研究背景
腦電刺激（DBS）可以有效治療耐藥神經和精神疾病，但其機制尚不清楚。近期吉林大學第一醫院張穎團隊聯合美國國立衛生研究院崔國紅團隊在Nature Neuroscience (IF 20.0)上發表文章“Differential synaptic depression mediates the therapeutic effect of deep brain stimulation”，發現DBS通過不同程度地抑制谷氨酸能和γ-氨基丁酸能輸入來抑制STN神經元，從而使STN的局部E/I比率向抑制方向移動，這是DBS療效的關鍵機制，“化學遺傳學DBS”技術，可能為PD及其他神經系統疾病提供比電刺激DBS更微創且更經濟的替代方案。
· 維真助力 - 神經遞質探針·
病毒產品
AAV9-hSyn-iGABASnFR，6.3×1013GC/ml
AAV9-hSyn-SFVenus-iGluSnFR-A184S，4.2×1013GC/ml
實驗動物
Vglut2-cre小鼠
注射方式
立體定位注射
注射部位
STN
AAV神經遞質探針在STN成功表達
結果展示
1. 治療性DBS對帕金森病小鼠的影響
作者發現DBS期間，STN神經元在短暫激活后會持續受到抑制，且軸突末梢的活動同樣受到抑制。作者進一步研究了DBS對傳入末梢活動和局部神經遞質釋放的影響，發現谷氨酸能和γ-氨基丁酸能軸突末梢在DBS期間強勁激活，DBS導致局部神經遞質釋放減少，其中谷氨酸的減少幅度大于γ-氨基丁酸，從而使興奮/抑制平衡向抑制方向傾斜。接下來作者探究了上述改變是否同樣存在與帕金森病小鼠中，使用6-OHDA建立PD小鼠模型并重復了上述實驗，并在PD小鼠中觀察到與正常小鼠相同的DBS誘導效應：即影響STN神經元、傳入末梢、以及谷氨酸和γ-氨基丁酸水平，表明DBS誘導的行為效應機制與疾病狀態無關。因此作者提出假設：DBS會持續激活支配丘腦下核神經元的傳入纖維，導致神經遞質釋放減少，其中谷氨酸釋放的減少幅度大于γ-氨基丁酸，導致局部興奮/抑制比值向抑制方向的轉變，最終抑制了丘腦下核神經元的活動，并且DBS可能通過抑制PD誘導的STN神經元活動發揮治療作用。
圖1 DBS導致STN局部神經遞質釋放抑制
2. 化學遺傳學調控STN對帕金森病小鼠行為的影響
為了進一步證實介導DBS治療效果的是神經元抑制而不是興奮，作者比較了化學遺傳抑制或興奮STN對帕金森病小鼠行為的影響。在注射6-OHDA前和6-OHDA后進行旋轉測試，發現在注射6-OHDA之前，CNO處理并未誘導對照組的小鼠發生自發旋轉，但在化學遺傳學抑制組小鼠中，CNO給藥導致小鼠出現向對側的旋轉偏向，在化學遺傳學激活組小鼠中，CNO處理導致小鼠出現同側旋轉偏差。6-OHDA損傷后，所有小鼠均表現出自發的同側旋轉，且對照組中CNO給藥并未緩解。在化學遺傳學抑制組小鼠，CNO完全挽救了缺陷并恢復了平衡旋轉。在化學遺傳學激活組小鼠中，CNO治療進一步加劇了癥狀并導致更偏向的同側旋轉。這些結果證實，對海馬神經元的抑制而不是興奮可以治療PD癥狀，這啟發作者進一步探索“化學遺傳DBS”--即使用化學遺傳學方式對神經元進行化抑制--是否可以成為晚期PD的有效治療方法。
圖2 化學遺傳學調控STN恢復PD小鼠的運動功能
3. “化學遺傳學DBS”對MitoPark帕金森病小鼠的治療效果
為了進一步評估“化學遺傳DBS”在類似于人類患者中的治療功效，作者將AAV5-hSyn-hM4D（Gi）-mCherry或AAV5-hSyn-mCherry注射到MitoPark小鼠（PD模型小鼠）和對照小鼠STN，并進行曠場實驗和轉棒測試。發現MitoPark小鼠表現出嚴重的運動缺陷，在露天試驗中運動活動減少，在旋轉棒試驗中保持平衡的能力較差，類似于在晚期PD患者中觀察到的癥狀。單CNO給藥完全挽救了AAV5-hSyn-hM4D（Gi）-MitoPark小鼠在開放場和旋轉棒試驗中的缺陷。接下來，作者評估長期治療后“化學遺傳學DBS”治療效果的潛在脫敏作用，發現4周的慢性CNO每日治療不會導致其治療效果脫敏。最后，作者直接比較了“化學遺傳學DBS”和電刺激DBS之間的治療效果，結果表明，這種“化學遺傳DBS”治療可以等于或比電刺激DBS治療更有效。
圖3 在晚期PD的小鼠模型中，對STN的化學抑制恢復運動功能
實驗結論
本研究表明STN DBS通過不同程度地抑制谷氨酸能和γ-氨基丁酸能輸入來抑制STN神經元，從而使STN的局部E/I比率向抑制方向移動。“化學遺傳DBS”,即突觸后神經元的化學遺傳抑制，可以發揮電DBS的治療效果，是一種有前途的化學遺傳療法。對晚期PD或其他難治性神經精神疾病的患者來說，化學遺傳DBS療法創傷更小，更實惠。