關(guān)于星形膠質(zhì)細(xì)胞如何循環(huán)，量子點(diǎn)技術(shù)可以揭示什么？

由 Alomone 團(tuán)隊(duì)提供 - 2023 年 6 月，隨著我們對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多，它們不斷掀起科學(xué)浪潮——近期我們?cè)谘芯克麄冊(cè)诎d癇中是敵是友（詳情請(qǐng)點(diǎn)擊這篇文章了解）。現(xiàn)在，星形膠質(zhì)細(xì)胞似乎也在循環(huán)利用：韓國(guó)腦研究所（KBRI）的一篇論文揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞在調(diào)節(jié)大腦功能方面的一個(gè)隱藏部分（可以參考文獻(xiàn)：Endocytic BDNF secretion regulated by Vamp3 in astrocytes）。通過(guò)追蹤腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（BDNF）的旅程，研究人員揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取、運(yùn)輸和分泌BDNF 的奇妙機(jī)制（可以參考文獻(xiàn)：Astrocyte VAMP3 vesicles undergo Ca2+-independent cycling and modulate glutamate transporter trafficking）。

BDNF通過(guò)一種名為TrkB的受體發(fā)揮調(diào)節(jié)大腦功能的多種作用。我們?cè)缇椭�道星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá) TrkB 受體，并能通過(guò)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用內(nèi)化細(xì)胞外的 BDNF。然而，內(nèi)化 BDNF 重新分泌背后的確切機(jī)制一直難以捉摸。但現(xiàn)在，這項(xiàng)引人入勝的新研究的作者們使用量子點(diǎn)（QD）共軛成熟 BDNF（QD-BDNF）作為細(xì)胞外 BDNF 的替代物，從而監(jiān)測(cè)了 BDNF 在活體皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的移動(dòng)。

在研究過(guò)程中，研究小組發(fā)現(xiàn)囊泡相關(guān)膜蛋白 3 (Vamp3)在星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放內(nèi)源性 BDNF 時(shí)起著關(guān)鍵作用。免疫細(xì)胞化學(xué)和QD成像結(jié)合Alomone 的生物素標(biāo)記的人BDNF（B-250-B），發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞中含有 Vamp3 的囊泡中富含內(nèi)源性 BDNF 顆粒。
 

用ATP刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)引發(fā)含BDNF小泡的逆向或順向運(yùn)輸和外排，從而有效地將BDNF回收到細(xì)胞外空間。為了進(jìn)一步揭示Vamp3的作用，研究人員敲除了Vamp3的表達(dá)，這中斷了BDNF從星形膠質(zhì)細(xì)胞中的釋放，但不影響其吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)。雖然研究人員不清楚ATP刺激是如何增加內(nèi)含BDNF囊泡的前向或逆向運(yùn)輸?shù)模�但他們懷疑這可能與Ca2+或脂質(zhì)信號(hào)有關(guān)。

圖 1.QD-BDNF 作為監(jiān)測(cè)星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi) BDNF 的工具。(A）生物素化 mBDNF 與鏈霉親和素-QD655（QD-BDNF）的示意圖。 B）左圖：純化的 QD-BDNFs （2 nM）的代表性熒光圖像。比例尺 = 10 µm，插圖比例尺 = 5 µm。右圖：QD-BDNF 顆粒的二維尺寸分布（來(lái)自 40 個(gè)細(xì)胞的 1073 個(gè)顆粒）。(C) 用 QD-BSA 或 QD-BDNF 處理的表達(dá) EGFP 的星形膠質(zhì)細(xì)胞的代表性圖像�？s放條 = 10 µm。下圖所示位置（數(shù)字）的放大視圖。比例尺 = 10 µm。(D) 表達(dá)亂碼 shRNA（對(duì)照組）、TrkB-shRNA #1 （shTrkB #1）或 #2 （shTrkB #2）的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的 QD-BDNF 代表性圖像�？s放條 = 10 µm。插圖：指定位置（白框）的放大視圖。比例尺 = 5 µm。條形圖：每種條件下 QD-BDNF 的平均密度。**P < 0.01.N = 每組 10 個(gè)細(xì)胞。E. QD-BSA 和 QD-BDNF 處理的星形膠質(zhì)細(xì)胞的平均形狀指數(shù)。*P < 0.05.N = 5 或 16 個(gè)細(xì)胞。(F）經(jīng) 2 nM QD-BDNF 處理的星形膠質(zhì)細(xì)胞在每個(gè)孵育時(shí)間的平均 QD-BDNF 密度。*P < 0.05.N = 每種條件下 10 個(gè)細(xì)胞。G. 經(jīng) 0.5、1、2 或 5 nM QD-BDNF 處理的星形膠質(zhì)細(xì)胞的代表性圖像。比例尺 = 10 µm，插圖比例尺 = 5 µm。(H）最�。�0.3 µm2）或較大（> 0.3 µm2）的 QD-BDNF 平均密度。*p < 0.05，**p < 0.01。(I)細(xì)胞內(nèi) QD-BDNF 總量中尺寸最小或較大的 QD-BDNF 的平均比例。*P < 0.05.N = 9-10 cells in each condition.用 ImageJ/FIJI 軟件（Ver. 2.1.0/1.53c，NIH）測(cè)定 QD-BDNF 顆粒數(shù)量和星形膠質(zhì)細(xì)胞的形狀指數(shù)。圖片來(lái)自 J, Yoon 等人，科學(xué)報(bào)告 11, 21203 (2021)

星形膠質(zhì)細(xì)胞在支持神經(jīng)元功能方面的重要作用早已得到公認(rèn)，但它們參與 BDNF 的再循環(huán)和分泌又為自己增添了一項(xiàng)技能。在這里，研究人員觀察到，BDNF在星形膠質(zhì)細(xì)胞中的直接內(nèi)化和再循環(huán)是由TrkB.T1受體介導(dǎo)的。
 

如前所述，星形膠質(zhì)細(xì)胞也接受了 ATP 處理。這些細(xì)胞對(duì) ATP 刺激的反應(yīng)是通過(guò)可溶性 NSF 附著蛋白受體（SNARE）依賴機(jī)制釋放內(nèi)源性 BDNF。這意味著星形膠質(zhì)細(xì)胞積極參與調(diào)節(jié)細(xì)胞外 BDNF 的濃度，與 TrkB.T1 一起對(duì)大腦功能進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)節(jié)。

研究人員發(fā)現(xiàn)Vamp3是ATP觸發(fā)的內(nèi)細(xì)胞BDNF分泌的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。雖然含Vamp3的囊泡，包括早期內(nèi)體和分泌顆粒，包含了大部分內(nèi)細(xì)胞QD-BDNF顆粒，但也有其他囊泡部分與QD-BDNF顯示出顯著的共定位。這表明其他囊泡，如 Rab7 或 Rab11 陽(yáng)性的內(nèi)體，也參與了回收過(guò)程。
 

由于Vamp3是星形膠質(zhì)細(xì)胞中富集的vSNARE，研究人員推測(cè)星形膠質(zhì)細(xì)胞中循環(huán)內(nèi)含BDNF的囊泡可能受Vamp3控制。他們發(fā)現(xiàn)，在ATP刺激下，含Vamp3-EGFP的囊泡經(jīng)常分泌QD-BDNF，這支持了他們的假設(shè)。在敲除 Vamp3 的實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn) ATP 誘導(dǎo)的 QD-BDNF 外泌減少了 76%。然而，反過(guò)來(lái)說(shuō)，Vamp3 并不需要QD-BDNF的內(nèi)吞或轉(zhuǎn)運(yùn)，他們?cè)谛切文z質(zhì)細(xì)胞Vamp3敲除模型中觀察到QD-BDNF的攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有變化，從而證明了這一點(diǎn)�？傊�，這表明 Vamp3 是內(nèi)吞 BDNF 分泌的一個(gè)主要但有選擇性的調(diào)節(jié)因子。

研究人員深入研究了星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)BDNF分泌的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)螯合ATP誘導(dǎo)的Ca2+升高會(huì)部分減少Q(mào)D-BDNF的外泌。有趣的是，直接增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度并不足以導(dǎo)致QD-BDNF外滲，這表明可能還有其他信號(hào)通路參與其中。
 

一種潛在的途徑涉及通過(guò) P2 受體激活或 A2 受體改變環(huán)磷酸腺苷（cAMP）水平。這些途徑可能會(huì)激活依賴于 cAMP 的信號(hào)途徑，而 cAMP 是囊泡對(duì)接或外排所必需的，從而影響內(nèi)細(xì)胞 BDNF 的釋放。最后，獨(dú)立于 Vamp3 的機(jī)制可能在 BDNF 分泌中發(fā)揮作用，因?yàn)檠芯啃〗M在 Vamp3 陰性的囊泡中觀察到了 QD-BDNF，以及 ATP 觸發(fā)的 QD-BDNF 從這些囊泡中釋放。

這項(xiàng)研究的結(jié)果為 Vamp3 在 BDNF 循環(huán)過(guò)程中調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi) BDNF 分泌的選擇性作用提供了證據(jù)。但這并不是故事的全部：Ca2+和ATP的參與、cAMP濃度的變化，以及通過(guò)Vamp3陰性囊泡中QD-BDNFs的存在發(fā)現(xiàn)的Vamp3無(wú)關(guān)機(jī)制，都表明BDNF的再循環(huán)并不是一件簡(jiǎn)單的事情。雖然 Vamp3 是這一過(guò)程的選擇性規(guī)律，但一定有多種信號(hào)通路促成了星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì) BDNF 的再循環(huán)。
 

了解支配星形膠質(zhì)細(xì)胞中 BDNF 循環(huán)的分子事件可能會(huì)對(duì)突觸可塑性和認(rèn)知功能產(chǎn)生重大影響。因此，還需要做更多的工作來(lái)揭示 BDNF 循環(huán)的其他方面。研究人員可能會(huì)把重點(diǎn)放在參與這一過(guò)程的其他分子角色和信號(hào)通路上。此外，研究 BDNF 循環(huán)的改變對(duì)突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶的影響將為這一復(fù)雜機(jī)制的廣泛影響提供有價(jià)值的見(jiàn)解。
 

多虧了 QD 技術(shù)，科學(xué)家們才得以對(duì) BDNF 的旅程及其如何在星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)循環(huán)利用有了更多的了解。通過(guò)使用 QD-BDNF 作為細(xì)胞外 BDNF 的替代物，研究人員可以跟蹤其在培養(yǎng)的皮質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并開(kāi)始解開(kāi)這一看似簡(jiǎn)單的過(guò)程所涉及的多種途徑。這項(xiàng)研究加深了我們對(duì)大腦中不同細(xì)胞類型之間動(dòng)態(tài)相互作用的理解，并強(qiáng)調(diào)了星形膠質(zhì)細(xì)胞在維持大腦健康中的重要意義.