兽医专业毕业的脑科学家---顾成华

在美国艺术与科学学院（American Academy of Arts and Sciences，简称AAAS）最新公布的2022年AAAS院士名单中，有一位较为陌生科学家Chenghua Gu（顾成华）赫然在目。在她的博士后合作导师金帝当选AAAS院士后五年，顾成华也跻身院士行列。

顾成华本科毕业于中国农业大学兽医专业（1994年）。2008年，顾成华获得斯隆奖时，就有国内媒体表示为“不知道毕业于哪所中国大学”，若干年后才在统计斯隆奖得主的中国各校分布时，才有人列出顾成华是中国农业大学的本科毕业生。

在博士研究生期间（1994-2000年），顾成华在康奈尔大学医学院生理学系的细胞生物学与遗传学项目（Graduate Program of Cell Biology and Genetics, the Department of Physiology, Cornell University Medical College）攻读博士学位。博士期间，共发表论文5篇，其中第一作者3篇，分别是《生物化学》（Gu, C., Ma, Y., Benjamin, J., Littman, D., Chao, M.V., and Huang, X. (2000) Apoptotic signaling through the -adrenergic receptor: A new Gs coupled mechanism. J. Biol Chem. 275(27):20726-33.）、《神经科学》（Gu, C., Casaccia-Bonnefil, P., Srinivasan, A., and Chao, M.V.(1999) Oligodendrocyte apoptosis mediated by caspase activation. J. Neurosci. 19(8):3043-3049.），《FASEB J.》（Gu, C., Castellino, A., Chan, J., and Chao, M.V. (1998) BRE: A modulator of TNF-alpha action. FASEB J. 12:1101-1108.）；第二作者2篇，《显微镜研究与技术》（2/4，1999），《Adv Exp Med Biol》（2/3，1999）。

在博士后期间（2000-2006年），顾成华共发表论文五篇，其中第一作者三篇，《科学》（Gu C, Yoshida Y, Livet J, Reimert DV, Mann F, Merte J, Henderson CE, Jessell TM, Kolodkin AL, Ginty DD. Semaphorin 3E and plexin-D1 control vascular pattern independently of neuropilins.Science. 2005 Jan 14;307(5707):265-8.）,《发育细胞》（Gu C, Rodriguez ER, Reimert DV, Shu T, Fritzsch B, Richards LJ, Kolodkin AL, Ginty DD.Neuropilin-1 conveys semaphorin and VEGF signaling during neural and cardiovascular development.Dev Cell. 2003 Jul;5(1):45-57），《生物化学》（Gu C, Limberg BJ, Whitaker GB, Perman B, Leahy DJ, Rosenbaum JS, Ginty DD, Kolodkin AL.Characterization of neuropilin-1 structural features that confer binding to semaphorin 3A and vascular endothelial growth factor 165.J Biol Chem. 2002 May 17;277(20):18069-76. Epub 2002 Mar 8）;第二作者一篇，《基因与发育》（2/11，2004）,第四作者一篇，《神经元》（4/10，2005）。2006年1月，顾成华拿到哈佛医学院神经生物系助理教授的教职。

在助理教授的初期（2006-2008年），顾成华没有发表任何一篇论文，依然凭借博士后的成绩（一作的《科学》论文）获得了美国斯隆基金会（Alfred P. Sloan Foundation）颁发的2008年斯隆研究奖（Sloan Resarch Fellowship Award）。斯隆研究奖是1955年起每年颁发，专门奖励科学领域最杰出的年轻教授（the very best young facultymembers in specified fields ofscience），涵盖9大科学领域：化学、分子生物学、计算机、经济学、数学、神经科学和物理学，每位获奖者将分别获得5万美元的奖金。斯隆研究奖在学术界声誉很高，著名华裔学者李政道、李远哲、邱成桐、庄小威、明国莉、何志刚等均曾获斯隆研究奖。

2014年1月，顾成华用八年时间升任副教授（非终身教职）。同年，顾成华获得了美国国家卫生总署为鼓励创新科研而设立的NIH基金先锋奖（NIH Pioneer Award)。 NIH先锋奖是2004年创办的，该奖筛选严格，来自全美的医学、生命科学界科学家提出研究计划，最后阶段录取30余名候选人，由NIH的特别遴选小组担任主考官，进行面试，选出得奖者。获奖者同时获得250万美元的科研经费和为期五年的实验研究资助。杜克大学林海帆、约翰斯·霍普金斯大学刘钧等获得过NIH基金先锋奖。

2016年，顾成华获得了首届HHMI早期学者奖(Faculty Scholars)，该奖是美国三家声誉卓著的民间科研资助组织，霍华德休斯医学研究所（HHMI）、西蒙斯基金会（Simons）基金会和比尔和梅琳达·盖茨基金会（Bill＆Melinda Gates）联手创立，为帮助早期(early career)学者克服其职业起步阶段所面临的日益严峻的挑战，为生命科学与医学领域的青年才俊提供经费支持和科研发展保障。首届84名获奖者，获得总额8300万美元的资助，同届还有12名华人学者，包括，何琳、张锋、利民、时海松等。获奖者是在其领域做出独特贡献的巨大潜力的早期职业科学家。具有4年以上（但不超过10年）经验的早期研究人员有资格申请此竞赛。超过220个机构的教师符合条件。杰出的科学家根据其博士和博士后工作，独立研究计划的结果以及未来的研究计划，对1,400多名申请人进行了评估，并对其潜在的重大研究生产力和独创性进行了评估。五年拨款总额为60万至180万美元，包括间接费用。该奖项取决于满足捐赠组织要求的申请人及其机构，要求学者将其全部努力的至少50％用于直接进行研究。

2017年10年，顾成华突破了哈佛大学“非升即走”十年制终身轨的年限，经过约12年的努力，以1篇《自然》（Ben-Zvi, A., Lacoste, B., Kur, E., Andreone, B.J., Mayshar, Y., Yan, H., Gu, C., (2014) MFSD2A is critical for the formation and function of the blood brain barrier.  Nature, 509(7501):507-11.）、3篇《神经元》（Andreone, B.J., Chow, B.W., Tata, A., Lacoste, B., Ben-Zvi, A., Bullock, K., Deik, A.A., Ginty, D.D., Clish, C.B., Gu C., (2017) Blood-brain barrier permeability is regulated by lipid transport-dependent suppression of caveolae-mediated transcytosis. Neuron, 94(3) 581-594.）、（Chow,B.C, Gu C., (2017) Gradual Suppression of Transcytosis Governs Functional Blood-Retinal Barrier Formation. Neuron, 93(6)1325-1333.）、（Lacoste, B., Comin, C.H., Ben-Zvi, A., Kaeser, P.S., Xu, X., Costa, L., and Gu, C., (2014) Sensory-related neural activity regulates the structure of vascular networks in the cerebral cortex. Neuron, 83(5):1117-30.）、（Ben-Zvi, A., Lacoste, B., Kur, E., Andreone, B.J., Mayshar, Y., Yan, H., Gu, C., (2014) MFSD2A is critical for the formation and function of the blood brain barrier.  Nature, 509(7501):507-11.），3篇Elife（Kur, E., Kim, J., Tata, A., Comin, C.H., Harrington, K.I., Costa, L.,, Bentley. K., Gu C., (2016) Temporal modulation of collective cell behavior controls vascular network topology. Elife. 5:e13212.）、（Gelfand, M.V., Hagan, N., Tata, A., Oh, W.J., Lacoste, B., Kang, K.T., Kopycinska, J., Bischoff, J., Wang, J.H., Gu C., (2014) Neuropilin-1 functions as a VEGFR2 co-receptor to guide developmental angiogenesis independent of ligand binding. Elife. 3:e03720.）、（Tritsch, N., Oh, W., Gu, C., Sabatini, B., (2014) Midbrain dopamine neurons sustain inhibitory transmission using plasma membrane uptake of GABA, not synthesis. elife. 3:e01936.）以及7篇其他刊物论文的通讯作者的身份，终于拿下终身教职（教授）。

在拿到哈佛大学的终身教职后，顾成华深耕血脑屏障相关的分子机制，以及神经与血管生物学，目的是了解神经和血管系统如何协调发展、交流和协同工作以确保大脑正常功能的分子机制。顾成华再接再厉发表了2篇《自然》论文在那科学领域做出杰出的贡献。顾成华实验室的发现表明，科学家可以通过操纵抑制内皮细胞转运的分子途径来改变血脑屏障。这种控制可以让所需的药物更容易输送。当它变得渗漏时，它还可以帮助收紧屏障，这发生在某些神经退行性疾病中。

虽然科学家很早就观察到了神经-血管耦合现象---大脑中能量的调节方式，但是对这个现象背后的机制知之甚少。研究人员已经在高血压、糖尿病和阿尔兹海默病患者的大脑中观察到这种耦合作用受损。因此，搞清楚背后的机制，不仅仅是解开了一个谜团，还有重要的临床价值。顾成华团队，借助双光子显微镜技术，在活体小鼠的大脑中，解开了上述谜团。这项重要的研究成果发表在顶级期刊《自然》上（Chow, B.W., Nuñez, V., Kaplan, L., Granger, A.J., Bistrong, K., Zucker, H.L., Kumar, P., Sabatini, B.L., Gu C. (2020) Caveolae in CNS arterioles mediate neurovascular coupling. Nature, 579(7797):106-110.）。

顾成华团队与斯坦福大学冯亮教授团队合作在《自然》上发表论文（Wood C.A.P, Zhang J., Aydin D., Xu Y., Andreone B.J, Langen U.H, Dror R.O, Gu C., Feng L. (2021) Structure and mechanism of blood-brain-barrier lipid transporter MFSD2A. Nature. 596(7872):444-448），揭示了血脑屏障脂质转运蛋白MFSD2A的结构和功能机制。这项发现有助于设计药物调节血脑屏障的通透性。

MFSD2A是一种磷脂转运蛋白，在组成血脑屏障的内皮细胞中，负责将二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid）摄取到大脑中。二十二碳六烯酸更为人熟知的名称是DHA，对大脑的发育和性能至关重要。影响MFSD2A功能的突变会导致一种叫做小头畸形综合征的发育问题。MFSD2A的脂质转运能力还意味着这种蛋白与血脑屏障的完整性有密切关系。先前的研究发现，当它的活性降低时，血脑屏障会出现渗漏。因此，在需要跨越血脑屏障把治疗性药物送入大脑时，MFSD2A被看作一个很有希望的调节开关。

此次研究中，顾成华团队与冯亮教授团队合作，使用冷冻电镜技术，获得了小鼠MFSD2A的高分辨率结构，揭示了其独特的细胞外结构域和底物结合腔。结合功能分析和分子动力学模拟，研究人员还确定了MFSD2A结构上保守的钠结合位点，揭示了潜在的脂质进入途径，有助于理解为什么特定的MFSD2A突变会导致小头畸形综合征。

2021年，顾成华从超过800名申请者中脱颖而出，当选为霍华德·休斯医学研究所（The Howard Hughes Medical Institute ，HHMI）研究员。获选的HHMI 研究员是因为他们是有思想、严谨的科学家，他们的研究随着时间的推移有可能带来革命性的发现。这些科学家或许可以从根本上改变我们对生物学、人类健康和疾病的看法。 HHMI研究员基本代表了美国生命科学及其相关交叉学科领域最活跃、最富创新能力、最高水平的研究力量。根据其网站数据，目前大约有250位HHMI研究员。迄今为止，已有 32 位在职或前任 HHMI 科学家获得了诺贝尔奖，最近的一次是2021年诺贝尔生理学或医学奖得主美国斯克里普斯研究中心（Scripps Research）的分子生物学家阿尔代姆·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian，1967 年--）。2014 年以来，他一直是霍华德·休斯医学研究（Howard Hughes Medical Institute）所的研究员。HHMI的研究人员在许多研究领域做出了重大贡献，包括 HIV 疫苗开发、微生物组昼夜节律研究、免疫疗法、SARS-CoV-2病毒以及 COVID-19的潜在疗法等领域。

顾成华的博士后导师金蒂在指导顾成华时刚入选HHMI研究员，David Ginty在哈佛医学院做博士后时自己的导师Michael Greenberg教授也是刚入选HHMI研究员。Michael Greenberg与David Ginty也是AAAS院士。现在三代HHMI研究员、三代AAAS院士，聚集在哈佛医学院神经生物学系从事脑科学领域不同方向的研究，不失为一段科研佳话。

顾成华实验室目前关注两个主题:血脑屏障(BBB)和神经血管耦合。

大脑中的神经元对细胞外的化学环境极其敏感，代谢能力很强。尽管大脑只占我们体重的2%，但在休息时，人的大脑消耗了身体20%的能量，而且储存能量的能力有限。为了应对这些独特的挑战，大脑脉管系统具有两种不同的生理特征，这在周围脉管系统中是不存在的:     血脑屏障(BBB)提供了一个受保护和稳态的大脑环境。血脑屏障是由单层内皮细胞形成的，它们排列在脑血管壁上，是血液和神经组织之间的生理屏障。

血流的动态调节满足区域大脑能量需求的每时每刻变化。神经活动在几百毫秒内迅速增加局部血流量，这一过程被称为神经血管耦合。传统上，形成大脑血管壁的内皮细胞被认为在向大脑提供氧气和营养方面起着被动的作用。到目前为止，顾成华实验室的工作已经改变了这种观点，揭示了调节大脑生理所必需的脑内皮细胞的专门化和活跃功能。

        主题一：血脑屏障(BBB)

从历史上看，脑血管系统的渗透性受限归因于紧密连接，邻近内皮细胞之间的特殊接触，阻止了细胞旁水溶性分子的通过。然而，物质也可以通过胞吞作用穿过内皮细胞，这是一个物质进入胞吞囊泡的过程，胞吞囊泡穿过细胞并在另一侧释放其内容物。顾成华实验室发现中枢神经系统内皮细胞的胞吞作用被积极抑制。此外，还发现了抑制中枢神经系统内皮细胞转胞作用所必需的分子途径。顾成华实验室发现，抑制这一途径会导致血脑屏障变得可渗透。因此，仅靠紧密连接不足以保证血脑屏障的完整性。顾成华实验室还发现，在发育和疾病期间，胞吞率是动态调节的。顾成华实验室的研究结果表明，抑制转胞作用的分子途径可以靶向打开血脑屏障并将药物输送到中枢神经系统。

顾成华实验室的核心假设是，脑内皮细胞表达一组特殊的基因，控制血脑屏障的形成和维持。顾成华实验室最初发现超过200个基因在皮层内皮细胞中高表达，但在肺内皮细胞中低表达或无法检测到。然后，我们发现其中一个基因，Mfsd2a，作为一种转胞作用抑制剂来调节血脑屏障。缺乏Mfsd2a的小鼠和斑马鱼有一个渗漏的血脑屏障，这是由于转胞作用上调而没有破坏紧密连接造成的。最近，我们建立了Mfsd2a的作用机制:由Mfsd2a易位的脂质在CNS内皮细胞质膜上建立了一种独特的脂质组成，抑制小泡泡的形成，从而抑制转胞作用。在未发表的研究中，顾成华实验室还发现Mfsd2a在中风后和衰老时血脑屏障受损时下调。顾成华实验室的Mfsd2a研究从概念上和技术上证明了评估他们筛选中发现的其他血脑屏障富集基因的功能。

当前仍存在的问题有:哪些内皮细胞分子特化促进血脑屏障完整性?血脑屏障的特性不是内皮细胞固有的，而是需要大脑的积极维护。星形胶质细胞和周细胞是如何维持血脑屏障的?外周炎症深刻影响大脑健康。脑内皮细胞如何向大脑传递外周免疫信号?

主题二：血流动态调节(神经血管耦合)

血流的动态调节满足区域大脑能量需求的每时每刻变化。神经活动在几百毫秒内迅速增加局部血流量，这一过程被称为神经血管耦合。

传统观点认为，神经元和星形胶质细胞释放信号，直接作用于平滑肌细胞，导致血管舒张和血流增加。内皮细胞被认为在这一过程中起被动作用。与这一观点相反，顾成华实验室最近发现小动脉内皮细胞积极地将神经元信号传递到平滑肌细胞。

顾成华实验室最近发现小动脉内皮细胞的超微结构特化对神经血管耦合至关重要。具体来说，与表达Mfsd2a的毛细血管内皮细胞不同，小动脉内皮细胞不表达Mfsd2a，并含有丰富的小泡。使用双光子显微镜同时成像清醒小鼠须刺激时的管状皮层的神经活动和血管动力学；神经血管耦合受到急性遗传扰动的损害，这种扰动消除了小动脉内皮细胞中的小泡，但在邻近的平滑肌细胞中没有。顾成华实验室进一步证明，这种新的小泡介导的通路独立于众所周知的一氧化氮通路运作:同时消融这两种通路是必要的，以消除神经血管耦合。

当前依然存在的问题有: 神经信号是如何通过内皮细胞传播到平滑肌细胞的?是什么限制了神经血管耦合到特定区域?神经血管耦合受损对大脑功能和健康的后果是什么?

目前，顾成华实验室的任务是了解独特的神经血管相互作用的细胞和生理机制，了解神经和血管系统如何协调发展、交流和协同工作以确保大脑正常功能的分子机制,并利用实验室的发现来治疗。顾成华实验室的主要方法包括小鼠遗传学、转录谱、脑内皮细胞特异性病毒感染、传统透射电镜、序列切片电镜和清醒小鼠在生理刺激(体感觉和视觉)下的双光子颅窗(体感觉和视觉皮层)实时活成像。最终目标是理解和操纵控制神经元和血液之间分子交换的机制，从分子水平、细胞和亚细胞水平到系统水平研究体内生理学。