一位生物學家的神經膠質研究之路

我們的研究成果可能是一個作用更加廣泛的機制而不是特定針對某種疾病。

Beth Stevens圖片來源：Ken Richardson

2010年，神經生物學家Beth Stevens已經完成了從實驗員到明星科學家的轉變。時年40歲的她已經成為美國波士頓兒童醫院項目負責人。她有一個整潔、嶄新的實驗室，並帶領著一群熱愛科研的博士後研究員。她的履歷幾乎毫無瑕疵，她的名字屢次出現在頂級雜誌的論文作者中。

但與許多年輕科研人員一樣，Stevens擔心自己站在研究失敗的刀鋒上。與選擇小規模、易管理的項目不同，她將注意力投放在了那些與大腦和免疫系統有關的雄心勃勃的假設上。這些假設有助於揭示正常大腦發育和疾病產生。

儘管Stevens在斯坦福大學做博士後研究員時收集的初步數據很有希望，但其蘊含的信息仍模糊不清。「我在想，『如果我的模型只是一個模型，我會讓這些人失望』。」她說。

無論如何，Stevens和在斯坦福的導師Ben Barres一起，提出一種名為小神經膠質的腦細胞，在胚胎和稍後的發育期，能刪除神經元連接，以響應免疫系統補體經典途徑的信號。如果整個系統出現故障，就會導致小神經膠質刪除過多或過少的連接點（突觸），這可能會導致發育和退行性疾病。

自那時起，他們不斷獲得新發現。僅今年，Stevens和合作者已經在《科學》和《自然》雜誌發表文章，將補體系統和小神經膠質，與精神分裂、阿爾茨海默氏病及西尼羅病毒感染導致的認知問題等疾病聯繫在一起。Stevens表示，未來將研究亨丁頓舞蹈症。

儘管正如一些科學家說的那樣，此類研究可能不會有助於立刻產生療法，但到2017年年初，將開展針對青光眼和其他神經退行性疾病的阻礙大腦補體系統的抗體的臨床研究。

洪荒之力

Stevens有一頭捲曲的金髮和一雙銳利的藍眼睛。「她就像一杯濃縮咖啡。」Stevens曾在斯坦福的同事、北卡羅來納州杜克大學神經學家Cagla Eroglu說。在一塊大白板前，Stevens在塗抹著一些數據，「時刻追蹤她與14位博士後、研究生和技術員的研究動態」。

這時，Stevens實驗室的一個研究組可能正在尋找補體系統的分子觸發機制，另一組可能在觀察小神經膠質，其他人可能在弄清為何某些突觸更易被刪除。加州大學舊金山分校神經生物學家Eric Huang表示，Stevens提出的兵分多路的策略是明智的，既能確保實驗室產出，「也能為該領域打開許多新方向」。

透過辦公室的窗戶，Stevens幾乎能看到自己的故鄉布羅克頓（馬薩諸塞州）。她的父親是一位中學校長，而母親則是一名小學教師。「他們幾乎所有的朋友都是老師。」她說，「我想我的父母仍希望知道這裡發生了什麼。」

直到高三，Stevens才開始對科學感興趣。當時，她的大學預修生物課老師講述了自己在臨床微生物學實驗室工作的故事。儘管Stevens曾計劃當一名醫生，但她意識到自己更喜歡研究。「我並不真喜歡與患者互動，而是更喜歡找到他們的問題在哪裡。」

1993年，Stevens即將畢業，教授推薦她前往國立衛生研究院（NIH）積累更多研究經驗。她每周去NIH園區看招聘信息，「那時還沒有在線招聘」。幾個月過去了，她的簡歷石沉大海。

一天，習慣瀏覽被NIH拒絕簡歷的神經學家Douglas Fields聯繫了Stevens，表示願意為22歲的她提供一份技術員工作。於是，她進入了Fields在國家兒童健康和人類發展研究所的實驗室。

Fields對大腦活動如何增加某些神經元基因的表達十分感興趣，其中涉及一種編碼黏著蛋白L1。該分子能幫助神經膠質細胞纏繞絲狀的軸突。Stevens每天都花數小時泡在實驗室里，試著在培養皿中模擬該過程。最終，她成功了。Fields將她的名字也加在了發表於《科學》雜誌的論文作者名單中。對於技術員而言，這是少有的榮譽。

而且，神經膠質深深地吸引了Stevens。於是，她決定到馬里蘭大學攻讀神經科學博士學位。畢業後，她回到Fields實驗室擔任技術員和實驗室經理。這時，她得到時任國家神經病與中風研究所所長Story Landis的關注，Landis建議Stevens去做博士後。

之後，Stevens來到世界頂尖神經膠質學家Barres的實驗室。Barres回憶道，Stevens有「洪荒之力」，「她幾乎每天都加班到深夜，沒有節假日」。她還積极參与實驗室的社交生活，為每個成員組織生日派對。「她是真正享受研究。」Eroglu說。

找到證據

博士後研究完成後，Stevens接受了來自波士頓的工作邀請，又回到東部。專心解決大腦之謎。

找到在活體大腦中檢驗小神經膠質是否「吞下」突觸碎片的方法，是Stevens面臨的第一個挑戰。Stevens僱傭的第一位博士後Dori Schafer利用基因技術，使小鼠的小神經膠質在紫外線照射下發出綠色的光芒。通過採用高解析度成像技術，第一個結果出現了。

Stevens曾發現一些負責啟動免疫反應清除身體中致病因素的蛋白質，在標記需消除的虛弱或不需要的突觸中也發揮著作用。這個過程會讓像「吃豆人」一樣的小神經膠質細胞吞噬靶向突觸，從而為更加精確的大腦線路連接作好準備。

大腦中的神經連接會被不斷修剪，這是大腦正常發育的一個至關重要的過程。Stevens等人推測，在阿爾茨海默氏病患者大腦中，這種神經修剪的機制可能出現異常，從而造成突觸丟失。

為了驗證假設，Stevens和同事對小鼠進行了操作，使小鼠一隻眼睛比另一隻更有活性，這就產生了兩隻眼睛—大腦不一致活性的神經迴路。研究人員用染色的方法區分從左眼到右眼的信號，隨後解剖了小鼠屍體，發現小神經膠質細胞可以優先修復活性不足眼睛神經迴路的連接或者突觸。相關研究成果刊登在《神經元》期刊。

「我們認為，隨著更加深入地了解正常大腦中的突觸修剪機制，對如何處理患者大腦中的這個機制我們也將有全新的理解。」Stevens說。

之後，研究人員又發現，在這種嚙齒類動物模型中，斑塊形成前有一個時間窗，而在這個時間窗里，小鼠的海馬體（負責記憶和學習的大腦區域）中的突觸發生了丟失。他們還發現了C1q這種參與正常突觸修剪的蛋白的高表達。

研究小組又轉而研究另一種蛋白——β澱粉樣蛋白。在斑塊產生和硬化前，該蛋白質的可溶形式已經對突觸有毒。研究人員將這種β澱粉樣蛋白注入3組小鼠中（正常對照組、C1q基因缺乏組、給予抗體阻斷大腦中C1q功能組）。在第一組中，海馬體中出現了大量的突觸丟失，但在C1q被阻斷的小鼠中沒有發生突觸丟失。這表明，C1q和β澱粉樣蛋白是在同一通路中一起工作的，前者是後者造成這種損害的必要條件。

利用該實驗模型，研究人員接著研究了小神經膠質細胞的行為，發現可溶形式的β澱粉樣蛋白會刺激小神經膠質細胞吞噬突觸。然而，抑制C1q能夠保護細胞不受這種效果的影響。相關結論發表於《科學》雜誌。

腦病新療法

「他們的貢獻引人注目。」歐洲分子生物學實驗室的Cornelius Gross說，「經典補體系統一直被認為參與病原體或死亡細胞的吞噬過程，他們似乎找到了確鑿證據。」Gross也致力於小神經膠質研究。

Stevens也認為，他們的研究成果具有深遠意義，因為在很多疾病中都會出現突觸丟失，例如自閉症、精神分裂症、亨廷頓氏舞蹈症和青光眼。Stevens說：「讓我們興奮的是，我們的研究成果可能是一個作用更加廣泛的機制而不是特定對某種疾病。」

尤其是今年年初，一項刊登在《自然》雜誌的研究將精神分裂症與C4基因的變異聯繫在一起。這種基因同免疫系統存在關聯，並且會標記需要清除的外來細胞。擁有這種基因的長形式，尤其是那些擁有多個長拷貝的人群更有可能患上精神分裂症。

研究負責人、哈佛大學醫學院遺傳學家 Steven McCarroll 指出，C4也許與經典補體級聯中的其他成分協同作用促進突觸修剪。這些研究結果表明，針對這一通路的新療法可以治療多種神經退行性疾病和精神疾病。

不過，開發此類療法為時尚早。研究人員尚未確定最初啟動C1q表達的機制，而且C1q在大腦清除死細胞和幫助定位有害物質上還起到了積極作用。因此還需要進一步研究，才能了解如何操控它防止造成有害的突觸丟失，同時還能維護大腦的正常功能。

不管怎樣，Stevens對未來充滿希望，她跟同事也開始了另一段歡樂時光，「當人們有機會聚在一起，喝喝啤酒，你會發現我們的經歷都差不多」。（張章）

TAG:科學網 |

※拿什麼拯救我的大腦突觸：一位生物學家的神經膠質研究之路
※腫瘤動物模型的構建——神經膠質瘤篇
※神經外科醫生如何看腦膠質瘤的治療
※中樞神經系統先天性防禦細胞——小膠質細胞的形態和功能研究
※科學家利用小分子化合物將成人星形膠質細胞轉變為神經細胞
※替莫唑胺治療膠質瘤的耐藥性產生機制
※腦膠質瘤靶向藥物遞送系統組織結構
※專訪｜精準醫療時代，「臨床+基礎研究「打開腦幹膠質瘤的「黑匣子」
※賀曉生教授：膠質瘤的發病機制及流行病學
※多灶性膠質母細胞瘤遺傳學分析
※神經膠質瘤與血糖之間存在關聯？
※真氣是周細胞和神經膠質細胞交流引起的感覺意識；經絡是皮穿支間側枝循環鏈條——外科醫生解讀中醫概念
※最新研究為治療膠質母細胞瘤帶來希望
※燕郊人民醫院神經外科成功切除額葉膠質母細胞瘤一例
※低級別膠質瘤輔助化療的應用現狀與研究進展
※人工大腦再進一步！人工「星形膠質細胞」揭示神經發育性疾病形成過程
※Science子刊：科學家開發出革命性療法 利用人類幹細胞來治療膠質母細胞瘤
※腦膠質瘤圍手術期護理
※南開大學研創抗腦膠質瘤新葯 已在澳洲臨床試驗