分子生物學先驅Sydney Brenner教授說過：“科學的進步依賴於新技術、新發現和新想法，並且大致是按這個順序進行的。”（1）。這句話正好適用於星形膠質細胞研究：

圖源：University of Copenhagen

星形膠質細胞是中樞神經系統（CNS）中膠質細胞的一種。它們與神經元、其他膠質細胞和血管細胞等多種細胞相互作用，並與許多腦部疾病有關。雖然在星形膠質細胞領域已取得了很多進展，但是該領域仍缺乏有關它們如何執行其多種功能，以及如何以及何時影響與其相互作用的神經迴路活動的詳細研究。研究瓶頸是缺乏可靠的方法，無法在體內研究成年脊椎動物CNS中的星形膠質細胞。

然而，近年來用於分子生物學、遺傳學、形態學和生理學的方法有了進一步改進，並且正在用於系統地記錄和研究體內的星形膠質細胞。

Baljit S. Khakh教授

來自University of California的Baljit S. Khakh教授團隊總結了四個最新的、與星形膠質細胞相關的話題，涉及生物學的多個領域。

話題一、揭開分子和機制的面紗

對星形膠質細胞基因和蛋白質表達進行全面的分析，有助於揭示覆雜現象，併為探索實驗提供初步指導。目前已有幾種星形膠質細胞轉錄和翻譯譜的相關研究，包括使用體外培養的星形膠質細胞分子圖譜進行早期評估、體內星形膠質細胞分子圖譜的選擇性基因靶向研究、以及單細胞水平星形膠質細胞的分子特徵。

這部分研究需要注意的是：

• 首先，研究星形膠質細胞的必要步驟是純化細胞，且不在此過程中引入分子改變，體內星形膠質細胞的完整轉錄情況可能無法通過純化的星形膠質細胞體現，從而影響後續分析。
• 其次，確保方法對不同的星形膠質細胞亞群具有選擇性，因為許多報告基因系和抗體不是完全特異性的，且不會普遍地靶向所有星形膠質細胞。
• 第三，星形膠質細胞轉錄組隨腦區的不同而變化，如果不知道所研究的星形膠質細胞所在的腦區，或無法通過實驗說明問題。瞭解組成不同腦區複雜星形膠質細胞的詳細蛋白質組學將更有助於發現其生理功能。

話題二、基因靶向

儘管用於體內靶向操縱星形膠質細胞的小鼠品系有很重要的研究意義，然而，並沒有一種“完美”的小鼠品系。

圖1. 靶向星形膠質細胞的轉基因小鼠品系和病毒載體

圖1中總結了用於星形膠質細胞研究的主要小鼠品系及特性，包括表達Cre重組酶的品系以及病毒載體。目前，最可靠的小鼠品系是Aldh1l1-Cre/ERT2（2），最可靠的病毒是將AAV2/5與GfaABC1D啟動子結合使用（3,4）。

話題三、探索形態學

星形膠質細胞形態不均勻且高度複雜，在不同腦區內或腦區之間都有所不同，在生理和病理狀態下動態變化，因此，可靠地觀測和跟蹤星形膠質細胞形態學變化至關重要。圖2總結了星形膠質細胞在不同尺度下的形態學研究方法。

圖2: 星形膠質細胞形態學研究方法。圖左為研究星形膠質細胞的尺度，右側列出了目前的實驗方法。

目前的主要挑戰是開發實時成像方法，這依賴於組織固定方法、自動化示蹤技術以及機器學習等。仍有許多問題待解決，例如，在一個給定的腦區，具有相似但可分離形態的星形膠質細胞是否具有不同的功能？調節區域內和區域間星形膠質細胞形態的分子機制是什麼？星形膠質細胞的結構重排是神經元可塑性或病理生理學的原因還是結果？

話題四、探索鈣信號

與神經元相比，星形膠質細胞不產生動作電位，因此長期以來被視為缺乏動態信號。隨著研究方法的改進，這種觀點開始改變，約30年前，在星形膠質細胞中發現了胞內Ca2+信號，這些信號被認為是星形膠質細胞發揮生理功能的基礎，但是星形膠質細胞Ca2+動力學機制還不清楚，圖3總結了操控星形膠質細胞胞內Ca2+信號傳導的方法。包括LiGluR、DREADDs、ChR2、melanopsin、opto-XRs增加星形膠質細胞鈣信號，以及靶向IP3或CalEx降低星形膠質細胞鈣信號等。

圖3 操控星形膠質細胞胞內Ca2 +信號傳導的方法。

目前已經開發出多種針對Ca2 +、神經遞質和神經調節劑的基因編碼傳感器，未來更多傳感器的開發將使研究人員能夠直接監測星形膠質細胞Ca2+的下游效應。

結束語

過去的幾年裡，在探索成年小鼠星形膠質細胞分子機制、信號轉導和功能的方法和技術方面取得了可喜的進展，儘管如此，仍需進一步的技術改革與進步。利用目前可用的方法和技術，可以設計實驗來探索從分子到系統的星形膠質細胞生物學。

需要更多的方法來探索神經系統的各種細胞，包括星形膠質細胞、神經元和小膠質細胞，如何在健康、神經免疫和腦-外周交互中相互作用。這些方法和技術可能會開闢全新的生物學領域，涉及神經元和神經膠質細胞如何在大腦中協同工作，以及大腦如何響應感覺輸入並控制身體活動。研究人員對模型、方法、技術的全方位掌控，對神經膠質生物學的發展至關重要，並可能催生出細胞生物學和醫學的重大突破。

Baljit S. Khakh實驗室主頁：https://www.physiology.ucla.edu/Labs/khakh/index.htm

參考文獻：

（1）Brenner, S. Life sentences: Detective Rummage investigates. Genome Biol. 3, 1013.1–1013.2 (2002).

（2）Srinivasan, R. et al. New transgenic mouse lines for selectively targeting astrocytes and studying calcium signals in astrocyte processes in situ and in vivo. Neuron 92, 1181–1195 (2016).

（3）Nagai, J. et al. Hyperactivity with disrupted attention by activation of an astrocyte synaptogenic cue. Cell 177, 1280–1292.e20 (2019).

（4）Cui, Y. et al. Astroglial Kir4.1 in the lateral habenula drives neuronal bursts in depression. Nature 554, 323–327 (2018).

作者信息

編譯作者： Victoria（brainnews創作團隊）

校審： Simon（brainnews編輯部）

閱讀更多 brainnews 的文章

關鍵字: 設計 星形 脊椎動物