發(fā)布時(shí)間：2020-08-22
2020年8月21日，《Neuron》期刊在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室杜久林研究組題為《Piezo1通道介導的鈣離子活動(dòng)調控發(fā)育過(guò)程中大腦血管的路徑選擇》的研究論文。大腦發(fā)育過(guò)程中，血管的路徑選擇對腦血管三維網(wǎng)絡(luò )的形成至關(guān)重要。該研究以斑馬魚(yú)為模型，發(fā)現了大腦血管內皮頂端細胞分支上機械敏感通道Piezo1介導的鈣離子活動(dòng)的頻率高低決定了頂端細胞分支的收縮或伸長(cháng)的命運，從而決定血管生長(cháng)的路徑選擇和腦血管三維網(wǎng)絡(luò )的形成模式。
為了探索內皮頂端細胞路徑選擇的細胞分子機制，研究人員首先通過(guò)在體長(cháng)時(shí)程成像，實(shí)時(shí)觀(guān)察幼年斑馬魚(yú)腦部?jì)绕ろ敹思毎诎l(fā)育過(guò)程中的細胞形態(tài)和鈣離子活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現內皮頂端細胞不斷地伸出動(dòng)態(tài)性很強的亞細胞分支，發(fā)生縮回的分支被淘汰直至完全消失，而發(fā)生伸長(cháng)的分支被穩定下來(lái)，進(jìn)而決定了內皮頂端細胞的生長(cháng)方向。有趣的是，研究人員發(fā)現腦血管內皮頂端細胞的分支上呈現不同頻率的局部自發(fā)鈣離子活動(dòng)。其中，高頻鈣離子活動(dòng)與頂端細胞分支的收縮密切相關(guān)，而低頻鈣離子活動(dòng)則與分支的伸長(cháng)相關(guān)。進(jìn)一步地，研究人員通過(guò)阻斷或誘導局部鈣離子活動(dòng)，證明了高、低頻鈣離子活動(dòng)分別決定了頂端細胞分支收縮和伸長(cháng)的命運。研究人員進(jìn)而對局部鈣活動(dòng)的來(lái)源進(jìn)行探究，發(fā)現機械敏感性陽(yáng)離子通道Piezo1介導了頂端細胞局部鈣活動(dòng)的產(chǎn)生和相應分支的生長(cháng)命運; 敲除 piezo1可導致斑馬魚(yú)大腦血管頂端細胞分支上鈣活動(dòng)的減少、頂端細胞路徑選擇缺陷和大腦三維血管網(wǎng)絡(luò )發(fā)育異常。最后，研究人員發(fā)現鈣激活的蛋白水解酶 Calpain和一氧化氮合成酶(NOS)信號通路分別介導了Piezo1-鈣離子活動(dòng)誘發(fā)的頂端細胞分支的收縮或伸長(cháng)的命運。該工作首次闡明了大腦三維血管發(fā)育過(guò)程中機械敏感通道Piezo1及其下游的鈣離子活動(dòng)對內皮頂端細胞的路徑選擇的重要作用。
杜久林實(shí)驗室前期工作發(fā)現（PLoS Biology，2012，10: e1001375），發(fā)育過(guò)程中，大腦血管三維網(wǎng)絡(luò )形成后，局部腦血管中血流的降低和變異引起血管內皮細胞的遷移，導致所在血管消失，從而簡(jiǎn)化在幾何尺度上不斷增長(cháng)的腦血管三維網(wǎng)絡(luò )，提高腦血流效率。這兩個(gè)系列工作，從血管生長(cháng)和修剪這兩個(gè)“陰-陽(yáng)”側面，系統揭示了大腦血管三維網(wǎng)絡(luò )的形成機制。 血管發(fā)育主要是通過(guò)血管新生的方式，持續地從已存在的血管上生長(cháng)出新的血管分支，從而形成一個(gè)復雜但有序的三維血管網(wǎng)絡(luò )。血管內皮頂端細胞位于血管生長(cháng)錐的前端，不斷地從其尖端處伸出多個(gè)動(dòng)態(tài)變化的亞細胞分支及濃密的絲狀偽足，探索周?chē)慕M織微環(huán)境，并引領(lǐng)血管生長(cháng)錐向其靶標血管生長(cháng)，該過(guò)程即為血管內皮頂端細胞的路徑選擇。因此，頂端細胞的路徑選擇至關(guān)重要，它決定了血管生長(cháng)的路徑，是決定各器官組織中（包括大腦）三維血管網(wǎng)絡(luò )模式形成的關(guān)鍵。然而，目前我們對頂端細胞路徑選擇的機制仍知之甚少。
這項工作是在杜久林研究員指導下，主要由博士研究生劉亭亭完成，杜旭飛博士、張白冰博士、訾化星、嚴勇、尹江安博士、侯晗博士、顧珊燁博士、陳奇博士也做出了重要的貢獻。該工作得到中科院和上海市的資助。
圖注：（左邊）幼年斑馬魚(yú)大腦三維血管網(wǎng)絡(luò )的共聚焦顯微成像圖片：紅色顯示腦血管網(wǎng)絡(luò )。箭頭指示內皮頂端細胞。（右邊）內皮頂端細胞的路徑選擇機制模式圖：機械敏感鈣離子通道Piezo1介導的高頻和低頻的亞細胞鈣離子活性分別通過(guò)蛋白酶Calpain或一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS) 控制內皮頂端細胞分支的收縮或伸長(cháng)，從而決定內皮頂端細胞的路徑選擇以及三維腦血管網(wǎng)絡(luò )的模式。
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