《Neuron》：Tunneling nanotubes in the nervous system: The fourth pillar of brain connectivity
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隧道纳米管（TNTs）是纤细的、基于肌动蛋白（actin）的膜性管道，能使远距离细胞之间进行直接和间接的细胞质交换。曾被认为是罕见的体外现象，TNTs 正日益被研究人员视为中枢神经系统（CNS）中动态的细胞间通讯路径。在此，研究人员讨论了支持TNTs在大脑中存
隧道纳米管（TNTs）是纤细的、基于肌动蛋白（actin）的膜性管道，能使远距离细胞之间进行直接和间接的细胞质交换。曾被认为是罕见的体外现象，TNTs 正日益被研究人员视为中枢神经系统（CNS）中动态的细胞间通讯路径。在此，研究人员讨论了支持TNTs在大脑中存在及功能相关性的新证据，它们在生理协调和病理扩散中的作用，以及它们对理解神经连接性（neural connectivity）所需的概念转变。研究人员认为，TNTs 代表了一个先前未被充分认识的大脑组织层次——该层次可能关键性地塑造神经退行性病变（neurodegeneration）、神经炎症（neuroinflammation）和修复——并概述了推动该领域发展的关键实验和理论方向。
**脑连接性超越突触和缝隙连接（Beyond synapses and gap junctions）**
中枢神经系统（CNS）的传统结构由经典连接组（connectome）定义，包括突触连接、缝隙连接（gap junctions）、细胞外信号通路和长距离轴突投射。然而，纳米级成像和固定方法的进步揭示了细胞不仅能通过突触释放、分泌囊泡或缝隙连接通讯，还能通过纤细的动态膜桥建立直接或间接的细胞质通讯，支持分子和细胞货物的转移。隧道纳米管（TNTs）最初在体外培养的大鼠嗜铬细胞瘤（PC12）细胞和人胚胎肾（HEK）及正常大鼠肾（NRK）细胞系中被描述。TNTs呈直的、三维桥梁状，悬浮于细胞基质之上，区别于板状伪足或丝状伪足延伸。这些结构基于丝状肌动蛋白（F-actin），直径50 nm至1 μm，长度可达数百微米。它们表现出形态和结构多样性，包括开放端和封闭端纳米管，从而实现细胞膜接触和细胞质连续性。较大或更稳定的TNT变体可包含微管（microtubules），支持细胞质材料的长距离运输，包括细胞器、囊泡、错误折叠蛋白甚至病原体。TNTs的短暂性和脆弱性使其对机械应力、长时间光照和固定方法敏感，这解释了为何在传统组织学制备中未被发现。
**TNTs在CNS中的生理作用（TNTs’ physiological roles in the CNS）**
TNTs正在成为CNS中细胞间通讯的多功能介质。研究人员在此考察了TNT介导的连接如何支持发育模式、神经血管整合、代谢耦合和免疫监视等背景下的协调细胞行为。
**脑发育和可塑性（Brain development and plasticity）**
在发育过程中，TNTs和TNT样突起可能作为互补的通讯结构，实现直接、长距离且可能靶向性的细胞间交换。人胎儿神经干细胞（hNSCs）在体外形成F-actin和巢蛋白（nestin）阳性的TNT样连接，通过其转移功能性线粒体。巢蛋白作为结构成分的鉴定及线粒体转移表明TNT介导的相互作用可能有助于维持干细胞生理。发育中的神经元与星形胶质细胞之间的瞬时TNT样相互作用与钙和去极化信号以及连接蛋白43（connexin 43）表达增加有关，但需谨慎解释。在斑马鱼胚胎中，Wnt8a可通过Cdc42/N-Wasp阳性的“特化丝状伪足”或“细胞丝足（cytonemes）”运输，在神经板形成过程中将信号配体直接递送至靶细胞。在哺乳动物胚胎中脑发育过程中，TNT样突起在神经管闭合期间连接细胞间的间隙，但分子机制尚待阐明。
**血管发育和神经血管协调（Vascular development and neurovascular coordination）**
周细胞（pericytes）形成特化的纳米管样连接，称为周细胞间TNTs（IP-TNTs），连接不同毛细血管段的周细胞，形成功能性网络支持长距离通讯。IP-TNTs运输线粒体等细胞器并传播细胞间钙波。在小鼠视网膜中，这些结构对于协调血流反应和神经血管耦合至关重要。周细胞来源的TNTs也在脑血管化过程中被鉴定，连接远端血管或发芽毛细血管，提示TNT样机制参与早期血管模式和成血管过程。
**代谢和细胞器共享（Metabolic and organelle sharing）**
TNTs最引人注目的功能之一是细胞间细胞器转移，特别是线粒体。在CNS中，星形胶质细胞向神经元的线粒体转移被认为是缺血、氧化损伤或兴奋性毒性条件下的神经保护反应。Rho-GTP酶Miro1在调节细胞间线粒体转移中起关键作用。背根神经节中的初级感觉神经元可通过肌球蛋白X（myosin X）依赖的TNTs从胶质细胞接收线粒体，保护神经元功能并预防神经病理性疼痛。小胶质细胞也积极参与交换：在神经元代谢应激下，它们通过TNTs向神经元转移健康线粒体，恢复线粒体膜电位并减少活性氧产生。此外，小胶质细胞之间的线粒体交换有助于限制氧化应激和调节炎症反应。TNTs还能介导溶酶体、核糖体等其他细胞器的转移，以及mRNA和信号介质等小分子货物的转移，并通过树突-树突纳米管（DNTs）传播钙通量。
**免疫监视和神经炎症（Immune surveillance and neuroinflammation）**
免疫系统证据支持TNTs在协调免疫反应中的作用。树突状细胞（DCs）建立TNT网络，钙通量可在数秒内传播至邻近细胞。TNTs可能促进抗原呈递和适应性免疫激活。在CNS中，小胶质细胞形成TNT样结构，使监测扩展到局部过程之外。例如，负载有毒蛋白聚集体的小胶质细胞与幼稚小胶质细胞形成TNT样连接，重新分配蛋白毒性负荷。TNTs可能同步小胶质细胞激活状态，并促进抗原交换或细胞内病原体传播，增强免疫监视或有害介质扩散。在慢性炎症中，TNT形成增加可能维持细胞激活状态或传播炎症信号，但也可能通过重新分配炎症负担促进消退。
**TNTs在疾病中：病理学的高速公路（TNTs in disease: Highways of pathology）**
TNTs可能沿连续谱运作——在应激下支持组织弹性，同时创造疾病过程可利用的脆弱性。它们介导直接细胞质连续性、运输复杂货物并连接远距离细胞，在CNS中重新塑造病理传播方式。
**神经退行性疾病：从聚集体传播到假设的网络化蛋白质稳态（Neurodegenerative disorders: From aggregate spread to putative networked proteostasis）**
TNTs广泛参与α-突触核蛋白（α-synuclein）、tau、β-淀粉样蛋白（Aβ）、亨廷顿蛋白（huntingtin）和TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）等聚集倾向蛋白的细胞间转移。在帕金森病（PD）模型中，小胶质细胞形成TNT网络，重新分配α-突触核蛋白聚集体，并伴随线粒体转移，减少活性氧产生。神经元与小胶质细胞之间的TNT介导交换使神经元提取聚集体并在小胶质细胞中降解，同时通过线粒体捐赠支持神经元代谢。蛋白聚集体在神经元系统中通过溶酶体间隔运输，提示TNT介导交换与细胞内运输通路耦合。LRRK2突变（如G2019S）损害有效的小胶质细胞降解网络，而TREM2突变降低tau清除效率但不影响线粒体递送，提示清除和代谢支持通路解耦。在亨廷顿病（HD）中，突变亨廷顿蛋白（mHTT）通过Rhes促进的TNT样突起在神经元间转移。在阿尔茨海默病（AD）中，Aβ通过TNT样和DNT连接传播，低水平Aβ促进纳米管形成，而高水平则抑制连接性，形成反馈回路。TDP-43在肌萎缩侧索硬化症（ALS）中的类似传播被描述。
**病毒感染：隐匿的传播路径（Viral infections: Hidden pathways of dissemination）**
神经嗜性病毒可劫持TNT样结构直接在细胞间移动，绕过细胞外空间并逃避免疫检测。病毒可在TNT内或沿其表面转移，包括HIV、疱疹病毒和SARS-CoV-2。在CNS中，此类机制可促进快速传播、病毒持续存在和对免疫清除的抵抗。流行病学联系提示病毒感染与神经退行性疾病相关，TNT介导的病毒传播可能促进长期神经病理学，TNTs可能作为感染和神经退行性变之间的界面。
**关键挑战和未来方向：从鉴定到整合（Key challenges and future directions: From identification to integration）**
该领域正处于从描述性观察到机制性、定量和系统水平理解的关键阶段。
**在体内定义TNTs：从形态到功能（Defining TNTs in vivo: From morphology to function）**
体内环境的结构和机械约束可能显著改变TNT形态和动力学，使其更短、更曲折或部分嵌入组织。缺乏明确标记物，当前鉴定依赖结构标准和推断功能，增加了误分类风险。细胞间货物转移能力可能是最具定义性的标志，建议将TNTs视为功能实体而非严格形态结构。进展依赖于识别TNT特异性分子特征。蛋白质组学分析已鉴定出CD9和CD81等调节因子，激光捕获显微切割结合质谱揭示了TNT特异蛋白富集。技术进步包括活体成像、相关光-电镜、遗传工具和空间转录组学/蛋白质组学。
**形成和调控机制：构建TNT网络（Mechanisms of formation and regulation: Building TNT networks）**
在非神经系统中，TNT生物发生涉及肌动蛋白细胞骨架重塑、膜曲率和张力以及应激反应信号通路。肌动蛋白聚合由M-Sec（TNFAIP2）、RalA和外泌复合体（exocyst complex）等蛋白调控。在CNS中，这些机制可能被细胞类型特异性程序塑形。小胶质细胞显示快速肌动蛋白重塑并对炎症信号高度响应，提示免疫信号通路如NF-κB激活可能直接调控TNT诱导。在神经元和星形胶质细胞中，钙信号和活动依赖性过程可能将TNT形成与网络活动耦合。TNT形成在细胞应激（氧化应激、缺氧、蛋白毒性负担）下增强，提示其作为保守应激反应程序。应激信号级联如何转化为TNT生物发生仍不清楚。TNTs可能源于主动调控的程序或生物物理约束，且可能具有短暂或持久的特性。
**功能定量：评估TNT介导的通讯（Functional quantification: Assessing TNT-mediated communication）**
关键瓶颈是确定TNTs相对于已建立通讯路径的功能贡献。需要转向量化细胞网络中的物质通量。未解答的问题包括TNTs介导的交换比例、转移动力学和方向性以及空间范围。活细胞成像结合颗粒追踪和遗传编码报告分子（如光激活线粒体、钙指示剂）已提供体外和离体转移动力学的初步估计。SILAC等蛋白质组学方法提示TNTs支持广泛的细胞间蛋白质组交换。未来需要将方法扩展到完整组织，包括活体成像、多重报告分子、空间解析组学和计算建模。
**人类相关系统和实验可及性（Human-relevant systems and experimental access）**
人类诱导多能干细胞（iPSC）和胚胎干细胞（hESC）衍生培养物及下一代脑类器官（特别是包含血管、小胶质细胞和细胞外基质成分）为研究TNT生物学提供了有前景的平台。类器官提供三维结构、空间组织和多细胞多样性。同时，类器官受限于成像深度和光学分辨率，补充分离系统如器官型脑切片和微流控装置提供了实验可及性。透明动物如斑马鱼允许直接可视化，体积电子显微镜和连接组重建也在小鼠和人类神经组织中揭示纳米级膜延伸。关键进展是从被动观察到因果操纵，需要开发遗传编码TNT报告分子、膜锚定传感器和选择性扰动工具，如光遗传学和合成生物学方法。
**未来展望：治疗潜力、衰老和适应性连接性（Future perspectives: Therapeutic potential, aging, and adaptive connectivity）**
操纵TNTs的能力引出其作为治疗靶点的概念，但目前仍高度推测。TNTs呈现根本性悖论：同一网络可传播有毒聚集体、病毒颗粒或致癌信号，也可通过线粒体转移、代谢耦合和应激缓冲支持组织弹性。未来治疗策略可能偏向有益交换同时限制病理传播，需要识别TNT起始、货物识别、方向性和稳定化的分子决定因素。脑衰老伴随氧化应激、线粒体功能障碍和蛋白质稳态受损，可能影响TNT动力学，但直接证据有限。TNTs可能迫使重新考虑连接组本身，代表一种潜伏的通讯网络，在应激、损伤或疾病时迅速动员，引入脑连接性的第四维度：适应性细胞间交换，模糊了细胞自主与网络水平过程之间的区别。
**结论（Conclusions）**
TNTs正在成为CNS中潜在重要且先前未被充分认识的细胞间通讯模式。尽管支持性证据不断增加，但该领域仍处于关键转折点，需要从描述性观察演进到机制性、定量和系统水平理解。主要挑战包括在体内定义TNTs、识别其分子特征、理解其形成和调控机制以及确定其相对于已建立通路的功贡献。这些问题的解决需要先进成像、分子谱分析、计算建模和人类相关实验系统的融合。TNTs可能最终促使对脑组织概念重新思考，表明神经连接性可能比先前认为的更具适应性，涉及细胞物质和代谢状态的直接交换，重新审视Cajal的神经元学说与Golgi网状理论之间的历史张力，提示一种条件性和瞬时细胞质连续性模型。确定TNTs是稀有适应性结构还是CNS通讯的基础层次，将需要整合细胞生物学、神经科学和系统水平方法，可能重塑对脑连接性的理解并开辟神经疾病治疗干预的新途径。
