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行业快讯

【Science】痒呀,环路呀,反正有大把时光!

时间:2017-08-21 热度: 分享到:
“…来啊,造作啊,反正有大把风光” “…越慌越想越慌,越痒越搔越痒…” —歌曲《痒》

歌曲《痒》唱出了人们的心声,越痒越搔、越搔越痒!

日常生活中,我们经常与痒打交道,小到蚊虫叮咬,大到热痱难忍。其实,痒是我们机体非常重要的自我保护机制,它能告诉我们某些不好的事情发生了。但是,与疼痛一样,如果痒由急性的变成了慢性的,就是非常影响生活质量的医学问题了。怎么解决令人头疼的慢性痒?我们首先得了解痒是如何产生的。

近年来,痒的研究日益火热,自陈宙峰研究员发现了痒觉在脊髓层面的分子机制[1],大量研究力图研究痒的机制,但我们对痒的神经环路知之甚少。目前已知的是,脊髓向丘脑或臂旁核的投射可能参与痒的传递,但不同的脊髓上行传递通路在痒的信息处理中的功能机制并不清楚。

2017年8月18日,Science杂志刊登了中科院神经科学研究所孙衍刚研究员组的最新重要工作,发现了痒的神经环路及其功能机制[2],极大提高了人们对该领域的认知。

和元上海有幸为这项重要工作提供了大量优质、高效的AAV病毒工具载体!

实验结果:

1. 脊髓-臂旁核投射参与痒的信号处理

作者首先使用Retrobeads逆向标记了脊髓-臂旁核的投射,同时给予小鼠痒刺激(组胺),结果发现在痒刺激给出后,脊髓背侧神经元的c-Fos表达量明显上升,且c-Fos表达上升的神经元与逆向标记的脊髓-臂旁核投射发生一定程度的重合(图1)。c-Fos代表了神经元的活动,表明脊髓-臂旁核投射确实参与了痒信息的处理。


图1 脊髓-臂旁核投射神经元在痒的过程中活动增强

为了进一步检验脊髓-臂旁核的投射在痒诱发的搔痒行为中起到如何作用,作者利用光遗传学手段进行研究。借助AAV病毒载体,作者在脊髓神经元表达eNpHR3.0这种抑制性的光敏感通道(图2),并通过在臂旁核植入光纤,抑制脊髓-臂旁核的投射,发现抑制该通路会明显减少组胺或氯喹导致的小鼠搔痒行为(图2),同时小鼠的运动没有收到影响。


图2 光遗传抑制脊髓-臂旁核的投射能够明显抑制药物诱导的搔痒行为

根据之前陈宙峰研究员和孙衍刚研究员的重要研究[1],脊髓中表达胃肠道释放素受体(GRPR)的神经元对于痒的信号处理非常关键,文章接下来分析了该类神经元在脊髓-臂旁核投射通路中的作用。

通过构建GRPR-icreERT2的模型鼠,配合AAV-DIO-ChR2-EYFP病毒载体,作者在GRPR阳性神经元中表达了兴奋性光敏感通道ChR2。作者发现GRPR阳性神经元更可能是一种局部的中间神经元;而通过记录脊髓-臂旁核投射神经元的电生理活动,文章进一步发现GRPR神经元单突触直接投射到脊髓背侧神经元,而后投射到臂旁核完成痒的传递(图3)。


图3 GRPR神经元-脊髓-臂旁核的投射环路

2. 药物遗传学技术抑制臂旁核神经元能够缓解搔痒行为

找到这样一条参与痒的通路后,作者重点验证这条通路在痒感受过程中的功能。

首先,搔痒产生后,臂旁核神经元的活动显著上升(c-Fos表达上调,图4A-C)。而后,通过在臂旁核神经元利用AAV载体表达GCaMP6s(钙敏感蛋白),作者借助光纤记录采集了臂旁核神经元在痒感受中的活动,发现痒觉抓挠行为中,臂旁核神经元活动增多(图4D-G)。


图4 臂旁核神经元在痒刺激后活动增多

为验证臂旁核神经元活动与搔痒行为的关系,进一步的实验采用化学遗传学(DREADD)手段,借助AAV载体在双侧臂旁核表达抑制性化学敏感通道hM4Di,结果发现给予动物CNO激活hM4Di受体后,小鼠在痒刺激之后的搔痒行为明显减少(图5)。


图5 化学遗传学手段抑制臂旁核神经元活动能够减少痒刺激带来的搔痒行为

3. 痒诱发的搔痒行为依赖于臂旁核谷氨酸能神经元活动

最后,文章检测了上述传递的突触传递机制。

通过检测臂旁核神经元由痒刺激激活c-Fos表达的细胞与Vglut2或Gad1共标的情况,可以提示参与痒传递的臂旁核神经元绝大部分都是Vglut2阳性的谷氨酸能神经元(图6)。


图6 参与痒传递的神经元绝大部分是Vglut2阳性的谷氨酸能神经元

随后,通过在Vglut2基因双侧插入loxP的转基因鼠双侧臂旁核注射AAV-Cre病毒,作者在这些神经元敲除了Vglut2基因,从而阻断了臂旁核谷氨酸能神经元的活动(图7)。


图7 臂旁核敲除Vglut2后谷氨酸能神经传递被阻断

结果发现,上述操作显著减少了小鼠对痒刺激的搔痒行为,对于慢性搔痒的DNFB模型,也有同样的抑制效果(图8)。


图8 抑制臂旁核谷氨酸能神经传递能显著减少搔痒

实验结论:

痒是临床常见的不良症状,过去的研究已经对痒相关的分子和神经机制进行了研究,但是对于痒的神经环路知之甚少。穆迪博士和孙衍刚研究员的本篇重要文章发现了与痒相关的脊髓-臂旁核神经环路,为痒的研究带来了新的认识。此外,对于痒的通路解析是足以写入教科书的工作,我们恭喜孙研究员的工作顺利发表。/p>

文中大量使用AAV病毒载体,搭载光遗传、化学遗传、钙成像、Cre-LoxP基因敲除等策略进行全方位的环路解析和功能解析,这种策略已经成为此类研究的常用思路和典范。

文中使用的主要AAV病毒载体举例:

AAV-hSyn-Cre-EGFP
AAV-hSyn-HA-hM4Di-IRES-mCitrine
AAV-hSyn-ChR2(H134R)-mCherry
AAV-hSyn-eNpHR3.0-EYFP
AAV-hSyn-GCaMP6s
AAV-hSyn-DIO-GCaMP6s
AAV-Ef1α-DIO-ChR2(H134R)-mCherry
AAV-Ef1α-DIO-ChR2(H134R)-EYFP

文中参考文献:

[1] Sun YG, Zhao ZQ, Meng XL, Yin J, Liu XY, Chen ZF. Cellular basis of itch sensation. Science. 2009;325(5947):1531-4.
[2] Mu D, Deng J, Liu KF, Wu ZY, Shi YF, Guo WM, et al. A central neural circuit for itch sensation. Science. 2017;357(6352):695-9.
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