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中美科学家合作Cell发文提出功能化颅缝再生新策略


近日 ， 浙大口腔俞梦飞博士与南加州大学Yang Chai院士团队在Cell正刊中在线发表题为“Cranial sutureregeneration mitigates skull and neurocognitive defects in craniosynostosis”的最新研究成果 ， 该研究首次提出功能化颅缝再生概念 ， 通过低创性颅缝再生技术 ， 修正头颅畸形并挽救神经认知行为缺陷 ， 阐明其具体发生机制 ， 为最终实现临床应用提供理论依据及新方案 。

【中美科学家合作Cell发文提出功能化颅缝再生新策略】中美科学家合作Cell发文提出功能化颅缝再生新策略
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由先天基因缺陷所导致的颅缝早闭是颅颌面最为严重的疾病之一 ， 由一条或多条颅缝线（分离颅骨的纤维关节）在婴儿期过早融合引起 。 该疾病会导致颅骨生长畸形、颅内压（ICP）升高、脑部发育迟缓 ， 而且往往会使认知功能受损（Morriss-Kayand Wilkie, 2005; Twigg and Wilkie, 2015） 。 颅缝的开放对于分娩过程中的颅骨受压十分重要 ， 对于产后颅骨发育和适应以及贯穿整个成年期的大脑发育来说也是至关重要的 。 目前 ， 治疗颅缝早闭症的唯一方法是复杂手术 ， 这样才能纠正颅骨畸形并预防相应的后遗症（Wolfswinkelet al., 2017） 。 在许多情况下 ， 颅骨会再次发生骨性结合 ， 因而需要再次进行手术 。 迫切需要更好的方法来治疗颅缝早闭症并预防骨性结合再次发生 。
颅缝早闭症患者通常表现出神经认知功能障碍和智力障碍（Gripp etal., 2000; Reardon et al., 1997; Speltz et al., 2015; Zechi-Ceide et al., 2012） 。 例如 ， Saethre-Chotzen综合征患者的TWIST1基因发生突变 ， 其冠状线为主要的丢失 。 包括TWIST1基因座在内的大基因片段缺失与学习障碍和神经认知障碍有关（Gripp etal., 2000; Zechi-Ceide et al., 2012） 。 ZIC1或FGFR基因的功能获得性突变也会导致颅缝早闭和学习障碍（Reardonet al., 1997; Twigg and Wilkie, 2015） 。 总体而言 ， 颅缝线过早融合可能会对神经认知功能产生不利影响 ， 这可能是由于ICP升高和神经解剖学变化增加所致（Morriss-Kayand Wilkie, 2005） 。 然而 ， 目前还未有任何研究工作在颅缝早闭的动物模型中深入研究其神经认知行为 ， 具体神经障碍类型并不明确 ， 导致其发生的具体机制亦不清晰 。
南加大Yang Chai院士团队前期研究显示 ， Gli1 +细胞是颅缝内不可缺少的MSC来源（Zhao et al., 2015） 。 它们对成年小鼠的颅面骨更新、修复和再生具有支持性作用（Guo etal., 2018; Park et al., 2016; Zhao et al., 2015） 。 同时 ， 团队也进一步证明了在Twist1 +/-小鼠的冠状线融合之前 ， Gli1 +细胞会过早丢失（Zhao et al., 2015） 。 这些研究均提示 ， 恢复MSCs是颅骨早闭症中能使颅缝线再生的一种潜在治疗方法 。
本研究显示 ， Twist1+/-小鼠冠状线的过早融合会导致ICP升高和神经认知异常增加 ， 从而重现了人类Saethre-Chotzen综合征的症状 。 使用这一具有高度临床相关性的小鼠模型 ， 我们证明了Gli1 +MSC与改良的GelMA结合可以支持冠状线再生 。 具体而言 ， MSC移植物可以募集内源性干细胞至再生位点（Xing etal., 2014） ， 这一过程可能受到Wnt3a、PDGF和VEGF的辅助（Shin and Peterson,2013） 。 在分子水平上 ， Twist1的单倍体功能不全会导致Axin2受损和Wnt信号转导增强（Yu et al., 2005） 。 外源MSC的植入能将Wnt信号转导恢复至与对照样品相当的水平 ， 从而阻止骨性结合的再次发生 ， 同时趋化内源性MSC迁移至再生缝线区域 ， 以维持其在颅骨组织稳态和修复中的功能 。 缝线再生显著降低了ICP ， 部分减轻了颅盖畸形 ， 并改善了神经认知功能 。 由于TWIST1单倍体功能不全与Saethre-Chotzen综合征患者的颅骨早闭症相关 ， 因此我们的发现具有高度的临床转化性 ， 为提高颅骨早闭症患者的生活质量提供了独特的方法 。
该研究的重大发现之一在于 ， 恢复颅缝线开放的不仅可以挽救颅骨畸形 ， 而且可以使ICP正常化并恢复神经认知功能 。 颅骨融合症患者经常有学习障碍（Kilcoyneet al., 2019; Twigg and Wilkie, 2015; Zechi-Ceide et al.,2012） 。 影响不同颅缝线的非综合征性颅骨融合症可能对行为功能异常有不同的影响（Sun etal., 2019） 。 我们的颅缝线再生方法可以挽救Twist1+/-小鼠中的几种神经认知功能异常 ， 包括新物体识别和社交能力等方面的缺陷 。 该研究表明 ， ICP升高至少部分会导致神经认知功能障碍 ， 在伴有颅缝早闭的Twist1+/-小鼠中 ， 这种疾病可通过缝线再生得以挽救 。 我们通过MRI和组织学分析得到的结果表明 ， Twist1+/-小鼠的神经元数量和大脑体积变化会导致神经认知功能障碍 ， 这些变化可在颅缝再生后得以恢复 。 我们的研究为颅缝再生改善神经认知功能的潜在机制提供了重要见解 。 Twist1在成年小鼠的大脑中不表达 ， 而没有颅缝早闭的Twist1+/-小鼠具有正常的ICP和神经认知功能 ， 这表明Twist1在调节大脑结构的发育和功能中不发挥直接作用 。 然而 ， 在人类中 ， TWIST1基因在胎儿发育时的大脑皮层中表达 ， 也在成人的上层兴奋性神经元中表达（Sousa etal., 2017; Zhu et al., 2018） 。 未来的研究需要使用多种骨性结合的模型 ， 阐明导致选择性认知功能障碍和功能恢复的分子介体或神经回路 。

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