2010年，神經(jīng)生物學家Beth Stevens從實驗技術員升級為明星研究員；在她40歲時，也就是在波士頓兒童醫(yī)院擔任首席研究員的第二年，出任了哈佛醫(yī)學院兼職教授一職。她的資歷過人，與備受矚目的研究者合作，在權威期刊上發(fā)表了大量文章。
像其他年輕研究者一樣，她曾擔心自己的研究可能會失敗。她并未選擇小型、容易管理的項目，而是將目光瞄準了一項極具挑戰(zhàn)性的科研設想項目：即研究大腦與人體免疫系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而解釋大腦的發(fā)育及疾病。雖然她曾在斯坦福大學做博士后時期收集了初步的研究數(shù)據(jù)，但后期還需要進一步深入考量。她曾想“如果自己的研究讓人失望該怎么辦？”
Stevens和她斯坦福大學的導師Ben Barres曾提出，大腦中的小膠質(zhì)細胞在胚胎和后期發(fā)育時期修剪了神經(jīng)細胞之間的連接，作為補體經(jīng)典通路信號的應答。她們假設，如果補體系統(tǒng)出現(xiàn)故障，小膠質(zhì)細胞修剪的突觸連接過多或過少，則可能引起神經(jīng)發(fā)育異常及神經(jīng)退行性疾病。
最近，Stevens及其他研究者在《科學》和《自然》上發(fā)表文章，將補體通路和小膠質(zhì)細胞與疾?。ㄈ缇穹至寻Y、阿爾茨海默病及西尼羅病毒感染引起的認知問題）聯(lián)系起來。一項亨廷頓病研究即將開展。雖然一些科學家認為此類研究不會在短期內(nèi)產(chǎn)生成果，但阻斷腦內(nèi)補體系統(tǒng)的抗體來治療青光眼及其他神經(jīng)退行性疾病的臨床試驗將在2017年初開展。
杜克大學神經(jīng)學家Cagla Eroglu 曾評價Stevens目光犀利，有極強的專注力和旺盛的精力。打個不恰當?shù)谋扔?，她目光的穿透力和精神上的專注力足以把桌子上的玻璃杯弄倒。他和Stevens在斯坦福大學相識。斯坦福也是Stevens 和 Cagla 完成博士后學習的地方。
在波士頓兒童醫(yī)院生命科學中心經(jīng)常會出現(xiàn)的一個場景是：Stevens拿著一瓶無糖可樂，在白板上寫著項目計劃和基金申請的列表。在Stevens的實驗室中，一個項目團隊負責研究補體系統(tǒng)的激活，第二個團隊觀察小膠質(zhì)細胞，另一個團隊則研究為何某些突觸的修剪會發(fā)生得比較頻繁。Stevens的多交叉策略是一項明智之舉，這一策略使其實驗室多產(chǎn)，加州大學的神經(jīng)學家Eric Huang 認為：“這能為該領域打開多個新方向”。
Stevens對生物科學感興趣始于她大學預修課的生物學教師講述了他在臨床微生物學實驗室時候的故事，那年她高三。在美國東北大學，Stevens像他的老師一樣也在醫(yī)院實驗室工作。她最得意的案例是她找到了一次食物中毒事件的原因——被單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）感染的香腸。Stevens原本的計劃是成為一名醫(yī)生，但她更多的興趣點是成為一名研究人員?！芭c跟患者待在一起相比，她更感興趣的是疾病的發(fā)生機理?！?/span>
1993年，當Stevens臨近畢業(yè)時，她的教授建議其前往美國國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）積累更多研究經(jīng)驗。當時Stevens的丈夫在華盛頓得到了工作機會，Stevens也決定在NIH找份工作。那是互聯(lián)網(wǎng)招聘前的時代，Stevens每周要趕到NIH瀏覽招聘公告，她在附近餐館打了份工，這樣她可以更方便地前往NIH查看最新的工作。數(shù)月過去了，她的簡歷仍被冷落。一天，神經(jīng)科學家Douglas Fields習慣性地迅速翻閱被拒簡歷，冷不防發(fā)現(xiàn)了Stevens，遂撥打了她的電話，向這位22歲的年輕人提供了一份實驗員的工作。雖然Stevens “完全是個新手”，但不久后Douglas Fields就任命她為實驗室主任。
Fields 教授的興趣點是大腦活動如何增加神經(jīng)細胞特定基因表達，包括編碼黏附蛋白L1的基因，L1幫助膠質(zhì)細胞在軸突的脂肪絕緣層（即髓鞘）中實現(xiàn)盤繞。Stevens忘我工作，嘗試在培養(yǎng)皿中模擬這一過程，她終于成功了。Fields教授在發(fā)表的研究論文中把她的名字列為合作作者。這對一名實驗室技術員來說是一份難得的殊榮。從此Stevens 對神經(jīng)膠質(zhì)細胞充滿了熱情，這種細胞被神經(jīng)科學家稱為“管家細胞”，被動地為神經(jīng)細胞提供營養(yǎng)，并吸收多余的鐵和神經(jīng)遞質(zhì)。
Stevens決定在馬里蘭大學讀完神經(jīng)科學博士，同時繼續(xù)在NIH工作。在完成學業(yè)后，她成為了Fields教授實驗室的全職實驗室技術人員。這期間，Stevens引起了美國國立神經(jīng)疾病和卒中研究所（National Institute of Neurological Disorders and Stroke，NINDS）主管Story Landis的注意。Landis建議她追求獨立的科學生涯，在別處接受博士后研究員職位，并承諾可以引見。最終，Barres（世界頂尖膠質(zhì)細胞研究者之一）邀請Stevens加入他的實驗室，她接受了邀請。
Barres回憶，“Stevens 總是精力旺盛，她能工作到很晚，無論假日還是周末?！彼€是實驗室社交活動和生日派對的發(fā)起人。Eroglu認為：“一些科研人員會享受科學帶來的挑戰(zhàn)，他們愿意承受，并為之付出代價，Stevens很享受她的工作，與其共事是一件樂事?！?/span>
Barres及其團隊長期研究腦內(nèi)星形膠質(zhì)細胞，該細胞分泌影響神經(jīng)細胞生長的化學物質(zhì)。Barres實驗室的博士后研究員Karen Christopherson發(fā)現(xiàn)了星形膠質(zhì)細胞另一令人矚目的性質(zhì)：星形膠質(zhì)細胞誘導神經(jīng)細胞大量產(chǎn)生一種被稱為C1q的蛋白。而既往研究顯示，在機體另一部位，C1q可觸發(fā)補體經(jīng)典通路的復雜分子級聯(lián)反應。補體系統(tǒng)在全身將病原體和受損細胞標記為細胞垃圾，讓免疫系統(tǒng)中的巨噬細胞能識別這些垃圾成分。
Christopherson的發(fā)現(xiàn)使得Barres和Stevens猜測，在子宮內(nèi)和出生后，補體系統(tǒng)是否在大腦發(fā)育中發(fā)揮了關鍵作用：標記和修剪新形成的突觸，只留下功能連接。如果C1q是修剪所必需的，他們假設，缺乏這種蛋白，小鼠的突觸會遭到破壞。
Stevens和Barres獲得了C1q基因敲除小鼠，用于探索腦視覺系統(tǒng)（稱為視覺丘腦）的深部區(qū)域改變。在新生動物睜開眼睛前，該區(qū)域的神經(jīng)細胞經(jīng)歷了大量突觸修剪，留下了整齊有序的系統(tǒng)，其中大多數(shù)細胞僅接受右眼或左眼一側(cè)的輸入信號。
Stevens發(fā)現(xiàn)，C1q缺陷型小鼠未表現(xiàn)出任何明顯視覺異常。但視覺通路的關鍵中繼中心外側(cè)膝狀核（lateral geniculate nucleus，LGN）有過多神經(jīng)元連接，這表明C1q是突觸修剪所必需的。事實上，在健康小鼠成熟大腦的神經(jīng)細胞中缺乏該蛋白，這提示C1q僅在大腦發(fā)育早期發(fā)揮短暫的作用。Stevens還發(fā)現(xiàn)，在青光眼（視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞遭到破壞）小鼠模型中，C1q水平高于正常值。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表于2007年的《細胞》雜志上。
在之后的C1q敲除小鼠研究中，與Stevens和Barres合作的斯坦福大學神經(jīng)科學家David Prince發(fā)現(xiàn)，動物大腦皮層超連接的神經(jīng)線路使動物易出現(xiàn)癲癇、失憶及其他認知障礙。Stevens及其同事下一步想要了解出生后大腦中何種物質(zhì)發(fā)揮了修剪功能。Barres實驗室的博士后研究員Axel Nimmerjahn通過小鼠顱骨透明窗口記錄的腦組織細胞的變化發(fā)現(xiàn)，在腦內(nèi)發(fā)揮小吞噬細胞功能的小神經(jīng)膠質(zhì)細胞可能進行著修剪工作。這些細胞不斷伸出和縮回細長的突觸，似乎在積極探索。Stevens從未見過任何其他細胞如此有目的地運動。
在此之前，Stevens等人忽視了小膠質(zhì)細胞，因為之前認為這類細胞在腦內(nèi)出現(xiàn)太晚而無法影響神經(jīng)發(fā)育。但美國紐約西奈山醫(yī)學院的Miriam Merad小組證實，早在妊娠期胎兒大腦中就有小膠質(zhì)細胞（Science, 5 November 2010, p. 841）。Stevens指出，這使小膠質(zhì)細胞成為早期突觸修剪的“完美候選者”。小膠質(zhì)細胞還是唯一已知擁有C3（補體級聯(lián)的下游產(chǎn)物）受體的腦細胞。
在結(jié)束Barres那里的博士后研究員工作后，Stevens接受了波士頓的工作，回到了美國東部。她的首個挑戰(zhàn)是找到檢測小膠質(zhì)細胞是否攝入突觸碎片的方法。Stevens聘用的首個博士后研究員Dori Schafer想到，將基因工程小鼠（使小膠質(zhì)細胞在紫外線下發(fā)出亮綠色光）與一個Barres和Stevens用來梳理視網(wǎng)膜向LGN投射的系統(tǒng)結(jié)合起來。該系統(tǒng)使連接一只眼睛的突觸顯示紅色，連接另一只眼睛的突觸顯示藍色。Schafer要做的是找出綠色小膠質(zhì)細胞中的紅色和藍色突觸。
神經(jīng)細胞活動增強了突觸連接，而不活躍的突觸則會被清除。Stevens等人預測小膠質(zhì)細胞將會追逐較弱的神經(jīng)細胞連接。Schafer向小鼠眼部給藥，以增加或減少眼部神經(jīng)細胞的電活動。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小膠質(zhì)細胞對不活躍突觸連接的吞噬和修剪更為積極。Stevens還使用了缺乏小膠質(zhì)細胞補體受體的小鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這降低了細胞吞噬突觸的速率。該小鼠比對照組小鼠擁有更多突觸，與C1q敲除小鼠類似。
正當Schafer和Stevens撰寫文章時，歐洲分子生物學實驗室（European Molecular Biology Laboratory）的Cornelius Gross小組在《科學》上發(fā)表了一篇類似的文章。該研究提示，小膠質(zhì)細胞在海馬中發(fā)揮突觸修剪功能，但指向了一種不同的免疫相關蛋白，稱為Fractalkine，其帶領小膠質(zhì)細胞在腦內(nèi)遷移。在缺乏該蛋白受體的小鼠中，神經(jīng)細胞連接成熟延遲。但Gross的工作并未指明修剪的明確機制。Schafer和Stevens加速在《神經(jīng)元》（Neuron）雜志上發(fā)表其補充工作。Gross認為，她們的工作充滿挑釁意味，因為補體經(jīng)典通路長期以來被認為參與攝入病原體、死亡或受損細胞，“這幾乎是確鑿無疑的?！?/span>
即使現(xiàn)在，也沒有人能最終確定小膠質(zhì)細胞可以在活體動物大腦中吞噬突觸。Gross從前后圖像（顯示小膠質(zhì)細胞在突觸附近，或者在吞噬突觸碎片）中注意到，這項證據(jù)可能是偶然的。在這些圖像中，并不清楚小膠質(zhì)細胞是否主動吞噬突觸或僅僅是吞噬了已經(jīng)變?nèi)趸蛎撀涞乃槠?。但現(xiàn)任馬薩諸塞大學醫(yī)學院助理教授的Schafer認為，Stevens可能會找到捕捉活動中的修剪的方法。Stevens正在研究小鼠的barrel皮層，這一區(qū)域連接到動物的胡須。Stevens認為，對于突觸改變，“如果我們對一根胡須進行操作，我們就能準確地知道要看哪里”，這應該會增加捕捉到處于吞噬突觸中的小膠質(zhì)細胞圖像的幾率。
雖然現(xiàn)在普遍接受，C1q對于生命早期的神經(jīng)連接是必需的，但越來越多的證據(jù)表明，該分子在以后是有害的。Barres發(fā)現(xiàn)，隨著小鼠和人類變老，C1q水平在腦內(nèi)升高至300倍。Stevens等人進一步證實，與未接受處理的對照組相比，在老年小鼠中降低其水平或阻斷其啟動補體級聯(lián)反應的能力會減少認知和記憶下降。
人類疾病研究暗示，補體可以觸發(fā)有害的突觸喪失。2016年1月，哈佛醫(yī)學院的遺傳學家Steven McCarroll報告了C4A基因的證據(jù)，該基因編碼補體蛋白下游的C1q，可能是精神分裂癥中突觸喪失和腦組織變薄的原因。對超過64000人的基因組數(shù)據(jù)的分析顯示，患有精神疾病的人相比對照組更可能擁有過度活躍的C4A。McCarroll與Stevens、Michael Carroll合作，發(fā)現(xiàn)敲除了C4A基因的小鼠出生后，在發(fā)育期間突觸修剪減少。
2016年2月，Stevens在《科學》上發(fā)表的文章表明，小膠質(zhì)細胞是阿爾茨海默病早期突觸喪失的原因。在數(shù)個經(jīng)飼養(yǎng)產(chǎn)生過多淀粉樣蛋白（阿爾茨海默病患者腦內(nèi)斑塊的元兇）的小鼠品系中，異常高水平的C1q激活了小膠質(zhì)細胞，在斑塊形成和認知損害前破壞了功能性突觸，這與觀察結(jié)果（即與淀粉樣蛋白相比，突觸喪失是一種更有力的預測因素）一致。
最近，神經(jīng)生物學家Robyn Klein與Stevens小組進行合作，其研究證實，西尼羅病毒感染恢復期間補體經(jīng)典通路加速運轉(zhuǎn)，驅(qū)使小膠質(zhì)細胞以危險的速率吞噬突觸。這可以幫助解釋為何超過一半的人在感染后出現(xiàn)慢性記憶損害。
此類發(fā)現(xiàn)引起了臨床上將C1q作為靶標的興趣。Annexon生物科學公司（由Barres于2011年合作創(chuàng)立）正在致力于這一方向。在小鼠數(shù)據(jù)提示阻斷C1q有益于多發(fā)性神經(jīng)退行性和自身免疫性疾病后，Annexon開發(fā)了可以結(jié)合補體蛋白、阻斷其作用的抗體。
Stevens（Annexon股東）打算明年在阿爾茨海默病、亨廷頓病和青光眼患者中開展這些藥物的臨床試驗。但Huang等人提醒，這些藥物可能不會在更為復雜的疾病如精神分裂癥中產(chǎn)生療效。
在通過了建立實驗室這一考驗后，Stevens數(shù)年前的焦慮一掃而空。她對科學充滿信心，并習慣于導師這一新角色，力圖將他人對她的幫助延續(xù)下去。Stevens將Barres 風格的孵化器“轉(zhuǎn)移”到了波士頓。
最近在波士頓，Stevens與年輕研究者們一起共度歡樂的聚會時光。當人們看到其他人開始其事業(yè)時，似乎覺得毫不費勁，“他們并不知道你正在經(jīng)歷什么”，這位前女服務員和實驗員談到，“當你有機會和他們聚在一起，喝著啤酒，你才意識到我們正在經(jīng)歷相同的事情?！?/span>
參考文獻：Science 2016;353:762-765
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