神経再生

神経再生とは、神経組織、細胞、または細胞産物の再生または修復である。神経再生のメカニズムには、新しいニューロン、グリア、軸索、ミエリン、またはシナプスの生成が含まれる。神経再生は、特に修復の範囲と速度において、関与する機能メカニズムによって、末梢神経系（PNS）と中枢神経系（CNS）で異なる。軸索が損傷すると、遠位セグメントはワラー変性を起こし、ミエリン鞘を失う。近位セグメントは、アポトーシスによって死ぬか、修復の試みである染色体溶解反応を起こす。CNSでは、グリア足突起が死んだシナプスに侵入すると、シナプス剥離が起こる。^[1]

神経系の損傷は、毎年9万人以上に影響を与えています。^[2] 脊髄損傷だけでも、毎年推定1万人が影響を受けています。^[3]神経損傷の発生率が高いため、神経組織工学のサブフィールドである神経再生と修復は、損傷後の神経機能を回復する新しい方法の発見に特化した急速に成長している分野になりつつあります。

神経科医は、神経系を中枢神経系（脳と脊髄から構成される）と末梢神経系（頭蓋神経と脊髄神経およびそれらの関連神経節から構成される）の２つに分類している。末梢神経系には修復と再生の固有の能力があるのに対し、中枢神経系は、ほとんどの場合、自己修復と再生ができない。現在、中枢神経系^{[アップデート]}の損傷後に人間の神経機能を回復させる治療法はない。^[4] PNS-CNS移行における神経再生の試みは複数回行われたが、成功していない。^[4]中枢神経系の再生に関する知識が単純に十分ではない。さらに、末梢神経系には再生能力があるが、最大の再生能力を得るために環境を最適化するには、まだ多くの研究を行う必要がある。神経再生は、多発性硬化症を含む多くの疾患の発症機序の一部であるため、臨床的に重要である。

末梢神経系（PNS）における神経再生は、かなりの程度まで進行している。^{[5] [6]}軸索が損傷すると、末梢ニューロンはさまざまなシグナル伝達経路を活性化し、これが成長促進遺伝子をオンにして、機能的な成長円錐の再形成と再生につながる。これらの軸索の成長は、シュワン細胞から分泌される走化性因子によっても制御されている。末梢神経系が損傷すると、再生を阻害する損傷組織などの残骸を除去するために、食細胞、シュワン細胞、マクロファージが直ちに損傷部位に移動する。神経軸索が切断されると、細胞体にまだ付着している端は近位節と呼ばれ、もう一方の端は遠位節と呼ばれる。損傷後、近位端は腫れて逆行性変性を経験するが、残骸が除去されると軸索が発芽し、成長円錐の存在が検出される。近位軸索は、細胞体が損傷を受けておらず、神経内膜（神経内膜管またはチャネルとも呼ばれる）内のシュワン細胞と接触している限り、再生することができます。ヒトの軸索の成長速度は、小さな神経で2 mm/日、大きな神経で5 mm/日に達します。 ^[4]しかし、遠位セグメントは、損傷後数時間以内にワーラー変性を起こします。軸索とミエリンは変性しますが、神経内膜は残ります。再生の後期段階では、残った神経内膜管が軸索の成長を正しいターゲットに戻します。ワーラー変性の間、シュワン細胞は神経内膜管に沿って整然とした列状に成長し、神経内膜チャネルを保護し保持するビュングナー細胞の帯を形成します。また、マクロファージとシュワン細胞は、再成長を促進する 神経栄養因子を放出します。

末梢神経系の損傷とは異なり、中枢神経系の損傷では広範な再生は起こらない。再生はグリア細胞および細胞外環境の阻害的影響によって制限される。敵対的で非許容的な成長環境は、ミエリン関連阻害因子、アストロサイト、オリゴデンドロサイト、オリゴデンドロサイト前駆細胞、およびミクログリアの移動によって部分的に作り出される。特に外傷後の中枢神経系内の環境は、ミエリンおよびニューロンの修復を妨げる。成長因子は発現または再発現されない。例えば、細胞外マトリックスにはラミニンが欠けている。グリア瘢痕が急速に形成され、グリアは実際に再髄鞘形成および軸索修復を阻害する因子を生成する。例えば、NOGOおよびNI-35。^{[6] [7] [8]}軸索自体も、とりわけ GAP43発現の減少により、加齢とともに成長の可能性を失う。

遠位節の変性が末梢神経系よりも遅いことも、抑制性のミエリンや軸索の破片が速やかに除去されないため、抑制性の環​​境の一因となっている。これらの要因はすべて、軸索が成長できないグリア瘢痕の形成に寄与している。 ^[9]近位節は損傷後に再生しようとするが、その成長は環境によって妨げられる。中枢神経系の軸索は許容環境で再生することが証明されていることに注意することが重要である。したがって、中枢神経系の軸索再生の主な問題は、抑制性の損傷部位を越えるか、または除去することである。^[4]もう1つの問題は、中枢神経系のニューロンの形態と機能特性が非常に複雑であるため、機能的に同一のニューロンを別のタイプのニューロンに置き換えることができないことである（リナスの法則）。^[10]

転写因子、遺伝子の活性化（CRISPR活性化^[11]を使用）、または小分子がグリアをニューロンに再プログラムする ために使用されます。

最も一般的に標的とされるグリア細胞はアストロサイト（通常はGFAPを使用）であり、これはニューロンと同じ系統と領域特異的な転写シグネチャを共有しているためである^[11] 。一方、使用されるベクターは通常アデノ随伴ウイルスであり、これは一部の血清型が血液脳関門を通過して疾患を引き起こさないためである。

標的遺伝子は通常、求めるニューロンの種類によって異なります（NGN2はグルタミン酸作動性、ASCL1：GABA作動性などを生成することが知られています）。RBPJ-kはNotch経路を阻害し、神経プログラムを誘発します^[12] 。また、Sox2は、ニューロンとして成熟する前に脱分化と自己増幅段階を引き起こすことで、再プログラミングの効率を高めることもできます。

これらの技術は、他の方法では治癒不可能な多くの神経変性疾患や脳損傷の動物モデルにおいて大きな期待が寄せられていますが、 2023年時点では臨床試験は開始されていません。

末梢神経が切断または分断されている場合は、手術を行うことがあります。これは末梢神経再建術と呼ばれます。損傷した神経を特定して露出させ、損傷レベルの上下の正常な神経組織を、通常は拡大鏡または手術用顕微鏡を使用して検査します。圧迫損傷や伸展損傷などで神経の大きな部分が損傷している場合は、より広い範囲で神経を露出させる必要があります。神経の損傷部分は除去されます。切断された神経終末は、非常に細い縫合糸を使用して慎重に再接近されます。神経の修復は健康な組織で覆う必要があり、皮膚を閉じるだけの簡単なものもあれば、神経を健康なパッドで覆うために皮膚や筋肉を動かす必要があるものもあります。^[13]使用する麻酔の種類は、損傷の複雑さによって異なります。外科用止血帯がほぼ常に使用されます。^[13]

切断された末梢神経の外科的修復後の期待は、いくつかの要因によって異なります。

• 年齢: 外科的修復後の神経の回復は、主に患者の年齢に依存します。幼い子供は、ほぼ正常の神経機能を回復することができます。対照的に、手の神経が切断された60歳以上の患者は、保護感覚、つまり熱さ/冷たさや鋭さ/鈍さを区別する能力のみが回復すると予想されます。^[13]
• 損傷のメカニズム：ナイフによる傷のような鋭い損傷は、神経のごく短い部分のみを損傷するため、直接縫合することができます。対照的に、伸張や圧迫によって分断された神経は、長い部分にわたって損傷を受ける可能性があります。これらの神経損傷は治療がより困難で、一般的に予後は悪くなります。さらに、骨、筋肉、皮膚の損傷などの関連損傷は、神経の回復をより困難にする可能性があります。^[13]
• 損傷のレベル:神経が修復された後、再生神経終末は目標まで成長しなければなりません。例えば、通常は親指に感覚を与える手首で損傷した神経は、感覚を与えるために親指の先まで成長しなければなりません。神経が成長しなければならない距離が長くなると、機能の回復は遅くなります。^[13]

現在、自家神経移植、または神経自家移植は、末梢神経系の大きな病変の隙間を修復するために使用される臨床治療のゴールドスタンダードとして知られています。神経が緊張した状態で修復されないことが重要です。^[13]そうしないと、切断端が隙間を越えて再び接近した場合に緊張状態になる可能性があります。神経セグメントを体の別の部分（ドナー部位）から採取し、病変に挿入して、隙間を越えた軸索再生のための神経内膜チューブを提供します。ただし、これは完璧な治療法ではなく、多くの場合、結果は限られた機能回復にすぎません。また、ドナー部位で部分的な神経支配の喪失が頻繁に発生し、組織を採取して移植するために複数回の手術が必要になります。

適切な場合には、近くのドナー神経を利用して損傷神経に神経支配を供給できる。ドナーへの外傷は、端側修復と呼ばれる技術を利用することで最小限に抑えることができる。この処置では、ドナー神経に神経上膜窓を作り、損傷神経の近位断端をその窓の上に縫合する。再生する軸索は断端に向けられる。この技術の有効性は、ドナーに対して行われる部分的神経切除の程度に部分的に依存し、神経切除の程度が増すと損傷神経内の軸索再生が増加するが、結果としてドナーの障害が増加する。^[14]

いくつかの証拠は、可溶性神経栄養因子を自家神経移植部位に局所的に送達すると、移植片内の軸索再生が促進され、麻痺した標的の機能回復が促進される可能性があることを示唆している。^{[15] [16]}他の証拠は、遺伝子治療によって標的筋肉自体内で神経栄養因子の発現が誘導され、軸索再生を促進することもできることを示唆している。^{[17] [18]}神経再生を促進し、神経支配を失った標的の再神経支配を行うことは、筋萎縮による永久麻痺の可能性を減らすために極めて重要である。

神経自家移植のバリエーションには、同種移植と異種移植があります。同種移植では、移植片の組織は別の人、つまりドナーから採取され、レシピエントの体内に移植されます。異種移植では、別の種のドナー組織を採取します。同種移植と異種移植には自家移植と同じ欠点がありますが、それに加えて、免疫反応による組織拒絶も考慮する必要があります。これらの移植では、免疫抑制が必要になることがよくあります。別の人または動物から組織を導入する場合、病気の伝染も要因になります。全体的に、同種移植と異種移植は自家移植で見られる結果の質には匹敵しませんが、自己神経組織が不足している場合には必要です。

神経再生と修復の現在のゴールドスタンダードである自家移植から得られる機能は限られているため、最近の神経組織工学研究では、軸索の再生を誘導するためのバイオ人工 神経誘導導管の開発に焦点が当てられています。人工神経導管の作成は、神経末端と介在ギャップが生物学的または合成材料で構成されたチューブ内に囲まれているため、エンチュベーションとも呼ばれています。^[19]

研究の方向性としては、再髄鞘形成阻害タンパク質やその他の阻害因子を標的とする薬剤の使用が挙げられます。考えられる戦略としては、これらのタンパク質に対するワクチン接種（能動免疫）や、以前に作成した抗体による治療（受動免疫）などがあります。これらの戦略は、 MSのモデルである実験的自己免疫性脳脊髄炎（EAE）の動物モデルでは有望であるようです。^[20] NI-35やNOGOなどの阻害因子に対するモノクローナル抗体も使用されています。 ^[21]

グリア細胞の瘢痕形成は、神経系の損傷に続いて誘発されます。中枢神経系では、このグリア瘢痕形成により神経再生が著しく阻害され、機能喪失につながります。グリア瘢痕形成を促進し駆動するいくつかの分子ファミリーが放出されます。たとえば、形質転換成長因子B-1および-2、インターロイキン、サイトカインは瘢痕形成の開始に役割を果たします。損傷部位での反応性アストロサイトの蓄積と神経突起伸長を阻害する分子の上方制御は、神経再生の失敗に寄与します。^[22]上方制御された分子は、神経突起伸長の伸長を阻害することが示されている方法で細胞外マトリックスの組成を変更します。この瘢痕形成には、いくつかの細胞タイプと分子ファミリーが関与しています。

瘢痕誘発因子に反応して、アストロサイトはコンドロイチン硫酸プロテオグリカンの産生をアップレギュレーションします。アストロサイトは中枢神経系の主なグリア細胞であり、損傷の緩和、修復、グリア瘢痕形成など多くの機能を提供します。^[23] RhoA経路が関与しています。コンドロイチン硫酸プロテオグリカン（CSPG）は、損傷後に中枢神経系（CNS）でアップレギュレーションされることが示されています。グルクロン酸とガラクトサミンの反復二糖であるグリコサミノグリカン（CS-GAG）は、タンパク質コアCSPGに共有結合しています。CSPGはin vitroおよびin vivoで再生を阻害することが示されていますが、CSPGコアタンパク質とCS-GAGの役割は最近まで研究されていませんでした。

コンドロイチン硫酸プロテオグリカンと同様に、ケラタン硫酸プロテオグリカン (KSPG) の産生は、グリア瘢痕形成の一環として反応性アストロサイトでアップレギュレーションされます。KSPG は神経突起伸長を阻害し、神経再生を制限することも示されています。ケラタン硫酸はケラト硫酸とも呼ばれ、二糖ガラクトース単位と N-アセチルグルコサミンの繰り返しから形成されます。また、6-硫酸化されています。この硫酸化は、ケラタン硫酸鎖の伸長に不可欠です。N-アセチルグルコサミン 6-O-硫酸基転移酵素-1 欠損マウスを使用して研究が行われました。野生型マウスでは、皮質損傷部位で N-アセチルグルコサミン 6-O-硫酸基転移酵素-1 を発現する mRNA の顕著なアップレギュレーションが示されました。しかし、N-アセチルグルコサミン6-O-硫酸基転移酵素1欠損マウスでは、野生型マウスと比較してケラタン硫酸の発現が有意に減少した。同様に、N-アセチルグルコサミン6-O-硫酸基転移酵素1欠損マウスではグリア瘢痕形成が有意に減少し、その結果、神経再生の阻害が軽減された。^[22]

神経再生に影響を与えるオリゴデンドライトまたはグリア細胞残骸由来のタンパク質:

• NOGO –タンパク質ファミリーNogo、特にNogo-Aは、実験的自己免疫脳脊髄炎（EAE）や多発性硬化症（MS）などで見られるような自己免疫介在性脱髄において、中枢神経系における再髄鞘化の阻害剤として特定されています。Nogo Aは、未知の受容体を介してアミノNogo末端を介して、またはNgR1、 p75、TROY 、またはLINGO1を介してNogo-66末端を介して機能します。この阻害剤を拮抗すると、RhoA経路に関与しているため、再髄鞘化が改善されます。^[6]
• NI-35 はミエリン由来の非許容成長因子です。
• MAG –ミエリン関連糖タンパク質は、受容体 NgR2、GT1b、NgR1、p75、TROY、LINGO1 を介して作用します。
• OMgp –オリゴデンドロサイトミエリン糖タンパク質
• エフリンB3はEphA4受容体を介して機能し、再髄鞘形成を阻害する。^[6]
• セマ4D（セマフォリン4D）はプレキシンB1受容体を介して機能し、再髄鞘形成を阻害する。^[6]
• セマ3A （セマフォリン3A）は、中枢神経系^{[24] [25]}と末梢神経損傷^[26]の両方で形成される瘢痕に存在し、これらの瘢痕の成長抑制特性に寄与しています。

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