细胞通过微小的管状网络相互交流和帮助

来自《量子杂志》 (Quanta Magazine) (在此处查找原始报道)。

当医生和科学家埃米尔·卢 (Emil Lou) 十年前在纪念斯隆·凯特琳癌症中心担任肿瘤学研究员时，他经常被他的癌细胞培养物中一些小而无法辨识的东西所困扰。他说，通过显微镜观察，他“不断发现这些细长的半透明线”，宽度约 50 纳米，长度 150 至 200 微米，在培养物中的细胞之间延伸。他请他所在大楼的世界一流的细胞生物学家解释这些观察结果，但没有人确定他们看到的是什么。最后，在深入研究文献后，卢意识到这些线条与海德堡大学的汉斯-赫尔曼·格尔德斯小组 (Hans-Hermann Gerdes) 在 2004 年《科学》杂志 (2004 paper in Science) 上发表的一篇论文中描述的“纳米管高速公路”或“隧道纳米管”(TNT) 相符。

卢担心他注意到的线条可能是虚幻的，因此他检查了癌症中心患者的肿瘤标本档案。 瞧，肿瘤中也存在相同的长细胞过程，因此他着手调查它们的相关性。 从那时起，作为明尼苏达大学的教员，他发现证据表明肿瘤细胞使用这些 TNT 以微小 RNA（称为 microRNA 的短 regulatory 片段）的形式共享分子信息，使对化疗药物具有抗性的癌细胞能够将相同的抗性赋予其邻居。

支持科学新闻事业

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。

隧道纳米管是如何在如此长的时间内未被注意到的？ 卢指出，在过去的几十年里，癌症研究主要集中在检测和治疗性地靶向癌细胞中的突变，而不是它们之间的结构。“它就在我们眼前，但如果这不是人们关注的焦点，他们就会错过它，”他说。

这种情况现在正在改变。 在过去的几年里，研究 TNT 并弄清楚它们作用的研究人员数量急剧增加。 研究团队发现，TNT 除了 microRNA 之外，还转移各种货物，包括信使 RNA、蛋白质、病毒，甚至整个细胞器，如溶酶体和线粒体。

“这只是冰山一角，”卢说。 “现在是研究这些东西的非常激动人心的时刻。”

这些脆弱的结构不仅出现在癌症、艾滋病和神经退行性疾病等疾病背景下，也出现在正常的胚胎发育中。 健康的成人细胞通常不产生 TNT，但受压或患病的细胞似乎会通过发出信号寻求帮助来诱导它们产生。 然而，尚不清楚健康细胞如何感知到它们的邻居需要帮助，或者它们如何在生理上“知道”要发送哪些特定的货物。

眼见为实

TNT 的发现是一个意外的惊喜。 当时是 Gerdes 小组成员，现在仍然是海德堡大学研究员的阿明·鲁斯托姆 (Amin Rustom) 回忆说，这发生在因为他正在使用一种新的荧光染料来标记感兴趣的细胞特征。 使用染料的方案要求进行几个连续的洗涤步骤，但他跳过其中一些步骤，还是看了看他的细胞。 那时他发现了长管状结构，染料使这些结构更加可见（他认为洗涤步骤会破坏它们）。

利用显微镜技术，该小组进一步检查了这些结构，并确定它们是开放通道，细胞器和膜囊泡通过这些通道从一个细胞移动到另一个细胞。 鲁斯托姆解释说，那时人们清楚地认识到，膜管是“一种全新的细胞间通讯机制”。 然而，要说服其他人并不容易——一些研究人员怀疑这些 TNT 是实验人为产物，而不是自然产生的结构。 他说，由于人们对这些发现持强烈的怀疑态度，该小组花了四五年时间才发表论文。

确认 TNT 确实是细胞间通讯的途径仍然是一个重大挑战。 细胞有其他交换分子的选择，最显着的是称为间隙连接和外泌体的结构。

如果 TNT 类似于空中走廊，即连接独立建筑物的封闭式人行天桥，那么间隙连接（穿过相邻细胞膜的门控孔）就像相邻房间之间的门道。 外泌体是细胞脱落的小囊泡，长期以来被认为是携带碎片的细胞垃圾袋，但科学家现在认识到它们是细胞之间（有时是远距离）携带 microRNA 和其他信号分子的载体。 确定 TNT 作用的挑战在于，很难在不干扰其他通讯通道的情况下抑制其中任何一个。

最近的许多努力也集中在寻找 TNT 的生物标志物，以将它们与外观相似的结构（如丝状伪足，用于感知和运动的长细胞突起）区分开来。 丝状伪足不是开放式的，它们不将货物从一个细胞转移到另一个细胞，但仅凭形状很难将它们与 TNT 区分开来。 使问题复杂化的是，TNT 出现在多种细胞类型中，并且形态多样，尺寸范围很广。 在某些情况下，它们足够大，可以被认为是微管而不是纳米管，一些研究人员认为，较小的 TNT 在功能上与微管不同。 目前正在努力表征纳米管和微管的不同亚型。

但是，许多科学家仍然可以理解地对 TNT 的假定功能持怀疑态度。 巴黎巴斯德研究所细胞生物学和感染部门负责人 Chiara Zurzolo (Chiara Zurzolo) 从事 TNT 研究，但也承认这种困难。 “它们尚未完全表征，所以我怎么能相信一些可能无所不能的东西呢？” 她问道。

然而，有用的答案正在出现，因为新兴的 TNT 研究领域正受益于显微镜和其他技术的进步。 伊尔文加利福尼亚大学研究 TNT 的 Ian Smith (Ian Smith) 专门研究成像方法，例如晶格光片显微镜，这种显微镜足够温和，可以用于观察活细胞数小时甚至数天。 这种方法使研究人员能够看到活细胞中 TNT 的精细结构，并跟踪在它们之间移动的单个分子。 “对我来说，能够看到你研究的东西，正是我一直对显微镜感兴趣的主要驱动力，”史密斯说。

加尔·海莫维奇 (Gal Haimovich) 现在是以色列魏茨曼科学研究所的研究员，他于 2012 年加入阿尔伯特·爱因斯坦医学院罗伯特·辛格实验室 (Robert Singer) ，担任博士后研究员，对研究 RNA 的细胞间转移感兴趣。 当时，RNA 转移的标准模型是分子被包装到外泌体中，然后在外泌体之间扩散。 但这尚未被直接观察到； 这是从生化实验中推断出来的。

海莫维奇想使用辛格实验室开发的成像方法，因为它们可以可视化运输中的 RNA，并收集更多关于它的定量数据。 他在同一个培养皿中培养了两种细胞株——只有一种细胞株可以表达特定的 mRNA——并观察发生了什么。 在他眼前，mRNA 分子通过连接不同细胞的 TNT 迁移。 “我实际上可以看到 mRNA 存在于膜纳米管中，而且如果我抑制膜纳米管的形成……我就会消除 RNA 转移，”他说。

为了了解细胞是否主动调节这些转移，海莫维奇用热休克和氧化应激挑战它们。 他解释说，如果环境条件的变化改变了 RNA 转移的速率，那么“这将表明这是一种生物学调节机制，而不仅仅是 RNA 的偶然扩散”。 他发现氧化应激确实导致转移速率增加，而热休克导致转移速率降低。 此外，海莫维奇通过电子邮件澄清说，如果在受体细胞上施加应激，则会观察到这种效果，但如果在共培养之前也在供体细胞上施加应激，则不会观察到这种效果。 “这表明受体细胞向供体细胞发送信号，‘请求’来自邻居的 mRNA，”他说。 他的研究结果于去年发表在《美国国家科学院院刊》 (reported in the Proceedings of the National Academy of Sciences) 上。

癌症中的 TNT

癌细胞通常处于应激状态——这些快速分裂的细胞在缺氧、营养应激、氧化应激等条件下存活。 因此，毫不奇怪，它们像海莫维奇的受压细胞一样，会诱导 TNT 的产生。 事实上，卢的研究表明，导致多种癌症的细胞形成的 TNT 数量是正常健康成人细胞的 5 到 100 倍。

海德堡大学的神经学家、肿瘤学家和癌症研究员弗兰克·温克勒 (Frank Winkler) 发现，称为神经胶质瘤的脑癌充满了肿瘤微管（TNT 的较大表亲）。 他在观察活体小鼠大脑中单个肿瘤细胞生长时注意到了这些结构，但他没有意识到它们的意义。 与他合作的病理学家将它们归因于标本制备中的缺陷。 直到温克勒和病理学家在活细胞中看到这些微小的管子，他们才意识到这些结构是真实的。

“知道要寻找什么……我们看到这是这些肿瘤的显着特征，”温克勒说。 “但是你需要知道要寻找什么才能理解你所看到的东西。”

温克勒注意到，当他对患者的肿瘤进行化疗或放疗时，孤立的癌细胞死亡了，但那些通过肿瘤微管和 TNT 相互连接的癌细胞却存活了下来。 他说，网络化细胞“是该疾病的耐药性支柱”。

他解释说，为了应对化疗或放疗的压力，癌细胞会形成更多的肿瘤微管和更强的网络。 现在，他和他的团队正在使用网络理论来解码连接的癌细胞之间的通讯模式。 他的工作假设是，存在通讯层级，某些细胞（可能是那些具有强大的发育特性（如干细胞）的细胞）充当网络的“主谋”。 它们可能会指导其他细胞如何行为，并驱动肿瘤生长的进展及其对疗法的抗性。

温克勒还发现，神经胶质瘤肿瘤细胞与邻近的健康细胞形成连接——这至少为与大脑组织进行某种双向通讯提供了可能性。 斯坦福大学的儿科肿瘤学家米歇尔·蒙杰 (Michelle Monje) 已经表明，大脑活动驱动神经胶质瘤的肿瘤进展，温克勒怀疑肿瘤微管和 TNT 可能在其中发挥作用。 “肿瘤影响大脑，大脑也影响肿瘤，”温克勒说。 “这是一个几乎令人恐惧的复杂程度。”

但好消息是，这些微管和纳米管也代表了一个全新的治疗靶点，温克勒说。 “我希望我们能找到更好的东西，在那里我们开发新的治疗策略。 除了理解所有这些疯狂的生物学之外，这是我的主要希望之一。”

一种方法是尝试开发抑制微管和纳米管形成的药物，以使癌症更容易受到化疗和放疗的影响。 为此，温克勒目前正在努力表征这些微小管的尺寸和功能多样性。 另一种策略是利用管状网络传播药物：2015 年，FDA 批准了第一种溶瘤病毒，这是一种针对黑色素瘤患者的基因疗法 (approved the first oncolytic virus, a form of gene therapy)。 卢发现这种治疗性病毒可以通过 TNT 从一个细胞移动到另一个细胞 (move from cell to cell through TNTs)。

制药巨头葛兰素史克 (GlaxoSmithKline) 发现了一个充满机遇的领域，于 2016 年 9 月召集了一次 TNT 专家会议 (a meeting of TNT experts in September 2016) ，探讨 TNT 的作用——以及如何破坏或利用它们进行治疗应用。

免疫细胞的新花招

TNT 在免疫系统中也发挥着重要作用。 它们的功能涉及树突状细胞，匹兹堡大学的免疫学家 Robbie Mailliard (Robbie Mailliard) 将其称为“免疫系统的四分卫”。 树突状细胞通过 TNT 相互连接，这个过程称为网状化。

“树突状细胞在网状化时以如此快速而戏剧性的方式做到这一点。 这就像一群小蜘蛛侠，他们只是射出这些网，”马亚德说。 “他们在很短的时间内花费了大量的精力来建立这些联系，所以我认为它们在免疫反应中确实起到某种重要的作用。”

马亚德和他的同事乔瓦娜·拉波乔洛 (Giovanna Rappocciolo) 和查尔斯·里纳尔多 (Charles Rinaldo) 发现，HIV 和其他病毒可以利用这些 TNT 在树突状细胞中传播。 马亚德说，抑制 TNT 似乎可以抑制 HIV 的传播。 此外，研究人员发现，那些感染 HIV 但能够无需任何抗逆转录病毒疗法即可控制病毒的极其罕见的人（所谓的“长期非进展者”）的树突状细胞形成 TNT 的能力存在缺陷。 这似乎是一种与细胞胆固醇水平相关的遗传特征。 现在，研究人员正在调查通常用于降低胆固醇水平的药物是否可以通过限制网状化来重新用于控制病毒感染。

HIV 并不是唯一利用树突状细胞形成 TNT 能力的感染。 Zurzolo 解释说，朊病毒（例如，通过食用患有疯牛病的牛的牛肉获得）和其他错误折叠的蛋白质也会劫持这些细胞通讯网络。 在大脑中聚集并催化健康蛋白质转化为错误折叠蛋白质的错误折叠蛋白质是神经退行性疾病的主要原因。 这些错误折叠蛋白质的例子包括 tau 蛋白、α-突触核蛋白和亨廷顿蛋白，它们分别与阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病的发生密切相关。 直到几年前，尚不清楚这些传染性蛋白质如何从细胞传播到细胞，因为与病毒或细菌不同，错误折叠的蛋白质没有明显的传播途径。

2004 年，当汉斯-赫尔曼·格尔德斯小组发表论文时，Zurzolo 正在巴斯德研究所研究朊病毒。 伦敦帝国学院的研究人员不久后发表的另一篇论文表明，免疫系统的细胞可以通过 TNT 连接 (cells of the immune system could connect via TNTs)，这促使她调查朊病毒是否可以通过这种方式传播。 2009 年，Zurzolo 发表了一项研究，表明树突状细胞可以通过 TNT 与神经元通讯 (dendritic cells could communicate with neurons through TNTs)，并且当她用朊病毒感染树突状细胞时，朊病毒被转移到神经元。 她说，这是朊病毒引起的疾病可以通过 TNT 在细胞之间传播的观点的开始。

Zurzolo 说，树突状细胞从肠道获取朊病毒，它们不断在肠道巡逻以寻找感染。 然后，运动性树突状细胞在全身循环，并通过 TNT 将朊病毒传播到脾脏和淋巴结（免疫系统器官）以及周围神经。 一旦进入神经系统，朊病毒很容易通过 TNT 从一个神经元传递到另一个神经元，从而到达大脑。 Zurzolo 说，发现错误折叠的蛋白质如何在细胞之间移动“真是一个突破”。

在过去的十年里，她已经证明，与阿尔茨海默病和帕金森病有关的错误折叠蛋白质也通过 TNT 从神经元传播到神经元。 “我们相信，如果我们尝试通过杀死细胞之间的 TNT 来阻止这些蛋白质的扩散，我们就可以治愈其中一些疾病，”她说。

鲁斯托姆解释说，尽管如此，必须取得平衡，因为神经胶质细胞通过 TNT 与神经元通讯来支持神经元。 因此，阻断 TNT 也可能会干扰大脑的正常生理机能。

Zurzolo 还完善了她关于 TNT 如何以及为何形成的观点。 “我们的一般假设是，当细胞处于危险、垂死或受到压力时，细胞会尝试实施一种通常在发育过程中使用的通讯方式，因为我们认为这些 TNT 更适合在发育中的生物体中进行快速通讯，”她说。 “然而，当细胞受到疾病影响或感染病毒或朊病毒时，细胞会受到压力，它会发出这些突起，试图从健康细胞获得帮助——或排出朊病毒。”

鉴于 TNT 在癌症、HIV 和神经退行性疾病传播中的作用，研究人员和制药公司有兴趣寻找破坏它们的方法也就不足为奇了。 但是，如果这些结构也可以用于治疗目的呢？

再生医学中的意外作用

巴黎蒙多生物医学研究所的研究员安妮-玛丽·罗德里格斯 (Anne-Marie Rodriguez) 发现，TNT 有助于受损的心脏细胞从心脏病发作中恢复 (TNTs help injured heart cells recover from heart attacks)。 心脏病发作后，当心肌细胞因缺氧而受损时，它们受损的线粒体会释放称为活性氧的分子。 这些分子向附近的间充质干细胞发出警报，间充质干细胞开始产生更多的线粒体，并将 TNT 指向它们患病的邻居。 然后，干细胞通过 TNT 连接捐赠健康的替代线粒体。 罗德里格斯解释说，通过这种方式，干细胞既是受损组织的传感器，也是救援者。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的再生医学和干细胞研究员斯蒂芬妮·切尔基 (Stephanie Cherqui) 偶然发现 TNT 在她正在开发的胱氨酸病治疗中起着关键作用，胱氨酸病是一种由单个缺陷基因引起的罕见疾病。 这种缺陷会导致氨基酸胱氨酸在全身组织中积累到有毒水平，尤其对肾脏造成损害。

切尔基治疗该疾病的策略（她正在小鼠模型中开发）是从骨骼中提取造血（产生血液的）干细胞，并将缺陷基因的功能拷贝插入其中。 然后，她可以用化疗清除骨髓中原有的干细胞，并引入工程干细胞，以便它们能够重新建立自己。

“我的同行怀疑骨髓干细胞是否会对组织损伤有任何作用，”切尔基说。 “我也非常惊讶地看到，血液干细胞可以在胱氨酸病小鼠模型的余生中修复组织损伤。”

工程干细胞究竟是如何拯救小鼠的？ 切尔基解释说，首先，它们分化成称为巨噬细胞的免疫细胞，并迁移到受损的肾脏组织。 到达那里后，巨噬细胞与受损细胞形成 TNT，并将溶酶体（装满健康酶的小包裹）转移到患病细胞。 患病细胞也通过相同的通道将它们有缺陷的溶酶体送回巨噬细胞。

“这是我们展示的一种新的作用机制，现在我们认为我们可以将这种治疗方法应用于比我们想象的更多的疾病，”切尔基说。

她正在使用类似的方法来治疗一种称为弗里德赖希共济失调的线粒体疾病。 她说：“我们真的很惊讶地看到，我们可以完全拯救该疾病的小鼠模型”。 在初步的细胞培养研究中，她表明，工程治疗性干细胞可以变成巨噬细胞，通过 TNT 传递健康的线粒体。 她现在正在研究包括大脑、心脏和肌肉在内的组织中的这个过程。

“令人惊叹的是，研究进展如此之快，以及我们现在对 TNT 参与健康或疾病的多少个不同方面了解了多少，”切尔基说。 “我真的相信这些细胞质突起是人类健康和疾病状态的关键。”

基本功能

虽然许多科学家对 TNT 及其阐明健康和疾病许多方面的潜力感到兴奋，但其他人仍然持怀疑态度，因为对 TNT 的基本生物学知识了解得还不够透彻。

研究它们的研究人员一致认为，迫切需要了解触发这些微小管形成的细胞信号通路，确定可用于更清晰地标记它们的生物标志物，并表征纳米管和微管的结构和功能多样性。

“我们需要优秀的细胞生物学家来研究所有亚型。 我们现在不知道分子机制是否真的相似，”温克勒说。 “还有很多东西要学习。”

Zurzolo 同意，需要对这些结构的本质和作用进行严格的科学论证，以推动该领域向前发展。 尽管如此，她仍然相信 TNT 很重要。 “我确信它们 [TNT] 将有很多功能，并且它们将与许多疾病有关，因为归根结底，它是细胞间通讯，”她说。 “这是细胞的基本功能。”

经《量子杂志》 (Quanta Magazine) 许可转载，该杂志是西蒙斯基金会 (Simons Foundation) 的编辑独立出版物，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。