视网膜神经血管单元的层特异性解剖和生理特征

神经病学 生物物理学 眼科学 生物化学 医学 生命科学 细胞生物学
视网膜 神经血管单元 Müller胶质细胞 钙信号 色素性视网膜炎

关于视网膜神经血管单元层特异性解剖与生理特性的学术研究报道

研究背景与问题提出

视网膜的处理过程和其他神经计算过程一样，具有极高的代谢需求，其中涉及血流的动态调控（神经血管耦合，Neurovascular Coupling, NVC）。视网膜拥有三层血管网：浅层血管网（Superficial Vascular Plexus，SVP）、中间血管网（Intermediate Vascular Plexus，IVP）和深层血管网（Deep Vascular Plexus，DVP），这些结构为视网膜的正常功能提供支持。然而，目前的研究更多集中于SVP，其由星形胶质细胞（Astrocytes）裹覆，而对IVP和DVP的相关研究较少。

研究表明，辐射样的Müller胶质细胞是IVP和DVP的主要血管包裹细胞，但这些层次中神经元与血管的相互作用机制以及在疾病情况下的变化仍不清楚。特别是，曾有研究表明，视网膜色素变性（Retinitis Pigmentosa）等疾病可能破坏该系统，影响视网膜功能。

为了弄清这些问题，William N. Grimes等学者进行了全面的结构和功能分析。他们采用电子显微镜（EM）技术探究了小鼠和灵长类视网膜的相关结构，旨在研究Müller胶质细胞在视网膜三层血管网中的布局、功能信号及其对疾病的响应。

论文来源及作者信息

该论文题为《Layer-Specific Anatomical and Physiological Features of the Retina’s Neurovascular Unit》，由William N. Grimes、David M. Berson等多位作者联合发表。他们分别来自美国国家神经疾病与中风研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke, NINDS）、布朗大学、威斯康星大学等机构。论文发表于2025年1月6日的《Current Biology》。

研究流程

1. 实验设计与研究方法

研究团队通过三维序列块面扫描电子显微镜（Serial Blockface Scanning Electron Microscopy，SBFSEM）对小鼠和非人灵长类的视网膜样本进行了高分辨率成像，并结合钙离子（Ca²⁺）成像和药理实验验证了Müller胶质细胞的特性及信号传递功能。

具体流程包括以下几个部分：

a. Müller胶质细胞对血管的包裹

研究者首先分析了小鼠视网膜中IVP和DVP的血管周围细胞布局。他们使用公开的EM数据集生成三维模型，确认了Müller胶质细胞在小鼠和非人灵长类中的广泛存在。这些细胞以马赛克模式包裹血管，覆盖率超过90%。然而，IVP处存在一些间隙，允许神经元与血管的直接接触。

b. 神经元-血管接触点

通过系统搜索数据集中的血管间隙，研究者发现了神经元与血管元素（内皮细胞和周细胞）直接接触的证据。特别是在IVP，神经元的接触集中在周细胞的细胞体附近，这些区域经常伴有复杂的、类似脊突的结构。

c. 动态钙信号研究

为了探究Müller胶质细胞的动态特性，团队在活组织中通过外源性ATP的局部刺激观察钙离子信号，他们发现钙信号在Müller细胞内传播，并扩展至覆盖血管的鞘中。这一信号依赖于磷脂酰肌醇三磷酸（IP3）介导的钙信号通路。

d. 视网膜疾病模型中的变化

在视网膜色素变性的模型（rd10鼠）中，Müller胶质细胞的钙信号和血管包膜发生显著变化。这种变化主要表现在DVP层，表现为Müller鞘对血管的包裹减少和信号扩散的异常。

2. 数据处理与分析

研究利用多种工具处理和分析数据，例如Fiji、WebKnossos和Paraview等，以生成三维结构模型并定量分析Müller胶质细胞形态及功能信号。

主要研究结果

  1. 解剖特性：

    • Müller胶质细胞形成了高度完整的血管包裹鞘，特别是在小鼠和灵长类视网膜中；
    • IVP处的鞘内存在间隙，这允许神经元类型（如双极细胞、无长突神经元和节细胞）与血管直接联系，而这种现象在DVP中较少。

  2. 功能特性：

    • Müller胶质细胞鞘中的钙信号通过ATP激活，且该信号通过IP3通路信号放大和传播；
    • 在疾病模型中，钙信号特性和细胞形态出现层特异性变化，IVP基本保持完整，而DVP受损明显。

  3. 疾病变化：

    • Müller胶质细胞在RD10模型中的变化与视网膜血管屏障的破坏一致；
    • 鞘的破坏和钙信号紊乱提示其可能参与视网膜疾病病理过程，如视网膜色素变性和糖尿病视网膜病变。

研究的科学与应用价值

该研究首次对视网膜IVP和DVP层中神经血管单元结构和功能的细节进行了全面探讨，这是神经科学和眼科领域的一个重要突破。

  1. 科学意义：

    • 确定了Müller胶质细胞对视网膜血管鞘的层特异性包裹特性；
    • 阐明了神经元与血管元素在Fenestration处的直接接触，这为神经血管耦合的研究开辟了新方向。

  2. 临床应用：

    • 研究描述了Müller胶质细胞在病理条件下的反应，为治疗诸如视网膜色素变性、糖尿病黄斑水肿等疾病提供了潜在的治疗靶点；
    • 针对Müller鞘的Ca²⁺信号传递机制，未来可能开发基于信号调控的干预策略。

研究亮点与创新点

  1. 首次大规模重建： 使用SBFSEM重建了小鼠和灵长类视网膜的三维神经血管结构；

  2. 技术新颖性： 结合EM成像、钙成像与药理实验，揭示了Müller胶质细胞在视网膜中的动态功能角色；

  3. 疾病模型观察： 揭示了RD10模型中Müller胶质细胞与血管相互作用的层特异性紊乱，本研究为视网膜退化性疾病的基础研究提供了具体的形态学与信号学证据。

未来研究方向

  1. 探究Müller鞘在其他视网膜病变中的响应机制；
  2. 深入研究神经元与周细胞直接接触的功能意义；
  3. 评估Müller胶质细胞信号调节作为治疗靶点的临床潜力。