疼痛,是一种由于实际或潜在的身体创伤导致的一种不愉快的感觉和情绪体验。尽管疼痛会给人带来厌恶性情绪,但疼痛本身也是给人的警示信号,提醒我们规避危害。但是,长期持续性的疼痛(即慢性痛),严重影响了患者的生活质量。流行病学发现大约30%的成年人患有慢性痛,并且目前尚无良好的治疗药物和方案,同时还会滋生诸多的情绪疾病,给患者和社会带来极大的负担。因此,有关疼痛及慢性痛的研究具有重要的意义。 2020年6月4日,浙江大学医学院李晓明教授课题组在《Neuron》发表了题为《Incerta-thalamic circuit controls nocifensive behavior via cannabinoid type-1 receptors》的研究论文。该研究表明未定带-丘脑神经环路参与并可调控疼痛样行为,并且该环路突触前大.麻素1型受体(cannabinoid type-1 receptors, CB1Rs)发挥了重要的调控重要,揭示了大.麻类物质镇痛的中枢新机制。
李晓明教授课题组主要关注GABA能神经元亚型、神经环路构建、神经环路功能研究,并且取得了多项原创性研究成果,部分研究成果已经发表在《Nature Medicine》,《Nature Neuroscience》,《Neuron》等。在GABA能神经环路的发育、调控、神经网络和功能研究方面具有非常扎实的研究基础。 未定带(Zona incerta, ZI)是一个GABA能神经元富集的底丘脑核团,可分为多个亚区,具有细胞异质性,虽然ZI被认为与疼痛相关,但是确切的ZI亚区、神经元亚型、神经环路以及分子在疼痛样行为中的作用尚不明确。 1、ZIv内PV阳性神经元参与并可调控疼痛样行为 利用在体钙信号记录、免疫组化染色等方法,我们发现ZI中间段腹侧(ventral part of ZI, ZIv)区域内小清蛋白(Parvalbumin, PV)阳性神经元的兴奋性与多种伤害性刺激引起的疼痛样行为相关,表明ZIv内PV阳性神经元的活性在疼痛样行为中是升高的。 图1 ZIv内PV阳性神经元参与疼痛样行为 (A: GCaMP6s注射及表达, B:Ca 2 +信号获取及疼痛行为记录, C和D:热图 )
图2 干预ZIv内PV阳性神经元可以调控疼痛样行为 (A:双侧注射taCasp3病毒示意图, B:注射taCasp3病毒后PV+神经元数量变化示意图, C和D:注射taCasp3病毒后机械和热阈值变化示意图, E:双侧注射nphri - eyfp或ChR2-EYFP病毒抑制或激活PV+神经元的简图, F and G:ZIv PV+神经元光抑制对机械和热阈值影响) 2、ZIv-Po神经环路及突触前的CB1Rs在疼痛样行为中具有重要的调控作用 那么,ZIv内PV阳性神经元调控疼痛样行为的神经环路及分子机制是什么呢?利用顺向病毒追踪的方法,筛选出了这群PV阳性神经元有效下游核团——丘脑后核群(Posterior complex of the thalamus, Po)。通过光遗传激活或抑制ZIv-Po神经环路同样可以降低或者升高小鼠的疼痛阈值。
图3 ZIv-Po神经环路调控疼痛样行为 (A:双侧ZIv注射的ChR2, NpHR,和EYFP病毒) 有趣的是,RNA scope原位杂交实验进一步发现ZIv内的PV阳性神经元大量共表达CB1Rs,并且其蛋白形式主要定位于ZIv-Po神经环路的突触前,使用RV病毒工具,反向验证了ZIv-Po的神经环路。
图4 ZIv-Po神经环路突触前表达CB1Rs (A:野生型ZI小鼠PV、CB、Rs-o标记神经元中Rs- mRNA表达及相对丰度)
图5 RV病毒注射示意图 接下来,该环路突触前的CB1Rs发挥怎么的功能呢?Po区域局部给予CB1Rs激动剂可以增加小鼠的疼痛阈值,而Po局部给予CB1Rs拮抗剂或者ZIv内CB1Rs mRNA敲减,均使小鼠对疼痛的敏感性升高。进一步在PV-Cre小鼠ZIv双侧注射CB1Rs敲减病毒,研究人员发现小鼠的疼痛阈值显著降低,并且炎性痛的症状延续时间明显延长,表明ZIv-Po神经环路突触前的CB1Rs在疼痛样行为的调控中发挥重要的作用。
图6 ZIv-Po神经环路突触前CB1Rs参与调控疼痛样行为 (A:Po注射CB1R拮抗剂或激动剂示意图, B和C:CB1R拮抗剂和激动剂对Po机械阈值的影响,D: 验证ZI中CB1Rs KD作用, E和F:ZIv-Po区CB1Rs-KD对机械和热阈值的影响) 3、ZIv-Po神经环路及突触前的CB1Rs参与并且可以调控慢性痛 既然已经了解ZIv-Po神经环路及突触前的CB1Rs在疼痛样行为中的重要调控作用,该环路及分子是否参与并调控慢性痛呢?在选择性神经损伤诱发的小鼠慢性痛模型中,利用电生理及蛋白印迹检测发现:在慢性痛模型中,ZIv-Po神经环路的活性异常升高,突触前CB1Rs蛋白表达显著降低,而长期Po区域局部给予CB1Rs激动剂可以逆转上述病理性改变,并且明显改善慢性痛。
总结: 这项研究首次发现CB1Rs对未定带-丘脑神经环路的调控及其在疼痛样行为中的作用,这将有助于揭示疼痛的脑内神经生物学基础,加深对疼痛的脑内神经环路机制的理解,对大.麻类药物治疗疼痛提供理论基础。该研究团队使用了枢密科技的RV病毒工具,反向验证了ZIv-Po神经环路,并联合single-cell PCR技术,验证了ZIv内PV阳性神经元产生CB1Rs mRNA,揭示了大.麻类药物镇痛的中枢新机制。
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