心脏发育是一个高度动态且精密调控的过程，其核心依赖于心肌层
（
Myocardium
）
与心内膜层
（
Endocardium
）
之间的精确的信号交互
【1】
。这两层结构由一种称为心脏胶质
（
Cardiac Jelly
）
的非
细胞基质分隔开，诸如
Notch1
、
Vegf
A
和
Nrg1
等信号通路，其配体和受体分别分布在这两层心肌层和内膜层
【2-4】
。以前人们普遍认为
N
otch signaling
只被同在内膜层的
Delta4
配体激活，最新研究表明
Notch
信号通路可以被位于心肌层的
Jag1/Jag2
配体激活。然而，这种跨物理距离实现信号交互的机制仍然知之甚少。传统理论认为其通信依赖于分泌型配体的扩散或与膜受体接触，然而，这无法满足在跨越数十微米的物理屏障下实现信号分子的高效传递。因此，
在早期胚胎心脏发育中如何实现细胞间的远距离通信一直是心脏发现与过程中的未解之谜。
2025
年
3
月
14
日，来自休斯顿大学的
吴明福
团队在
Science
发表题为
“
Tunneling nanotube-like structures mediate long-distance intercellular communication during cardiac morphogenesis
”的研究论文，
首次揭示了类隧道纳米管结构
（
Tunneling Nanotube-like Structures,
TNTLs
）
在心脏发育中调控心肌
-
心内膜远距离互作的关键作用，并解析了其形成机制与功能。
TNTLs
：跨越心脏胶质的“信号高速公路”
研究团队通过细胞
-
细胞直接接触遗传标记
（
Genetic labeling of cell-cell contact )
方法证实心肌层与心内膜层之间存在直接接触，
然后通过遗传标记技术结合先进成像技术，在小鼠胚胎心脏中捕捉到一类此前未被报道的亚细胞结构
-TNTLs
。这些微管状结构从心肌细胞
（
Cardiomyocytes, CMs
）
延伸而出，穿透心脏胶质层并锚定于心内膜细胞
（
Endocardial Cells, ECs
）
，形成跨越两层细胞的物理连接
（图
1
）
，从而实现信号传递和细胞质蛋白转运。
图
1. TNTLs
连接心肌层与心内膜层的结构示意图
在小鼠胚胎发育过程中，
TNTL
s
最早在胚胎第
8
天
（
E8.0
）
便开始在
CMs
与
ECs
之间形成。通过高分辨率激光共聚焦成像、电镜
（
EM
）
及冷冻电镜
（
cryo-EM
）
成像，团队对
TNTL
内的丝状结构进行了表征描述，并推测
TNTL
中含有肌动蛋白丝。
Cdc42
为肌动蛋白驱动
TNTL
形成的关键调控因子
为了解
TNTLs
的构成及形成机制，团队首先从早期胚胎心脏中提取的原代细胞
（主要是心肌细胞和心内膜细胞）
用于体外共培养，通过对
Tubulin
T
racker
（一种可以对活细胞进行染色的微管蛋白标记物）
和
LifeAct
（一种对肌动蛋白丝进行标记的腺病毒）
对活细胞进行染色， 团队发现在体外共培养中心肌细胞和心内膜细胞形成的
T
NTL
s
不含微管蛋白，但富含肌动蛋白丝。随后团队构建了一种能够用荧光标记肌动蛋白丝的转基因小鼠模型，并在体内首次确认了
TNTL
中存在肌动蛋白丝。随后团队使用
CK-666
（一种肌动蛋白相关蛋白复合物抑制剂）
抑制小鼠胚胎和体外共培养的细胞中肌动蛋白丝的聚合，结果显示
T
NTL
的形成受到抑制，证实了
T
NTL
的形成依赖于肌动蛋白。
此外，考虑到小型鸟苷三磷酸酶
Cdc42
是肌动蛋白动力学所必需的，团队对小鼠胚胎心肌细胞中的
Cdc42
进行了特异性性敲除，结果显示突变型小鼠胚胎心脏中
TNTLs
的数量和长度均显著减少，进一步验证了
TNTL
的形成需要肌动蛋白，且证实了
Cdc42
是
TNTL
组装的关键基因。
TNTLs
在心脏发育早期的功能：信号传递与形态发生
研究进一步揭示了
TNTLs
的两大功能：
1.
信号通路的激活
通过对两千多个活细胞进行追踪，团队捕捉到了
T
NTL
从
C
M
s
发生并连接
E
C
s
的瞬间，随后
Notch
信号通路活化的标记物
C
BF:H2B-V
enus
显示绿色荧光，即
Notch
信号通路被激活。该结果提示
TNTLs
通过连接
CMs
和
ECs
实现
Notch
信号通路的受体
（
Notch1
）
和配体
（
Jag1/Jag2
）
结合，从而激活
Notch
信号通路。当
TNTLs
在胚胎早期被破坏时，激活的
Notch
信号活性降低
70%
。 该发现提供了心脏发育早期细胞信号传导的新理论，打破了
Notch
信号激活仅依赖心内膜
Delta4
配体的传统观点。此外，团队的研究还显示当
TNTLs
被破坏后，
Nrg/ErbB2&4-, VegfA
/
Vegfr,
Angiopoietin
/Tie
2
的激活也被抑制。证实了
TNTLs
在心脏发育早期对于信号通路的激活至关重要。
2.
细胞质成分的跨层运输的
