Ein institutsübergreifendes Forschungsteam unter der Leitung von BGI-Research hat mithilfe der Stereo-seq-Technologie von BGI den weltweit ersten räumlich-zeitlichen Zellatlas der Gehirnentwicklung und -regeneration des Axolotl (Ambystoma mexicanum) erstellt, der aufzeigt, wie sich eine Gehirnverletzung selbst heilen kann. Die Studie wurde als Titelgeschichte in der aktuellen Ausgabe von veröffentlicht Wissenschaft.
Das Forschungsteam analysierte die Entwicklung und Regeneration des Salamandergehirns, identifizierte die wichtigsten neuralen Stammzelluntergruppen im Prozess der Salamandergehirnregeneration und beschrieb die Rekonstruktion geschädigter Neuronen durch solche Stammzelluntergruppen. Gleichzeitig fand das Team auch heraus, dass die Regeneration und Entwicklung des Gehirns gewisse Ähnlichkeiten aufweisen, die die kognitive Gehirnstruktur und -entwicklung unterstützen und gleichzeitig neue Richtungen für die Erforschung der regenerativen Medizin und die Behandlung des Nervensystems aufzeigen.
Im Gegensatz zu Säugetieren haben einige Wirbeltiere die Fähigkeit, mehrere Organe zu regenerieren, einschließlich Teilen des zentralen Nervensystems. Unter ihnen kann der Axolotl nicht nur Organe wie Gliedmaßen, Schwanz, Augen, Haut und Leber regenerieren, sondern auch das Gehirn. Der Axolotl ist im Vergleich zu anderen Knochenfischen wie dem Zebrafisch evolutionär fortgeschritten, und sein Gehirn weist eine größere Ähnlichkeit mit der Gehirnstruktur von Säugetieren auf. Daher wurde in dieser Studie der Axolotl als idealer Modellorganismus für die Erforschung der Gehirnregeneration verwendet.
Frühere Forschungen haben nur teilweise charakterisiert, welche Zellen und Bahnen an der Gehirnregeneration beteiligt sind. In dieser Studie verwendeten die Forscher die Stereo-seq-Technologie von BGI, um eine räumlich-zeitliche Karte der Salamander-Gehirnentwicklung über sechs wichtige Entwicklungsperioden mit Einzelzellauflösung zu erstellen, die die molekularen Eigenschaften verschiedener Neuronen und dynamische Änderungen in der räumlichen Verteilung zeigt. Die Forscher fanden heraus, dass neurale Stammzell-Subtypen, die sich im frühen Entwicklungsstadium in der Region der ventrikulären Zone befinden, schwer zu unterscheiden sind, begannen sich jedoch ab dem Jugendstadium auf räumliche regionale Merkmale zu spezialisieren. Diese Entdeckung legt nahe, dass verschiedene Subtypen während der Regeneration unterschiedliche Funktionen übernehmen können.
Durch Entnahmen aus dem Gehirn zu sieben Zeitpunkten (2, 5, 10, 15, 20, 30 und 60 Tage) nach einer Verletzung des kortikalen Bereichs des Salamandergehirns konnten die Forscher die Zellregeneration analysieren.
Im frühen Stadium der Verletzung begannen neue neurale Stammzellsubtypen im Wundbereich zu erscheinen, und am 15. Tag traten im verletzten Bereich teilweise Gewebeverbindungen auf. An den Tagen 20 und 30 beobachteten die Forscher, dass die Wunde mit neuem Gewebe gefüllt war , aber die Zellzusammensetzung unterschied sich signifikant von dem nicht verletzten Bereich. Am Tag 60 waren die Zelltypen und die Verteilung wieder auf den gleichen Status wie im nicht verletzten Bereich zurückgekehrt.
Durch den Vergleich der molekularen Veränderungen während der Entwicklung und Regeneration des Salamandergehirns stellten die Forscher fest, dass der Bildungsprozess von Neuronen sowohl während der Entwicklung als auch während der Regeneration sehr ähnlich ist. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass eine Hirnverletzung neurale Stammzellen dazu veranlassen kann, sich in einen frühen Entwicklungszustand umzuwandeln, um den Regenerationsprozess einzuleiten.
„Unter Verwendung von Axolotl als Modellorganismus haben wir Schlüsselzelltypen im Prozess der Gehirnregeneration identifiziert. Diese Entdeckung wird neue Ideen und Leitlinien für die regenerative Medizin im Nervensystem von Säugetieren liefern“, erklärte Dr. Yin Gu, Mitautor der Papier, stellvertretender Leiter der BGI-Forschung.
„Das Gehirn ist ein komplexes Organ mit miteinander verbundenen Neuronen. Daher ist es ein Hauptziel der regenerativen Medizin des zentralen Nervensystems, nicht nur die räumliche Struktur von Neuronen zu rekonstruieren, sondern auch die spezifischen Muster ihrer Verbindungen innerhalb des Gewebes zu rekonstruieren ist es wichtig, die 3D-Struktur des Gehirns zu rekonstruieren und die systemischen Reaktionen zwischen Gehirnregionen während der Regeneration in der zukünftigen Forschung zu verstehen.“
Neben BGI, Forschern aus China, den Vereinigten Staaten und Dänemark, darunter das Guangdong Provincial People’s Hospital, die South China Normal University, die Wuhan University, die School of Life Sciences der University of Chinese Academy of Sciences, das Shenzhen Bay Laboratory, das Whitehead Institute, die University aus Kopenhagen und andere Institute nahmen an dieser Studie teil, die eine ethische Genehmigung erhielt und im Labor gezüchteten Axolotl verwendete.
Xiaoyu Wei et al., Single-cell Stereo-seq enthüllt induzierte Vorläuferzellen, die an der Axolotl-Gehirnregeneration beteiligt sind, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abp9444
Bereitgestellt von der BGI Group