点评
刘德培（中国工程院院士）/陈厚早（中国医学科学院基础医学研究所），季维智（中国科学院院士）/牛昱宇（昆明理工大学）、卞修武（中国科学院院士）脊髓作为中枢神经系统的重要组成部分，是连接大脑和周围神经的重要桥梁，支配着全身各种运动功能。而这些运动调节功能的主要执行者则是脊髓内一群稀少（仅占脊髓全部细胞约0.3-0.4%）而又关键的细胞——运动神经元（motorneuron）。运动神经元最重要的功能是通过支配全身的骨骼肌实现对机体运动行为的控制。据统计，老年人在60岁以后会发生运动能力的快速下降，65岁以上的老年人平均每年都会因行动不便等原因发生一次以上跌倒事件，20-30%的老年人经历过中度甚至重度摔伤，严重影响了活动能力和生活质量。除了调节肢体运动，运动神经元还能通过植物神经系统协同控制机体的呼吸、心跳、摄食和排泄等一系列基本生命活动。由此可见，脊髓是人体运动及基本脏器自主活动的“指挥部”。脊髓的老化可能导致多器官系统功能障碍，引发行动不便、心律失常、血压失调、胸闷气短等问题，是老年人多种慢病共存的重要诱因之一（图1）。图1.脊髓衰老与多种器官的退变密切相关（研究团队供图）尽管脊髓对于人体的各种生命活动至关重要，但我们对于脊髓衰老的机制仍知之甚少。哪些生物标志物能够指征脊髓衰老？脊髓衰老的驱动力是什么？能否开发出干预脊髓衰老的手段？一系列关键科学问题亟待解答。年10月31日，中国科学院动物研究所刘光慧课题组联合中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组、中国科学院动物研究所曲静课题组合作在Nature在线发表了题为CHIT1-positivemicrogliadrivemotorneuronagingintheprimatespinalcord的研究论文。该研究历时7年，通过综合运用单细胞核转录组、神经组织学、神经电生理等技术手段，发现一群全新的在年老的灵长类动物的脊髓中特异存在的CHIT1阳性小胶质细胞亚型，并将其命名为AIMoN-CPM（Aging-InducedMotorNeurontoxicCHIT1-PositiveMicroglia），这类细胞可以通过旁分泌CHIT1蛋白激活运动神经元中的SMAD信号，进而驱动运动神经元衰老，而补充维生素C可抑制脊髓运动神经元的衰老和退行。非人灵长类食蟹猴同人类的神经系统极为相似，尤其在两足行走和精细运动控制方面。因此，以食蟹猴作为研究模型，在理解人类自身的神经系统功能及干预神经退行性疾病方面具有特殊的优势。研究人员首先通过人工智能（AI）辅助的方式，发现年老猴的运动能力与年轻个体相比显著降低。进而借助神经组织学分析手段，研究人员证实运动神经元是脊髓中对衰老最为敏感的细胞类型，具体表现为细胞衰老相关标志物显著增加以及神经元功能的退行。为进一步揭示运动神经元老化的原因，研究人员绘制了一张详细的食蟹猴衰老脊髓单细胞转录组导航图。按图索骥，研究人员寻找到驱动运动神经元衰老的罪魁祸首，即一群在老年灵长类脊髓中特异性积累的CHIT1高表达的激活型小胶质细胞（AIMoN-CPM）。通过组织病理学、细胞生物学和分子生物学分析，研究人员发现AIMoN-CPM倾向于聚集在衰老的运动神经元周围，并通过旁分泌CHIT1蛋白激活周边运动神经元中的SMAD信号，进而驱动后者的衰老和退行（图2-3）。图2：衰老灵长类脊髓中AIMoN-CPM小胶质细胞（红色）在运动神经元轴突（绿色）处聚集图3：衰老脊髓运动神经元被AIMoN-CPM小胶质细胞所“围攻”（研究团队供图）进一步研究发现，CHIT1含量在老年人和猴的脑脊液和血清中均显著升高，提示CHIT1可以作为度量灵长类脊髓年龄的体液标志物。而利用手术机器人将CHIT1注射到猴的脑脊液中可以触发脊髓运动神经元衰老及轴突传导功能障碍，进而损伤机体运动能力。接下来，研究团队建立了人类运动神经元与微环境的体外互作模型，并利用该模型揭示老年个体的脑脊液能以CHIT1依赖的方式诱导人类运动神经元衰老。针对CHIT1的中和抗体可以有效阻断老年脑脊液的促神经元衰老活性，显示出CHIT1作为靶点应用于延缓运动神经元衰老的潜力。更为重要的是，研究人员基于人类运动神经元与微环境的体外互作模型进行药物筛选时，发现维生素C能有效抑制CHIT1诱导的运动神经元衰老。进一步，非人灵长类体内实验表明，三年维生素C的口服用药可以明显改善老年食蟹猴脊髓运动神经元的衰老表型（图4）。图4.灵长类脊髓衰老全景图综上，该研究首次系统刻画了灵长类脊髓衰老的表型、病理及细胞分子特征，并揭示了一种可促进运动神经元衰老的新型小胶质细胞AIMoN-CPM。CHIT1不仅介导了AIMoN-CPM对运动神经元的毒性作用，而且可以作为一种度量人类脊髓衰老程度的体液标志物。更为重要的是，该研究创新性地建立了人类运动神经元-微环境互作研究体系，为开展人类神经系统衰老研究及相关的药物评价提供了新范式。鉴于脊髓运动神经元对于遍布全身的包括骨骼肌、平滑肌和心肌在内的肌肉系统的指挥调控作用，加深对灵长类脊髓衰老机制的认识无疑会深化学术界对人类多种器官退变规律的理解。AIMoN-CPM和CHIT1的发现，为理解脊髓衰老及老年群体多种慢病共存开辟了新的科学疆域，以AIMoN-CPM和CHIT1为靶标，或可为延缓人类脊髓衰老、实现老年共病的积极防控带来新的希望。未来围绕着AIMoN-CPM、CHIT1与脊髓衰老，将会涌现出更多的科学问题，例如：是否可以通过定量检测脑脊液和血清中的CHIT1含量来评价人类的“脊髓年龄”？其含量在增龄过程中是否存在关键的拐点？CHIT1在人类基因组中编码序列是否具有遗传多态性？这种多态性是否是个体间脊髓健康和衰老差异的原因？CHIT1是否可以通过体液作用于其他器官或细胞类型，并触发其衰老？AIMoN-CPM和CHIT1能否成为肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）等脊髓退行性疾病的驱动力和生物标志？它们在灵长类脊髓损伤修复过程中是否也发挥作用？靶向CHIT1的中和抗体、siRNA或反义寡核苷酸（ASO）能否成为延缓脊髓衰老或治疗脊髓退行性疾病的策略？由于脊髓作为“指挥部”控制着机体重要器官的自主运动功能，对脊髓衰老的干预可否实现多种慢病的防治？除了维生素C，是否还有其他小分子药物可以延缓灵长类脊髓衰老？期待随着科学和技术手段的不断革新，这些谜题将得以逐一解开。中国科学院动物研究所刘光慧研究员、中国科学院北京基因组研究所张维绮研究员和中国科学院动物研究所曲静研究员为文章的共同通讯作者。中国科学院动物研究所、医院孙淑慧“致一”研究员、中国科学院北京基因组研究所博士研究生李嘉明、医院王思研究员、中国科学院动物研究所、医院李静宜“致一”研究员、中国科学院北京基因组研究所任捷研究员、首都医科大学孙乐研究员、医院保肇实副教授、中国科学院自动化研究所马喜波研究员为文章的并列第一作者。医院孙亮教授、医院江涛教授、医院赵国光教授、北京师范大学王晓群教授、医院黎健教授、第三军医大学王延江教授、浙江大学白戈研究员、中国科学院动物研究所刘长梅研究员和滕兆乾研究员的指导及支持。专家点评刘德培（中国医学科学院基础医学研究所，中国工程院院士）陈厚早（中国医学科学院基础医学研究所，研究员）生命的衰老是一种极为复杂的过程，涉及多个方面，包括再生能力的下降而阻碍机体稳态的恢复，以及炎症水平的升高扰乱机体正常生理状态，降低个体对抗外界侵扰的能力。从衰老四层（分子、细胞、器官和个体）假说来看，这是不同层次间相互作用产生的结果。就个体层面来看，个体衰老的重要体现之一是运动能力的衰退。脊髓作为连接大脑和周围神经的桥梁，在维持生命以及控制躯干和外周反射方面发挥着至关重要的作用。然而，衰老对脊髓的影响在很大程度上是未知的。在较低等的生物中，几丁质（Chitin）是甲壳结构的主要成分，它是自然界中最丰富的多糖之一。几丁质能够通过几丁质酶（chitinase）的水解在较低等动物的变态发育中参与机体自身骨架和细胞基质的重构。不同于较低等生物，哺乳动物无法合成几丁质，但却在进化上保留了几丁质酶。CHIT1是哺乳动物中第一个被发现的几丁质酶，在体内，几丁质与CHIT1的亲和力非常高。CHIT1基因缺陷的小鼠几乎没有任何发育缺陷，但针对具有几丁质抗原的病原生物的抵抗力却显著下降了。CHIT1不仅作为一种外分泌酶发挥作用，还能作为一种信号分子激活周围细胞的固有免疫反应。因此，CHIT1不仅是一种对抗几丁质病原（如真菌外壳）的酶，也是一种促炎的信号分子。在哺乳动物的肠道和肺部等与外界环境密切接触的部位，被激活的巨噬细胞高表达CHIT1，从而促进感染相关的肺纤维化、组织炎症以及损伤。因此CHIT1与感染性疾病的发展和恶化有着极为密切的联系。作为人体内主要的几丁质酶之一，CHIT1在正常情况下在循环系统中的浓度通常很低，但在疾病状态下，可以数千倍地激活。一些研究显示，CHIT1在衰老相关疾病（如糖尿病、慢性炎症、内皮和血管疾病等）中均有贡献，因此其在循环系统中的升高可以作为这些疾病的指征之一。然而，除了在肺部和肠道表达外，CHIT1在脑部也维持着低水平的生理性表达，并参与脑白质的髓鞘形成过程。而且近年来的研究显示，脑脊液中的CHIT1的升高与多种神经退行性疾病密切相关，并且能够作为一种生物标志物预测神经退行性疾病的类型和程度。这提示我们，CHIT1在衰老过程中可能也发挥着重要作用。然而，神经系统的衰老是复杂的，目前，开展关于神经系统衰老过程的研究也缺少适当的范式。中国科学院动物研究所刘光慧研究员率领的联合研究团队利用单核转录组测序技术联合行为学和神经生理学分析，从单细胞层面解析了非人灵长类动物的脊髓衰老特征，揭示了运动神经元衰老和神经炎症与小胶质细胞的过度激活是脊髓衰老的重要因素。该研究进一步发现了一群高表达CHIT1的具有神经毒性的小胶质细胞（AIMoN-CPM细胞），该群细胞主要定位于老年脊髓中的运动神经元周围，并通过激活SMAD信号导致衰老。最后，该研究证明抗坏血酸（维生素C）能够抵消CHIT1的促衰老作用，减轻老年猴子的运动神经元衰老。未来，针对特定的小胶质细胞亚群或CHIT1进行靶向治疗，有望成为延缓脊髓衰老、增强运动神经元功能的新策略。同时该研究也为我们提出了更多的问题，首先，AIMoN-CPM细胞是如何被激活的，这将揭示神经系统衰老的始动规律究竟是命定还是随机事件。长期以来，关于中枢神经系统衰老及相关疾病发生的争论一直未停止。有报道称，AD患者脑片中检测出真菌抗原几丁质及几丁质样多糖，而AD患者中是否存在AIMoN-CPM细胞，及CHIT1对认知功能的影响有待阐明。作为一种急性期激活的反应物，CHIT1可以促进包括神经细胞在内的多种细胞发生表型转换，例如小胶质细胞的极化等，从而促进炎症发生，并与不良预后相关。然而，迄今为止，关于年老导致的认知功能损害是由微生物感染还是神经自身免疫紊乱导致的，这个问题仍然没有明确答案。其次，本研究中生理性衰老小鼠模型中，无论脊髓还是大脑，都没有检测到CHIT1阳性的小胶质细胞亚群，这提示利用小鼠构建经典模型研究神经系统衰老及相关退行性疾病（譬如AD）可能存在局限性。而采用灵长类动物作为模型则具有极大的应用价值和转化价值。总之，该项研究为我们揭示了灵长类脊髓衰老的全新路径，提示我们脑脊液中的CHIT1具备作为评价脊髓衰老标志物的巨大潜力。那么，在体外构建的神经类器官模型中，几丁质能否诱发神经血管单元（neurovascularunit）的衰老，有助于我们进一步探索脊髓衰老的新机制。专家点评季维智（昆明理工大学，中国科学院院士）牛昱宇（昆明理工大学，教授）在运动控制系统中，脊髓作为连接脑和外周神经的高级运动中枢以及低级中枢节段性整合输入和输出信息，控制运动输出的最后环节，在运动产生中发挥着重要作用。脊髓特别是脊髓运动神经元病变可引起严重的运动功能减退甚至运动失能。目前，围绕运动控制相关神经系统衰老的研究，特别是脊髓以及其中的运动神经元随衰老变化的研究较为有限，灵长类特异的脊髓衰老研究更是乏有报道。中国科学院动物研究所刘光慧课题组、曲静课题组与中国科学院北京基因组研究所张维绮课题组合作在Nature在线发表了题为CHIT1-positivemicrogliadrivemotorneuronagingintheprimatespinalcord的研究论文。首次在衰老的灵长类脊髓中鉴定出了一类CHIT1高表达的具有神经毒性的小胶质细胞，并发现该类小胶质细胞高度倾向于聚集在在衰老的运动神经元附近。进而揭示其作用机制为通过CHIT1激活SMAD信号通路从而驱动运动神经元的衰老和退行。研究团队进一步通过增加和阻断CHIT1作用的方式调控脊髓衰老的程度，从而从细胞到动物个体层面证实了该通路的重要作用。该研究建立的灵长类脊髓衰老的单细胞图谱为脊髓衰老相关研究提供了重要参考数据，发现的这类在灵长类脊髓衰老中特异存在的特殊小胶质细胞或为干预神经衰老和退行提供新的靶标，所建立的神经组织微环境调控体系为衰老研究和药物开发提供了很好的模型。强烈支持该研究的是，脊髓神经元退行性病变如肌萎缩侧索硬化、多发性硬化症等的病理组织中常出现明显的神经炎性变化，以小胶质细胞增生及其细胞形态和转录谱变化为主，而这些增生、失调的小胶质细胞亦可成为介导疾病发生的重要因素。对这类病人的组织和脑脊液的检测发现，Chitinases家族的成员如Chitotriosidase(CHIT-1)，chitinase-3-likeprotein1(CHI3L1)，chitinase-3-likeprotein2(CHI3L2)等通常会有异常的改变，被认为是极具潜力的疾病生物标志物。该研究首次从衰老的角度建立了灵长类脊髓小胶质细胞失调、CHIT1升高与运动神经元退变之间的因果联系，并解析其详细机制，具有很强的创新性，为运动神经元的退行规律提供了更普遍更本质的认识。灵长类动物的运动行为模式和运动控制系统的组织结构与人类高度相似，因此这项基于灵长类模型研究的又一重要发现，凸显了灵长类动物模型在人类重大疾病研究中重要意义，也有利于相关成果的临床转化。专家点评卞修武（医院全军病理学研究所，中国科学院院士）脊髓运动神经元“桥接”大脑和周围神经，在运动支配和脏器调节乃至主要生命活动维持中承担重要任务。人体器官随增龄而衰老，即可谓之“生理性衰老”的表现。人们希望研究和利用这些跨系统、多器官、异质性、不确定的衰老综合“指标”或“标志物”评估机体状态、预测衰老进程、鉴别病理过程和探寻干预措施。对于神经元这一高度分化、特定功能的永久细胞（permanentcell），我们还很难理解其在老龄者稳态与衰老、生理与病理的精确界限，尽管已经深入研究了它们的发育规律、连结基础、信息传递、物质沉积、功能衰退、修复再生和分化编程。脊髓作为中枢神经系统的一部分，也作为特殊部位的柔弱成分，其生理“寿命”、功能状态、损伤机制和衰老调控需要更多
