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中科院腦科學與智能技術卓越中心(神經科學研究所)杜久林研究組發現大腦三維血管網絡形成的細胞和分子機制

發布時間:2020-08-22

  2020821,《Neuron》期刊在線發表了中國科學院腦科學與智能技術卓越中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組題為《Piezo1通道介導的鈣離子活動調控發育過程中大腦血管的路徑選擇》的研究論文。大腦發育過程中,血管的路徑選擇對腦血管三維網絡的形成至關重要。該研究以斑馬魚為模型,發現了大腦血管內皮頂端細胞分支上機械敏感通道Piezo1介導的鈣離子活動的頻率高低決定了頂端細胞分支的收縮或伸長的命運,從而決定血管生長的路徑選擇和腦血管三維網絡的形成模式。 

  為了探索內皮頂端細胞路徑選擇的細胞分子機制,研究人員首先通過在體長時程成像,實時觀察幼年斑馬魚腦部內皮頂端細胞在發育過程中的細胞形態和鈣離子活動的動態變化,發現內皮頂端細胞不斷地伸出動態性很強的亞細胞分支,發生縮回的分支被淘汰直至完全消失,而發生伸長的分支被穩定下來,進而決定了內皮頂端細胞的生長方向。有趣的是,研究人員發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鈣離子活動。其中,高頻鈣離子活動與頂端細胞分支的收縮密切相關,而低頻鈣離子活動則與分支的伸長相關。進一步地,研究人員通過阻斷或誘導局部鈣離子活動,證明了高、低頻鈣離子活動分別決定了頂端細胞分支收縮和伸長的命運。研究人員進而對局部鈣活動的來源進行探究,發現機械敏感性陽離子通道Piezo1介導了頂端細胞局部鈣活動的產生和相應分支的生長命運; 敲除 piezo1可導致斑馬魚大腦血管頂端細胞分支上鈣活動的減少、頂端細胞路徑選擇缺陷和大腦三維血管網絡發育異常。最后,研究人員發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-鈣離子活動誘發的頂端細胞分支的收縮或伸長的命運。該工作首次闡明了大腦三維血管發育過程中機械敏感通道Piezo1及其下游的鈣離子活動對內皮頂端細胞的路徑選擇的重要作用。 

  杜久林實驗室前期工作發現(PLoS Biology,2012,10: e1001375),發育過程中,大腦血管三維網絡形成后,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,從而簡化在幾何尺度上不斷增長的腦血管三維網絡,提高腦血流效率。這兩個系列工作,從血管生長和修剪這兩個-側面,系統揭示了大腦血管三維網絡的形成機制。 血管發育主要是通過血管新生的方式,持續地從已存在的血管上生長出新的血管分支,從而形成一個復雜但有序的三維血管網絡。血管內皮頂端細胞位于血管生長錐的前端,不斷地從其尖端處伸出多個動態變化的亞細胞分支及濃密的絲狀偽足,探索周圍的組織微環境,并引領血管生長錐向其靶標血管生長,該過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重要,它決定了血管生長的路徑,是決定各器官組織中(包括大腦)三維血管網絡模式形成的關鍵。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)幼年斑馬魚大腦三維血管網絡的共聚焦顯微成像圖片:紅色顯示腦血管網絡。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,從而決定內皮頂端細胞的路徑選擇以及三維腦血管網絡的模式。 

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