环境刚度通过Piezo1-TTR通路调控神经元电成熟的新机制

《Nature Communications》：Environmental stiffness regulates neuronal maturation via Piezo1-mediated transthyretin activity

本研究揭示了环境力学特性在神经元成熟过程中的关键调控作用。研究人员通过电生理记录、钙成像和基因编辑技术，发现较硬的基质会通过激活机械敏感离子通道Piezo1抑制TTR表达，从而延迟电压门控钠通道活性、动作电位产生和突触形成。在非洲爪蟾胚胎中证实脑组织刚度与突触密度呈负相关，人工硬化脑组织可延迟突触活动。该发现为神经发育障碍提供了新的力学视角，对理解脑回路发育具有重要意义。

　　

在我们的大脑中，神经元如何从简单的细胞转变为能够处理和传递信息的复杂网络？这一过程被称为神经元成熟，包括电压门控离子通道的表达、突触的形成以及动作电位的产生。长期以来，科学界认为神经元的电成熟主要受细胞内在因素调控。然而，越来越多的证据表明，外部环境也发挥着重要作用。特别是在发育中的神经系统，其机械特性存在显著的时空异质性，这提示我们：组织的力学特性可能是调控神经元成熟的关键因素。

为了探索这一假设，来自剑桥大学和埃尔朗根-纽伦堡大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新发现。他们证实，环境刚度确实是神经元电成熟的重要调节因子，并揭示了一条从机械感受到电活动成熟的完整信号通路。

研究人员主要运用了几项关键技术：原代海马神经元培养于不同刚度的聚丙烯酰胺凝胶（0.1 kPa vs 10 kPa）上模拟体内软硬脑区；全细胞膜片钳技术记录电压门控离子通道电流和动作电位；钙成像技术监测神经元自发活动；CRISPR-Cas9基因敲低技术靶向Piezo1和TTR基因；RNA测序进行差异表达基因分析；原子力显微镜测量非洲爪蟾脑组织刚度；FM1-43染色标记功能性突触。

突触密度在硬基质上低于软基质

通过在软（0.1 kPa）和硬（10 kPa）基质上培养原代海马神经元，研究人员发现硬基质上兴奋性谷氨酸能和抑制性GABA能突触密度均显著降低。Sholl分析排除了神经元生长和分支复杂性差异的影响，表明刚度直接调控突触形成。

钠电流密度在硬基质上低于软基质

膜片钳记录显示，硬基质上神经元电压门控钠电流密度显著降低，而钾电流密度无显著差异。细胞电容增长相似，表明刚度不影响神经元大小，但特异性延迟电压门控钠通道表达。

自发和诱发动作电位在硬基质上延迟

软基质神经元在培养第5天（DIV 5）开始产生自发动作电位，而硬基质神经元直到第10天才出现自发活动。电流注入实验进一步证实硬基质神经元兴奋性在发育早期较低，但在第14天出现反转，表明刚度延迟而非阻止电成熟。

基质刚度依赖性神经元活动由Piezo1介导

通过CRISPR-Cas9敲低Piezo1表达，硬基质上神经元的电活动缺陷得到显著改善。钙成像显示Piezo1敲低神经元在硬基质上活动分数与软基质对照组相当，证实Piezo1在刚度感知中的核心作用。

Piezo1通过运甲状腺素蛋白调控刚度依赖性神经元活动

RNA测序发现TTR是软硬基质间差异最显著的基因，在软基质上表达更高。Western blot验证此结果。TTR敲低神经元在软基质上活动性降至硬基质水平，证实TTR是Piezo1下游关键效应因子。

体内突触形成受组织刚度调控

在非洲爪蟾胚胎中，脑刚度与突触密度呈显著负相关，软区域形成突触概率是硬区域的4倍。应用转谷氨酰胺酶硬化脑组织后，特征性突触模式消失，但恢复8小时后突触形成，证实刚度延迟而非阻止体内突触形成。

研究结论表明，环境刚度通过Piezo1-TTR通路精确调控神经元电成熟时序。发育过程中脑组织刚度逐渐增加，可能作为停止信号限制过度突触发生，确保神经连接特异性。该机制为理解脑区特异性成熟速率和神经发育障碍（如自闭症、精神分裂症）提供了新视角，这些疾病常伴随脑组织力学特性改变。此外，衰老和神经退行性疾病中的脑力学变化也可能影响神经元功能，提示力学环境调控可能是神经发育和疾病的普适性机制。

这项工作不仅揭示了力学信号在神经发育中的新颖作用，更重要的是提供了一条从机械感受到电活动的完整信号通路，为未来干预神经发育障碍提供了潜在靶点。理解组织刚度在何时何地调控神经元成熟，将有助于认识健康神经回路的形成机制，并为相关疾病治疗提供新思路。