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【Nature Medicine】“低头族”的福音,科学家解开”眼痒“之谜

时间:2018-07-19 热度: 分享到:


生活在信息时代,我们的身边充斥着手机、ipad、笔记本电脑、游戏机等多种电子产品,五花八门,种类繁多。我们可以用它们上网、聊天、查天气、照相等等,其便利之处,可见一斑。

然而,现代人走路、吃饭、上班、坐车时都在看手机,不知不觉成为了“低头族”,这种行为除了会带来社交方面的负面影响和颈椎不适以外,我们最常感受的就是双眼干涩、痛痒难忍。

眼睛疼痛或发痒常常难以治愈,摩擦、抓揉发痒的眼睛会导致眼睛感染、红肿、圆锥角膜,甚至是白内障。在我们的体验中,眼睛发痒发生在结膜,而不出现于角膜;眼睛疼痛常见于角膜,而少见于结膜。面对这种情况,我们常使用眼药水缓解眼部不适,但是对于结膜和角膜痛或痒如何发生,其神经机制如何,我们知之甚少。

结膜(conjunctiva)与角膜(cornea)

过去的研究发现,瞬时受体电位通道A1(TRPA1)在眼睛发痒的非组胺痒觉通路中起重要作用[1],但是痛、痒觉感受神经元中均表达TRPA1,我们并不知道这些神经元中哪一亚群特异性介导痛觉或痒觉,也不了解这些神经元如何区别支配结膜与角膜。

TRPA1通道

2018年7月9日,Nature Medicine杂志在线刊登了华盛顿大学医学院Qin Liu研究组的最新重要工作[2],他们发现三叉神经节对结膜和角膜的支配方式不同,其中表达MrgprA3的感觉神经元介导结膜痒觉信息传输。本文首次发现眼结膜的痒觉传递通路,并提供了相应疾病的治疗方法。

Qin Liu 研究员

结果

1.三叉神经节对结膜和角膜的支配方式不同

过去的研究表明,结膜和角膜均接受三叉神经节(Trigeminal ganglia, TG)感觉神经元的支配。通过基因报告鼠与单细胞RT-PCR方法,作者发现表达VGLUT3或TRPM8的神经元(与痛觉、冷觉相关)主要支配角膜,而表达MrgprD或MrgprA3(痒觉相关)的神经元只支配结膜。还有另一种痒觉相关的神经元——生长激素抑制素(SST)神经元只支配皮肤,而不支配结膜和角膜(图1)。

图1 三叉神经节感觉神经元对结膜和角膜的支配方式不同

2.MrgprA3 感觉神经元介导结膜急性痒与过敏痒

为研究特异性支配结膜的感觉神经元是否只介导痒觉,作者使用不同致痛、致痒剂作用于结膜或角膜,发现激活SST神经元的免疫因子IL-31和LTD4不能在结膜或角膜上诱发抓挠行为,而在皮肤上可以;MrgprD受体激动剂β-丙氨酸可诱发少量抓挠行为;而MrgprA3受体激动剂氯喹(Chloroquine, CQ)可诱发大量抓挠行为(图2a-c)。进一步,作者敲除MrgprA3受体,发现不仅CQ不会诱发小鼠在结膜处的抓挠行为,其它致痒剂组胺和5-羟色胺也不会(图2c)。这些结果表明,MrgprA3阳性的感觉神经元在结膜痒中起重要作用。

接下来,为证明MrgprA3 神经元参与结膜痒,作者将MrgprA3tdTomato鼠与PirtGCaMP3鼠杂交,其子代MrgprA3 神经元表达红色荧光蛋白,感觉神经元表达GCaMP3,因而可记录MrgprA3 神经元的钙信号。他们发现MrgprA3 神经元会被四种致痒剂NPFF、CQ、组胺、5-羟色胺激活(图2d-j),表明结膜MrgprA3 感觉神经元介导组胺与非组胺急性痒觉,与皮肤痒觉传递的神经机制不同[3]。

图2 结膜MrgprA3 感觉神经元介导急性痒

有趣的是,NPFF、组胺与5-羟色胺均可由免疫系统肥大细胞分泌,因此作者就结膜的过敏性发痒展开研究。当结膜产生过敏反应时,肥大细胞会产生脱颗粒作用,诱发大量抓挠行为(图3a-c)。特别地,结膜中多数肥大细胞毗邻MrgprA3 神经纤维,尤其是脱颗粒肥大细胞(图3d-f),敲除MrgprA3 神经元显著减少结膜过敏诱发的抓挠行为(图3g),表明MrgprA3 神经元参与过敏痒觉的传递。


图3 结膜MrgprA3 感觉神经元介导过敏痒

3.眼部痒觉的中枢神经信号通路

过去的研究发现,调控结膜与角膜的中枢神经环路不尽相同[4],因此在找到介导结膜痒的外周神经环路后,作者就其中枢神经环路展开研究。大量研究指出,神经介素B(Neuromedin B, NMB)在感觉神经元中高度表达,并介导痒觉传输[5]。作者在结膜或角膜中注射逆行示踪剂WGA,通过lacZ报告基因,作者发现NMB主要表达在支配结膜的感觉神经元中(图4a-g)。而且,支配结膜的感觉神经元的中枢投射区域有大量NMB受体NMBR表达,而支配角膜的感觉神经元的中枢投射区域则无NMBR表达(图4h,j)。

此外,敲除NMB或NMBR会大幅降低小鼠抓挠行为(图4i),而不影响痛觉(文章补充材料),表明中枢NMB-NMBR信号通路支配结膜而非角膜,介导痒觉而非痛觉。

图4 中枢NMB-NMBR信号通路介导结膜痒觉

4.眼部发痒的新型医疗策略

在了解介导眼部发痒的神经环路之后,作者尝试用药理学方法沉默MrgprA3 感觉神经元,以缓解眼部发痒症状。他们混合使用CQ与钠通道阻断剂QX-314,QX-314本身不能穿过细胞膜,但CQ作用于MrgprA3诱发TRPA1通道打开[1],QX-314可经由TRPA1通道进入感觉神经元,阻止其发放,从而达到沉默作用(图5a-d)。

急性痒方面,作者在小鼠结膜处滴加低浓度CQ (4 mM)与QX-314的混合溶液,发现此方法可大幅减少CQ(12 mM)诱发的抓挠行为,此效应可持续24小时之久,其效果明显优于抗组胺药物苯吡胺(其药效持续时间不到1小时(图5e-h))。

过敏痒方面,作者使用卵清蛋白诱发过敏反应,发现肥大细胞大量累积并脱颗粒化,滴加CQ QX-314可减少肥大细胞的累积但不影响其脱粒化,而苯吡胺无任何作用(图5i-k)。此外,作者发现MrgprA3 神经元中大量表达神经肽CGRP,CGRP也可诱导肥大细胞的累积(图5l-n),提示CQ和QX-314联合用药的高效性。

图5 药理学沉默MrgprA3 神经元缓解结膜急性痒与过敏痒

5.介导眼部痒觉的神经环路具有保守性

在人类基因中,hMrgprX1可被CQ激活,对应于小鼠MrgprA3[3]。通过人类样本,作者发现hMrgprX1 神经元特异性支配结膜,而不支配角膜(图6c-d)。

接下来,作者使用MRGPX1;Mrgpr-/-鼠,这种鼠不表达所有鼠源Mrgpr,但在原位置表达人源hMrgprX1(图6a-b)。通过电生理方法,他们发现CQ可诱发hMrgprX1 神经元发放,而TRPA1拮抗剂HC030031可阻断此过程(图6e-f),表明人源hMrgprX1也偶联TRPA1通道。

行为学方面,作者使用前文治疗策略——CQ QX-314,发现可以显著减少MRGPX1;Mrgpr-/-鼠抓挠行为,药效可维持24小时(图6g)。

过敏痒方面,作者发现免疫因子NPFF可激活hMrgprX1 神经元,并会诱发MRGPX1;Mrgpr-/-鼠产生大量抓挠行为(图6h-i),表明人源hMrgprX1介导急性痒与过敏痒。

图6 介导眼部痒觉的神经环路具有保守性

总结

信息时代中,经常看手机、电脑的我们,眼睛经常会疼痛、发痒,疼痛发生在角膜,而发痒出现在结膜,其特异性的神经机制,我们尚未可知。本文结合解剖学、药理学和行为学等方法,发现三叉神经节支配结膜、角膜的方式不同,特异性支配结膜的感觉神经元表达MrgprA3,负责痒觉信息传递。此外,基于MrgprA3与TRPA1的偶联性质,本文采用低浓度CQ混合QX-314的方式,可缓解眼痒症状长达24小时。最后,本文证明此特异性支配环路具有保守性。

这项研究极大提高了我们在眼部痒觉领域的认知,为结膜发痒提供了可供参考的治疗方案,着实是信息时代的福音。不过,长时间看手机、电脑危害颇多,尽量不要做“低头族”哦!

和元上海一直关注神经、代谢、肿瘤领域的重大研究进展,为各种生理、病理研究提供最新工具和研究方案,助力临床转化和基因治疗!


1.Huang, C.C., et al., A histamine-independent itch pathway is required for allergic ocular itch. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 2016. 137(4): p. 1267- .
2.Huang, C.C., et al., Anatomical and functional dichotomy of ocular itch and pain. Nat Med, 2018.
3.Liu, Q., et al., Sensory Neuron-Specific GPCR Mrgprs Are Itch Receptors Mediating Chloroquine-Induced Pruritus. Cell, 2009. 139(7): p. 1353-1365.
4.Panneton, W.M., H. Hsu, and Q. Gan, Distinct central representations for sensory fibers innervating either the conjunctiva or cornea of the rat. Exp Eye Res, 2010. 90(3): p. 388-96.
5.Zhao, Z.Q., et al., Cross-inhibition of NMBR and GRPR signaling maintains normal histaminergic itch transmission. J Neurosci, 2014. 34(37): p. 12402-14.





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