光遗传学联动多模态成像技术揭示斑马鱼大脑神经血管交互机制
2026-01-27 来源:本站 点击次数:46本文聚焦于N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDARs）在斑马鱼大脑血管发育中的调控作用。研究通过神经元与血管内皮尖端细胞（ETCs）之间的交互，揭示了神经活动如何通过NMDARs激活血管内皮生长因子（VEGF）的表达，进而促进ETCs的钙离子活动与生长，最终驱动大脑血管网络的形成。论文综合运用体内实时成像、遗传学操纵和光遗传学技术，为神经-血管通信机制提供了新的分子与细胞水平证据。
本研究的核心发现由Ting-Ting Liu、Hong-Yu Li、Shan-Ye Gu、Le Sun、Rong-Wei Zhang、Jia-Liang Zu、Yu Zhang、Shu-Guang Yu、Xiu-Dan Zheng、Jiang-An Yin、Qi Chen、Jie He、Bing Xu和Jiu-Lin Du共同完成。论文题为“NMDA receptors coordinate brain vascular development via neuron-to-endothelial tip cell crosstalk in zebrafish”，于2025年12月在线发表于《Nature Communications》。
重要发现
01NMDARs功能障碍损害大脑血管发育
研究首先通过药理学方法调控NMDARs活性，发现使用拮抗剂MK-801或D-AP5处理斑马鱼幼虫后，其中大脑血管的密度、总长度、分段数量及从脉络丛血管发出的血管段数均显著减少；而激动剂NMDA则能促进这些参数的增长。这一现象仅发生于大脑血管，躯干血管未受影响，表明NMDARs对大脑血管发育具有特异性作用。进一步通过遗传学手段（如grin1b基因突变或 Morpholino 敲低）验证了NMDARs缺失会导致血管形成缺陷，且神经元特异性（而非内皮细胞特异性）的NMDARs功能障碍是关键因素。实验中采用转基因斑马鱼系Tg(kdrl:eGFP)进行共聚焦显微镜三维成像，并结合自研软件Angiotome对血管网络进行定量分析，确保了数据的高精度与可重复性。
为探究神经活动的作用，研究利用光遗传学（Tg(elavl3:ChrimsonR-tdTomato)幼虫）和电刺激增强大脑神经活动。结果显示，光刺激或电刺激均能显著促进大脑血管形成，但这种促进作用可被NMDARs拮抗剂MK-801完全抑制。此外，通过移动光条刺激斑马鱼中脑视顶盖区域，同样观察到局部血管生长的增强，且该效应也依赖NMDARs活性。这些实验均通过钙成像技术（如Tg(elavl3:GCaMP6s)监测神经元活动）证实了刺激的有效性，凸显了光学成像在活体动态记录中的优势。
03VEGF-Ca2+信号通路介导ETCs生长
研究进一步聚焦于血管生成前沿的内皮尖端细胞（ETCs）。在神经元特异性NMDARs功能障碍的幼虫中，ETCs的数量、丝状伪足数量及生长速率均显著降低。通过局部光遗传学刺激或移动光条刺激，发现神经活动能促进ETCs生长，且该过程依赖NMDARs。机制上，NMDARs激活后通过ERK/CaMKIIα信号通路上调神经元中VEGF的表达；而VEGF的释放会诱导ETCs产生全局钙离子活动（非局部钙活动），进而推动其生长。实验中采用局部喷注VEGF蛋白或光解NP-EGTA/Ca2+复合物等方式，直接验证了VEGF-Ca2+通路的必要性。钙成像数据表明，ETCs的全局钙瞬变频率与其生长速率呈正相关，且VEGFR2抑制剂Ki8751可阻断神经活动诱导的钙活动。
04光学成像技术揭示动态交互过程
本研究的核心技术支撑在于多模态光学成像。共聚焦显微镜用于获取大脑血管的三维结构，时间序列成像则记录了ETCs的形态动态变化；钙成像通过GCaMP6s标记实时监测神经元和ETCs的电生理活动；光遗传学实现了神经活动的时空精准操控。这些技术的整合不仅实现了对神经-血管交互的活体可视化，还为定量分析提供了可靠依据（如血管参数计算、钙瞬变识别），体现了光学成像在生物发育研究中的强大应用潜力。
创新与亮点
本研究首要突破了活体环境中神经-血管交互实时观测的难题。传统方法难以同时捕捉神经活动与血管生长的动态关联，而论文通过结合共聚焦显微镜、钙成像与光遗传学，首次在斑马鱼模型中实现了对NMDARs-VEGF-Ca2+通路的全程可视化。例如，利用高分辨率时间序列成像直接观察到ETCs丝状伪足的延伸与钙活动的同步变化，为理解细胞级交互提供了直接证据。
在成像技术应用层面，研究创新性地将光遗传学刺激与局部药物喷注相结合，实现了对特定细胞信号的精准操控。例如，通过激光扫描光解NP-EGTA/Ca2+复合物诱导ETCs钙瞬变，或局部喷注VEGF验证其功能性作用，这些方法显著提升了实验的时空精度。此外，自研软件Angiotome的应用实现了血管网络的自动化定量分析，减少了人为误差，提升了数据可靠性。
在光学生物医疗领域，该研究具有明确的实际价值。首先，其揭示的NMDARs-VEGF机制为神经血管疾病（如脑卒中、神经退行性疾病）提供了新的治疗靶点；其次，所采用的活体成像技术方案可推广至其他模型（如哺乳动物），助力药物筛选与病理研究。例如，通过模拟神经活动异常导致的血管发育缺陷，可为早期诊断提供生物标志物。整体而言，本研究不仅深化了对神经-血管耦合的理解，也为光学成像技术在精准医疗中的应用树立了典范。总结与展望
本研究系统阐明了NMDARs通过调控神经元VEGF表达与ETCs钙活动，介导神经活动依赖性大脑血管发育的机制。论文通过多学科技术整合，强调了光学成像在揭示动态生物过程中的核心价值。未来工作可进一步探索该通路在哺乳动物模型中的保守性，以及其在病理条件下（如缺血或血脑屏障破坏）的调控作用。同时，结合更高时空分辨率的成像工具（如光片显微镜）有望实现单细胞水平的长期追踪，推动神经血管生物学向临床转化迈出关键一步。
声明：本文仅用作学术目的。
Liu TT, Li HY, Gu SY, Sun L, Zhang RW, Zu JL, Zhang Y, Yu SG, Zheng XD, Yin JA, Chen Q, He J, Xu B, Du JL. NMDA receptors coordinate brain vascular development via neuron-to-endothelial tip cell crosstalk in zebrafish. Nat Commun. 2025 Dec 9;16(1):10856.
DOI:10.1038/s41467-025-66543-9.