第三届钟南山青年科技创新奖获奖者风采 | 彭勃:探幽大脑“微小守护者”

   日期:2024-12-29    作者:v48n5y 移动:http://mip.riyuangf.com/mobile/quote/79960.html
 作者 | 《中华儿女》记者 华南
 编辑 | 陈晰

小胶质细胞(microglia)是中枢神经系统中起源于卵黄囊的细胞。十几年前,在香港大学读博士研究生期间,彭勃第一次在显微镜下看到小胶质细胞,就觉得奇妙而美。视野中,小胶质细胞的细胞体很小,伸出几支树枝一样的突起,表面粗糙像有刺。细胞核形态并不规则,有肾形、椭圆形、短棒形,还有三角形。为此所吸引,他进入小胶质细胞这一中枢神经系统内最重要免疫细胞的科学探索之路。

彭勃进行学术演讲

当前,新一轮科技革命和产业变革深入发展,科技创新成为国际战略博弈的主要战场。习近平总书记强调,“国家科技创新力的根本源泉在于人”,“必须支持和鼓励广大科学家和科技工作者紧跟世界科技发展大势,对标一流水平,根据国家发展急迫需要和长远需求,敢于提出新理论、开辟新领域、探索新路径,多出战略性、关键性重大科技成果,不断攻克‘卡脖子’关键核心技术,不断向科学技术广度和深度进军,把论文写在祖国大地上,把科技成果应用在实现社会主义现代化的伟大事业中。”

走过十年。如今,彭勃已成长为复旦大学教授、博士生导师、脑科学转化研究院院长助理。他致力于神经免疫学研究,是脑科学研究领域“后起之秀”,在小胶质细胞研究领域具有国际影响力。他担任全球胶质细胞领域规模最大水平最高学术会议欧洲胶质细胞会议的程序委员会委员,是唯一的亚洲委员;参与全球小胶质细胞专家共识的起草,是唯一的国内起草人;自2020年起被Elsevier(爱思唯尔)评为中国高被引学者;在包括《细胞》(Cell)、《自然-神经科学》(Nature Neuroscience)、《神经元》(Neuron)、《细胞-干细胞》(Cell Stem Cell)、《免疫》(Immunity)等高水平学术期刊担任特约审稿人。

前不久,彭勃荣获第三届钟南山青年科技创新奖。

破解脑内小胶质细胞再殖现象的细胞起源之谜

作为大脑中一类重要的非神经元细胞,又是大脑中的常驻免疫细胞,小胶质细胞在大脑各种生理功能中扮演重要的调控角色,并参与中枢神经系统疾病的发生与发展,作为大脑中的“微小守护者”发挥着多种重要功能。

近年来,小胶质细胞科学研究备受关注,发展迅速。2015年,彭勃博士研究生毕业,成为小胶质细胞研究领域的一名新人。同年12月,他在中国科学院深圳先进技术研究院以副研究员的身份独立,组建了一支高水平的创新性研究团队,以小胶质细胞的更替起源和功能为主要研究内容,开展了一系列原创性的科研创新工作。

生物科学的基础研究是一项长周期工作,一个课题从立项到成果发表,通常需要三至五年,甚至更长。彭勃也是一样。只要实验需要,他和团队就要守在实验室盯进度。为此,他们看过深圳24小时中每个时辰的样子。有一次,为了能在工作时间内及时将样品送往其他机构并使用那边的设备进行接力操作,团队自发地在凌晨四点就开始了实验。当深圳这座城市还处在寂静之时,他们就在实验室开始忙碌了起来。大家在实验空隙啃着汉堡补充能量,并看着窗外的天色慢慢亮了起来。最后,团队圆满完成了实验。“那个时刻并不感觉累,反而觉得有一起吃苦的幸福,有团队的凝聚力,有共同的成就感和荣誉感。”彭勃说。

正因为有这么优秀的研究团队,彭勃才能够在实验室成立之初,就开展颇具挑战性的课题研究。与脑内的神经元细胞不同,小胶质细胞是一类处于更替之中的动态细胞,其时刻经历着细胞死亡与再生,并且两者之间达到动态平衡,维持细胞数目稳定。更替过程中新生小胶质细胞的起源是领域内长期以来的未解之谜,前人在小胶质细胞再殖这个特殊的更替状态中进行观察,认为新生的细胞起源于Nestin前体细胞。彭勃的直觉告诉自己,事情可能并没有那么简单。于是彭勃带领团队对小胶质细胞的再生起源展开科研攻关,并最终成功破解了脑内小胶质细胞更替再生的细胞起源之谜,从而结束了成年哺乳动物中枢神经系统内是否存在小胶质细胞前体细胞的重大争议,并对中枢神经系统再生研究和小胶质细胞稳态维持有着重大科学价值。“我们通过多种谱系追踪技术发现此前关于小胶质细胞更替再生的Nestin细胞起源假说并不正确,并证明再殖小胶质细胞完全起源于残存的小胶质细胞增殖。该现象是迄今为止在成年哺乳动物中枢神经系统内发现的唯一大规模细胞再生现象。”2018年2月,彭勃团队主导的这个研究工作发表在《自然—神经科学》杂志上。在题为《再殖小胶质细胞完全来源于残存小胶质细胞的自我增殖》的论文中,彭勃团队首次通过严谨的多种谱系追踪技术,系统阐述了再殖小胶质细胞的起源问题。

持续研究,屡有突破

2019年,彭勃加入复旦大学脑科学转化研究院,继续开展小胶质细胞的研究。

彭勃(前排左四)在 科 技 创 新2030——“脑科学与类脑研究”(中国脑计划)胶质细胞项目启动仪式上

次年,彭勃课题组基于对小胶质细胞更替再生机制的基础上(同时最初的现象是来自于一个实验意外),开发用外源性细胞替换原生小胶质细胞的移植方案,在全中枢神经系统范围内实现了高效地细胞替换。“我们开发的三种全新的小胶质细胞替换方案,首次在全中枢神经系统范围或特定脑区实现高效替换小胶质细胞。这为神经退行性病变提供了全新的治疗思路和实现方案。三种方案各自的优势和适用场景将给未来的临床治疗提供多种选择。我们的方案也是首次在中枢神经系统内实现大规模的细胞移植。”彭勃说。2020年8月11日,这一成果被《细胞-报道》(Cell Reports)刊发。投稿的时候刚好遇上新冠疫情,封控对文章修稿过程中补实验带来了很多不便,使得该研究工作远没达到其预期。然而,彭勃依然认为这是其团队最重要的研究工作。

接下来,他利用小胶质细胞替换的策略,率先将关注投入CSF1R相关性白质脑病(CRLE,又称为ALSP或HDLS)的治疗。“这是罕见病脑白质病的一种,病程进展非常迅速。”彭勃说,他曾见到一位患者刚确诊时还能独立行走、自由表达,然而不到一年时间,患者已经不能正常沟通和行走。鲜活生命的快速凋零,让彭勃很难过,他思考能否将前期科研成果进行临床转化。他们不仅首次在动物模型上实现了高效的小胶质细胞替换,利用该策略在CRLE小鼠模型上取得了很好的治疗效果,而且还首次将该策略用于临床治疗,取得了很好的治疗效果,可以几乎完全停止该疾病的进展。这是CRLE这类疾病唯一有效的临床治疗策略。“目前接受治疗的20余名患者,其运动能力都保持得很好,身体各方面机能没有明显退化,并且有一定的逆转趋势。我们团队率先提出这种方法治疗疾病,第一个用于临床,并且治疗效果很好。”这让彭勃兴奋不已。目前该研究工作在修稿之中。

2021年,彭勃团队阐明了NeuroD1在小胶质细胞中的作用。前人的研究中,认为NeuroD1可以诱导小胶质细胞分化成神经元,并提出了通过这种方法治疗神经系统疾病的方法。“小胶质细胞是中枢神经系统内再生能力最强的胶质细胞。我们通过前期研究发现,小胶质细胞于再殖条件下,能够通过自我增殖的方式平均每天再生20%的细胞。如果能通过诱导小胶质细胞重编程,那么将相当于发现了一个无穷无尽的补给源,可用来大量补充受损的神经元。”彭勃说。然后,经过严谨的谱系追踪和活细胞成像等方法,彭勃团队证明了NeuroD1并不能介导小胶质细胞到神经元的转分化,而是通过BCL2依赖的凋亡途径介导小胶质细胞的死亡。进一步利用该现象,彭勃团队提出了以此作为分子开关(switch-off control),增加小胶质细胞替换疗法的安全性,使其变得可逆和可控。该研究工作发表在Neuron上。

2022年,彭勃带领团队再次取得突破。“在人类整个生命周期中,小胶质细胞自身也需要不断进行更替——老去的小胶质细胞不断死亡,而另一部分小胶质细胞则通过分裂产生新的小胶质细胞。新小胶质细胞的再生与老小胶质细胞的死亡达到动态平衡,维持着小胶质细胞群的稳定”,彭勃介绍说。在处于稳态的中枢神经系统中,小鼠和人类大脑中每年大约有25%至30%的小胶质细胞发生更替;另一方面,在发生病变的中枢神经系统中,小胶质细胞的更替率甚至还高于健康的中枢神经系统。如果不及时清除死亡细胞所产生的碎片,堆积的碎片就会干扰中枢神经系统的功能。特别是在通过药理学抑制CSF1R通路的情况下,脑内绝大部分小胶质细胞在几天之内被快速杀死,大脑内并不会发现大量的死亡小胶质细胞的碎片,说明脑内有一套快速且严密的机制来清除小胶质细胞的碎片。

最终,彭勃团队证明,小胶质细胞的碎片是由星形胶质细胞负责清除,并阐明了其相关机制。除此之外,利用CSF1R的药理学抑制模型,彭勃团队还发现在清除小胶质细胞后,小鼠展现出对全身麻醉诱导的抵抗。该团队证明了小胶质细胞能够促进麻醉的诱导过程,并稳定麻醉的维持状态。相关研究工作发表在《自然-通讯》(Nature Communications)和eLife上。

2023年,彭勃/饶艳霞团队在其前期研究的基础上,利用多种研究手段,进一步解析了小胶质细胞的老龄化进程,并首次在非老龄化的动物脑内引入了老龄化细胞,为解析老龄化小胶质细胞对机体的影响提供重要研究手段。同年9月,这一研究成果发表于《自然-老龄化》(Nature Aging)。为了帮助领域内研究人员获取相关数据,彭勃/饶艳霞团队建立了小胶质细胞图谱网站www.MicrogliAtlas.com,用于检索本研究工作所获取的组学数据。

2022年9月,脑科学与类脑研究国家科技重大专项(中国脑计划)胶质细胞项目正式启动。脑计划作为国家“十四五”重大战略规划,以阐释人类认知的神经基础为主体和核心,开展脑重大疾病的研究以及通过计算和系统模拟推进人工智能的研究。彭勃作为最年轻的脑计划常规项目首席科学家,牵头开展面向未来的脑科学研究。

“我研究的是小胶质细胞。希望能够以此为切入点,以小见大,见微知著。”

追求科学,坚韧、勇敢

彭勃其人,如同他名字的谐音“蓬勃”,如草一般的坚韧,“野火烧不尽,春风吹又生”。同时,他性格开朗、兴趣广泛,对挚爱的科研工作坚忍不拔、持之以恒,总是洋溢着勃勃生机。

中学时,彭勃喜欢计算机,很早就学习编程的他,曾在省信息学奥赛中获奖。他也曾是文学青年,在中学时担任校刊主编,写诗、写散文。他还喜欢摄影,中学时期花了大量时间学习、研究。

彭勃在高中时并不是传统意义上学业成绩好的学生,相反,他的“不务正业”让其在第一年参加高考时,遭遇了人生第一次“滑铁卢”。他的成绩只勉强超过二本线,远不能选择自己心仪的高校。在家人的支持下,彭勃决定复读重新再来。“在复读备考的那一年,我仔仔细细读课本上的内容,被‘杂交水稻之父’袁隆平与‘野败’、人类基因组计划等故事深深打动,决定大学就学生物,以后从事生命科学研究,当科学家。”时隔多年重提,彭勃还是眼前一亮。在此之前,周围人都认为这个爱好广泛的孩子会沿着计算机的路一直走下去。哪知这一年的复读备考让他却悄然转身,毅然决然地投入新的赛道。

一年后,彭勃以全市理科十来名的好成绩,如愿考入华中科技大学生物技术专业。尽管本科期间尚未接触真正的科学研究,但生物学的魅力依旧深深吸引着他。“那几年我把几乎全部心思花在了学业上。”基于对学科的理解和思考,彭勃认为,人的心理活动会受到其生物学基础的影响,因此他辅修了华中师范大学心理学的双学位,期待未来“把两者组合,创立生理心理学”。随着学习深入,彭勃发现,生理心理学早已是一门成熟的学科,但他并没沮丧,反而更笃定自己“此生要搞科研”。

2015年,彭勃在香港大学获得博士学位

内心虽定,一路走来仍旧遍尝百种滋味。“我读过两次博士,拿到了一张肄业证明和一个博士学位。第一次硕博连读的经历是失败的。最糟的时候,连续一个月每天从早到晚泡在实验室里,却连一对有突触连接的神经元都记录不到。要知道,当通过膜片钳同时记录脑片中相距100微米左右的2个细胞时,能够记录到有突触联系的几率大约是10%。而我能够同时记录3个神经元细胞,中间至少有一对细胞存在突触联系的几率大概是27.1%。就这样连续了一个月,连一对有突触联系的细胞都没记录到。”这个年轻人开始陷入自我怀疑,他更加勤奋地做实验,却更加彻底地失败。他的焦躁情绪甚至不可遏制地“牵连”了实验小鼠。平日,研究者会根据实验需要,对实验动物进行一些简单的行为学训练,在彭勃的记忆中,那段时间,只要是他训练的小鼠就什么都学不会。“这让我想到了一句话——没有学不会的老鼠,只有不会教的实验者。”于是,在这样的情况下,彭勃在三年级的下学期选择退学,黯然离开。

彭勃一度怀疑自己不是搞科研的料。失落、绝望的时候,当年读过的文学书籍激励了他。“王尔德说,‘每个圣人都有过去,每个罪人都有未来’。我觉得我不会永远这么糟糕下去。”

再次振作,彭勃进入香港大学攻读博士学位。“既然大脑太复杂,我就选中枢神经系统相对简单的视网膜来进行研究。既然自己不适合研究会放电的神经元细胞,为什么不去看看不会放电的胶质细胞呢?”随导师团队开展了视网膜退行性病变的研究,并由此与小胶质细胞相遇。这一次,他终于拿到了博士学位。2015年,彭勃取得博士学位后在中国科学院深圳先进技术研究院组建独立的神经免疫学实验室,担任课题组长(PI)。那个当年几乎所有人都不看好的年轻人,几番波折后,成为同批学生中最早独立组建实验室的人。而且,他跳过博士后阶段直接担任PI,这在学术界并不常见。33岁获得基金委优秀青年科学基金的资助,37岁入选教育部长江学者奖励计划特聘教授……看到这份亮眼的简历,大部分人的第一反应都是“顺风顺水”、“年轻有为”。但其实,这位年轻人经历过高考落榜和博士退学。不过,彭勃说,他感谢每一次失败,更感谢失败后没有放弃的自己。

从家乡江西萍乡到武汉、上海,再到香港、深圳,又到上海复旦大学,回望来时路,彭勃感慨成长中走过的每一步都不浪费。阅读培养了他对科学的兴趣,从小就被很多科学家的故事所鼓舞,想成为像他们那样的人。学摄影并不是简单地摁快门,而是要能够发现美、留住美。“现在看,学习摄影不仅让我拥有一双能发现美的眼睛,而且还让我有能够将美留下的能力。这对我的科研工作是很有帮助的,至少在显微镜下拍摄细胞,视野中构图更合理、视觉上更美,也会让人更好地理解实验的目的。科学是美的,我们科学工作者不仅要发现美,更要有能力把这种美记录下来。”

那些年少时的文字,开启了彭勃观世界、论人生的大门,也无形中锻炼了他的文字逻辑能力。至今,彭勃的演讲都富有文学性,带有浪漫色彩。他会给自己在学术会议上做的报告取名《再殖与替换:小胶质细胞双城记(Repopulation and replacement: a tale of two microglia)》、《死亡与新生:关于小胶质细胞的哲学》、《今天,让我们聊聊哲学》。在他看来,科学与文学殊途同归,具有统一性。

出于对科学研究的热爱,彭勃即便很忙,也抽出时间做科普,引领更多人了解科学、心向科学、崇尚科学。他表达能力超强,复杂的专业问题,从他口里讲出来便生动有趣,专业人士和普通人都愿意听。他在哔哩哔哩上开设账号,不定期分享专业知识。“身处知识爆炸的时代,我们能通过多种渠道获取信息,也有更多方式传递知识。”

面对科研,彭勃始终怀有敬畏与尊崇。不论在学术会议还是科普、交流,每次演讲结束时,彭勃不但致谢联合课题组、团队成员,而且从不忘认真地致谢为人类生命健康事业牺牲的实验动物。“我们做生命医学领域研究,要考虑的因素很多,比如时间成本、研究是否真正与人类自身接近,这就需要动物模型来进行模拟。我们进行动物实验,不是研究动物模型本身,而是利用模式生物的表征和反应认识人类自己。”彭勃解释,为了研究人类疾病,科研人员要在动物身上构建许多它们不会得的病,最终得到可能用于人类的治疗方法。“这个过程中,实验动物为生物医学研究作出了巨大贡献。感谢它们,同样是对科学精神的尊重。”

采访时,彭勃说,读本科期间一位老师说过的一段话令他至今印象深刻:“如果你是一条鱼,你要寻找自己的海洋,海阔凭鱼跃;如果你是一只鸟,你该找到自己的天空,天高任鸟飞。但即使海阔,即使天高,天空终究不属于鱼,海洋也不属于鸟,我们都要找到自己适合的地方。”这段话总是让他想到自己——应该做一棵树还是做一根草,不该问别人而应该问自己,不取决于世人眼中自己应该怎样做,而取决于自己到底是一棵树,还是一根草。“有人说,人应该做一棵树,百折不挠、坚不可摧、不可打倒。但我认为这不适合我,我遭遇挫折后会失败和放弃,但我不会彻底放弃,而是重新再来。野火不尽,春风又生。我追求科学的精神不变。”彭勃说他以此自勉,也与学生共勉。“寻找到真正的自己才能草木葳蕤,朝气蓬勃。”

如今,在彭勃团队,导师不会每天追着学生问进度,学生也不需要每天事无巨细地汇报。他们可以自行安排课题进度,安排实验时间,导师则适时跟进,进行方向性、关键性的指导。“如果团队大环境就是学术、科研,大家对自己学业有追求,那么就不要高压管理。我不希望学生单纯为了学位而学习。科研的本质是拓展人类的知识边界,是一辈子的事情。一个宽松的和允许自由探索的环境,才更能让学生们保持对科学的热情和追求。”

或许正是这样的土壤,孕育了丰盈的春天。今年3月,在导师彭勃教授和饶艳霞研究员的悉心指导下,彭勃团队2020级直博生李小钰,获得首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目(博士研究生)的资助。“李小钰前期阶段的研究工作围绕中枢神经系统内最重要的免疫细胞小胶质细胞在老龄化过程中的动态变化特性进行了研究,取得了重要的学术成果。但即便如此,能够获得首批资助也非常难得,我为她感到骄傲。”时隔半年再谈起,彭勃依然为此兴奋。他乐于看到学生们快速成长,成为复合型的科研人才。

作为青年科学家,“85后”彭勃正带领更年轻的青年人队伍,投身基础研究,勇做创新先锋,书写新时代荣光。

[ 本文刊于《中华儿女》杂志2024年第11期 ] 


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