浙大陈忠教授利用光遗传技术控制颞叶癫痫全身性发作

来源: 生物谷  2017-06-30 A- A+

癫痫,俗称“羊角风”,是一种长期性的神经系统疾病,以脑内同步化放电引起的反复且突发性的抽搐为特征。据不完全统计,全世界每100人中就有1个人患有癫痫,而这一比例在发展中国家更高。
癫痫给患者带来巨大的痛苦,发作时患者口吐白沫、肌肉强直,身体遭受严重伤害。历史上,梵高、凯撒大帝、拿破仑等名人都曾饱受癫痫的伤害,大量患者甚至猝死。除对身体的伤害以外,患者的心理也常会发生严重影响, 抑郁症、焦虑症等疾病在癫痫患者中的发病率也很高。因此,我们希望找到方法克服这种疾病。
值得玩味的是,癫痫也曾为我们理解脑功能带来关键提示。历史上有一位著名的癫痫患者Henry Gustav Molaison(H,M.),他因为严重的癫痫被切除了大脑颞叶区域,手术后人们发现他丧失了学习新知识的能力,这使得人们将颞叶区域与学习功能密切关联起来。今天我们的故事也跟这个颞叶区域密切相关。
癫痫分为多种不同的类型,其中,颞叶癫痫(Temporal lobe epilepsy, TLE)属于局部癫痫。虽然是局部的,但是TLE患者中,继发全身性癫痫发作(Secondary generalized seizure, sGS)是导致患者致残、猝死的最主要原因。因而,了解sGS现象的神经机制对于人类健康非常重要,但我们目前对此知之甚少。
2017年6月22日,神经科学顶级杂志《Neuron》在线发表了浙江大学陈忠教授课题组的研究(1)。他们从临床现象入手,应用光遗传技术、化学 遗传技术等,首次发现TLE患者中的sGS现象与下托(Subiculum, Sub)的GABA神经微环路密切相关。该研究由陈忠教授课题组博士后汪仪和徐层林等人共同完成。
实验结果:
1.出现继发全身性癫痫发作(sGS)现象的颞叶癫痫(TLE)患者下托区域(Sub)明显萎缩
整个故事从临床现象开始,在浙江大学附属二院癫痫中心,作者对临床颞叶癫痫患者的脑进行结构磁共振成像,他们发现存在sGS现象的TLE患者Sub脑区萎缩异常严重(图1),提示Sub脑区对于TLE患者出现sGS现象可能非常重要,接下来的研究围绕Sub神经环路开展。
图1 出现sGS的TLE患者Sub脑区明显萎缩
2.选择性激活Sub脑区GABA能神经元会延阻TLE患者sGS的产生,但会增强sGS的表达
由于癫痫的直接原因是神经元的过分放电,而GABA能神经元主要负责抑制神经元放电。故作者首先在Vgat-ChR2-eYFP小鼠(GABA能神经元特异表达ChR2)进行实验,他们在CA3脑区使用电刺激诱导癫痫,同时借助光 遗传技术激活Sub区GABA能神经元,发现该操作会明显延阻sGS的发作(图2A-B)。有趣的是,如果在已经出现sGS现象的鼠中激活Sub区GABA能神经元,则会增强sGS的表达(图2F-H)。
图2 激活Sub区GABA能神经元延阻sGS发作,但会增强已发作的sGS表达
在上述转基因鼠中,穿越Sub的神经纤维可能也表达ChR2,为避免这些因素的影响,作者使用Vgat-CRE鼠,在Sub区域注射AAV-EF1a-DIO-hChR2-mCherry,特异性地在Sub区GABA神经元表达ChR2。通过光激活,作者发现类似前文实验的结果,激活GABA能神经元会导致sGS起始的延阻(图3A-D)。而如果在Sub脑区GABA能神经元特异表达抑制性通道Arch,则会明显看到光刺激后、sGS起始的提前(图3E-F)。
图3 利用AAV病毒在Sub区特异表达光敏感通道研究sGS的环路机制
无独有偶,基于AAV 载体的化学 遗传学实验也发现,激活Sub区GABA能神经元会延阻药物诱导的sGS的发生,但是一旦sGS被建立,激活这些细胞会加剧sGS(图4)。
图4 化学 遗传学手段剖析sGS发生的神经环路机制
3.sGS形成后,GABA能神经元的抑制作用发生变化导致sGS症状的加剧
是什么导致了sGS发作时,激活GABA能神经元反而会增强癫痫症状呢?作者发现在sGS发作期,GABA能神经元对锥体细胞的抑制作用明显减弱(图5A-G),而如果在sGS发作期抑制GABA能神经元的活动(利用AAV病毒在Vgat阳性神经元表达Arch通道),则能明显减弱sGS症状(图5H-J)。这都说明GABA能神经元在sGS的发作期起到了“助纣为虐”的负面作用。
图5 sGS形成后,GABA能神经元的抑制作用减弱导致sGS症状的加剧
4.sGS发作期,激活GABA能神经元产生的效应是由NKCC1和KCC2表达变化导致的
借助电生理、分子生物学和药理学手段,作者发现Sub区GABA能神经元在sGS中的作用是由氯转运蛋白NKCC1和KCC2表达改变的,这两种蛋白的表达变化会导致GABA能神经元的异常去极化,如果用药理学手段或者基因干预手段抑制NKCC1的功能,可以逆转激活GABA能神经元的促癫痫作用(图6)。
图6 GABA能神经元的促sGS作用归因于NKCC1和KCC2的表达异常
5.基于Arch通道的光 遗传抑制Sub区锥体细胞能明显抑制sGS发作
接下来,作者在CaMKIIa-CRE的鼠Sub区域应用AAV病毒 载体,在锥体细胞特异表达抑制性光敏感质子泵Arch或氯离子泵NpHR3.0。结果发现,sGS阶段,通过Arch通道抑制Sub的锥体细胞可以较好的抑制sGS。有趣的是,通过NpHR3.0则难以抑制sGS,说明sGS发生后,锥体细胞内的氯离子也发生了明显变化(图7)。
图7 基于Arch通道的光 遗传抑制Sub区锥体细胞能明显抑制sGS发作
6.sGS发作期不同类型GABA能神经元的不同作用
Sub脑区有两类主要的GABA能神经元,一类是PV(小清蛋白)阳性的,另一类是SST(生长抑素)阳性的中间神经元,这两类神经元在上述癫痫病理过程是否角色不一样,借助PV-CRE和SST-CRE的小鼠,以及AAV病毒 载体,作者发现激活两类GABA能神经元都能够延阻sGS的发生,但是,激活PV阳性的GABA能神经元促进sGS,而激活SST阳性的GABA能神经元能抑制大发作。
图8 sGS发作期不同类型GABA能神经元的不同作用
文献总结:
通过临床发现的现象,借助AAV病毒载体和Cre小鼠,利用光遗传技术和化学 遗传技术,作者发现颞叶癫痫继发全身性大发作与下托脑区神经环路活动的联系,为精准治疗颞叶癫痫的药物新靶点研究提供了非常重要的实验依据。
参考文献:
[1] Wang Y, Xu C, Xu Z, Ji C, Liang J, Wang Y, et al. Depolarized GABAergic Signaling in Subicular Microcircuits Mediates Generalized Seizure in Temporal Lobe Epilepsy. Neuron. 2017.

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