. Deoarece diferite boli pot induce răspunsuri celulare diferite, ar trebui utilizate diferite modele animale care imită fiecare boală înainte de o potențială aplicație translațională.

contribuții ale autorului

S-GY, c-ML și F-QZ au proiectat, scris, revizuit și finalizat manuscrisul. C-PL a editat manuscrisul. X-QP a proiectat cifrele. Z-QT a oferit comentarii constructive. Toți autorii au citit și aprobat versiunea finală a manuscrisului.

finanțare

pentru această lucrare, F-QZ a fost susținut de granturi de la NIH (National Eye Institute; Institutul Național de tulburări neurologice și accident vascular cerebral; R01NS085176, R01EY027347, R01EY030883), Fundația Craig H. Neilsen (259450) și Fundația Birght Focus (G2017037). C-ML a fost susținut de granturi din programul de cercetare prioritară strategică al Academiei Chineze de științe (XDA16010302), Programul Național de cercetare și dezvoltare cheie al proiectului China (2016yfa0101402) și Fundația Națională pentru științe din China (91753140). S-GY a fost susținut de subvenția de la Fundația Națională pentru științe din China (81370051).

Conflict de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.