1817年,英国医生James Parkinson医生发表关于震颤麻痹的短论(“An Essay on the Shaking Palsy”),报告了6例患者,其中3例是他在英国伦敦的街道上观察记录下来。这是后来被称为帕金森病(Parkinson′s disease,PD)的首次较为清晰的描述。1877年,法国医生Jean-Martin Charcot将该类疾病正式命名,并随后受到广泛关注。
200多年后,帕金森病已成为除阿尔茨海默症(AD)的第二常见的神经退行性疾病,影响着数百万人的健康。中国也是帕金森病患者人数最多的国家,世界卫生组织专家预测,到2030年,中国帕金森病患者将达到500万。
“全球正在进入老龄化社会,我们团队在大概5年前开始关注与衰老相关的神经退行性疾病。”麻省理工学院(MIT)McGovern大脑研究所讲席教授、美国人文与科学院院士冯国平教授团队在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时表示,近年来,阿尔兹海默症、帕金森病等疾病已成为他们的研究焦点。
北京时间6月8日晚间,顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表了一项由麻省理工学院、浙江大学医学院、中科院深圳先进技术研究院等团队联合完成的一项研究,题为“靶向丘脑环路改善帕金森小鼠的运动和情绪障碍”(Targeting thalamic circuits rescues motor and mood deficits in PD mice)。
研究团队在急性帕金森病小鼠模型中发现,利用化学遗传手段操作投射尾状壳核(CPu)的丘脑束旁核(PF)神经元可以使得小鼠运动长期恢复,而PF→下丘脑核(STN)环路突触的光遗传长期增强作用(LTP)可以恢复运动学习行为。此外,激活投射伏隔核(NAc)的PF神经元可以改善小鼠的抑郁样表型。
值得关注的是,该研究不仅确定了帕金森小鼠运动和非运动障碍的环路机制,而且提出了一种令人兴奋的治疗途径。“我们找到了不同环路的烟碱型乙酰胆碱受体(nAChRs)可以作为分子靶点去改善帕金森的部分表型。”研究团队认为,针对PF丘脑环路可能是治疗帕金森病运动和非运动障碍的有效策略。
冯国平及其课题组的两名博士后张颖、Dheeraj S. Roy为该研究的通讯作者,张颖同时也是第一作者,Dheeraj S. Roy为并列第一作者。冯国平1982年本科毕业于浙江医科大学,1985年硕士毕业于上海第二医科大学,1995年博士毕业于纽约州立大学水牛城分校,后在圣路易斯华盛顿大学担任博士后研究员。2000年到杜克大学医学中心神经生物学系做助理教授,2008年升任副教授。2010年加入麻省理工学院并任Poitras终身教授。其长期专注于研究神经突触和环路功能及神经疾病发生机理,创建神经系统研究新技术。
帕金森病治疗不仅限于运动症状
“3年以前,我看到我身边的一位亲人走路开始有点迟缓,然后看到他的字越写越小,我看到就知道他得了什么病。”复旦大学附属华山医院院长毛颖教授此前曾以他患有帕金森病的亲人为例,向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者阐述起一位85岁帕金森患者的情形。
这种症状实际上仅是易于观察到的帕金森患者的运动症状。帕金森病是一种常见的中老年神经系统退行性疾病,主要病理变化是黑质致密部(SNc)多巴胺能神经元进行性退变和路易小体形成。临床表现有震颤、肌强直、动作迟缓、姿势平衡障碍的运动症状,以及睡眠障碍、嗅觉障碍、自主神经功能障碍、认知和精神障碍等非运动症状。
流行病学调查研究显示,欧美国家60岁以上帕金森病患病率达到1%,80岁以上超过4%。中国65岁以上人群患病率则为1.7%,与欧美国家相似。随着疾病的进展,帕金森病的运动和非运动症状会逐渐加重。
张颖表示,“运动障碍是帕金森病的主要症状,所以目前关于帕金森病的研究与治疗都集中在运动功能,并且已经有不错的进展。”
《中国帕金森病治疗指南(第四版)》中提到,左旋多巴目前是治疗帕金森病的标准疗法,是帕金森病药物治疗中最有效的对症治疗药物。不过,在大多数患者中,随着疾病进展和左旋多巴长期使用会产生运动并发症,包括症状波动和异动症。
另外,手术方法主要有神经核毁损术和脑深部电刺激(DBS),DBS因其相对无创、安全和可调控性而成为目前的主要手术选择。手术靶点主要包括苍白球内侧部(GPi)和丘脑底核(STN),目前认为这2个靶点对震颤、强直、运动迟缓和异动症均有显著疗效,但丘脑底核-DBS在显著减少抗帕金森病药物剂量上更具优势。
然而,我们面临的困境是,无论是药物还是手术,目前这些治疗手段只能改善症状,不能阻止病情的发展,更无法治愈。而在运动症状之外,针对帕金森患者的非运动症状的治疗近乎空白。“任何一个治疗策略的开发都需要科学家对这些表型致病机制的研究,而目前对于帕金森病的非运动症状的研究还相对较少。”张颖提到。
“帕金森病患者还有很多非运动症状,例如抑郁、睡眠紊乱等,这些症状其实和运动障碍一样,严重地影响了患者的生活质量。”张颖表示,如果在提高患者运动功能的同时,改善患者的情绪以及睡眠质量等,“这会是帕金森病临床治疗一个比较大的进展。”
大脑是一个复杂的网络,冯国平团队的长期研究方向之一是神经突触和环路功能及精神疾病发生机理。“我们希望为与衰老相关的神经退行性疾病的治疗提供新的思路。”张颖等人在这项研究中想回答的是:确定帕金森病运动和非运动障碍的神经环路机制,是否等带来新的治疗方法?
丘脑及不同的细胞亚群:分别影响哪些症状?
丘脑是间脑的主要结构,人类的丘脑是两个卵圆形灰质核团,各长约5.7厘米,两侧丘脑通过丘脑间粘合存在一定程度连接。丘脑与基底神经节(大脑皮层下一大块灰质的总称)有着广泛的连接,对运动行为有重要的贡献。此前的研究和临床也证明,丘脑底核-DBS可以调节帕金森病相关的病理生理变化。
值得注意的是,在人类等哺乳动物中,大脑新皮层取代中脑、丘脑包揽了高级功能,一般认为高等动物的丘脑主要起信号传递的中继作用。然而,越来越多的研究表明,丘脑的作用远非“中继站”那么简单。
张颖提到,这项研究工作大概始于5年前,同时开展的还有研究团队近期发表另一项研究,关于另一个丘脑核团在衰老造成的认知衰退中的作用。
今年5月,冯国平团队在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一项研究,张颖等人利用实验室最新的转基因小鼠,通过特异性调控前端丘脑(ANT)不同亚区,发现其中的前端腹区(AV)特异性地介导了工作记忆的储存;伴随着小鼠的衰老,工作记忆衰退,同时伴随着前端丘脑神经元兴奋性的降低。研究团队利用光遗传的方法提高这群神经元的活动,表明可以显著改善老年鼠的工作记忆功能。
“这些工作的进展都与我们去年发表的一个探究不同疾病的共享机制的研究相关。那项研究给我们指出了一个可能性,就是丘脑,一个被认为是大脑中转的脑区,可能参与了更多我们意想不到的‘非中转’的功能,同时参与了不同脑疾病的致病。”张颖表示。
此前的研究显示,丘脑束旁核(PF)与基底神经节中的多个核团存在投射关系,其主要向背侧纹状体(即尾状壳核CPu)、下丘脑核(STN)和腹侧纹状体(即伏隔核NAc)投射。然而,这些PF亚群及其回路的生理特性尚未被广泛研究。
研究团队通过顺行示踪和逆行示踪技术发现,投射CPu或STN的PF神经元(分别为PFCPu或PFSTN)混杂在外侧PF,而投射NAc的PF神经元(PFNAc)位于内侧PF,这表明PF亚群的空间定位存在差异。从基本电生理特性来看,PFCPu和PFSTN神经元相似,相比之下,PFNAc神经元则不同,表现出最独特的电生理特征。同时,与PF→STN环路相比,PF→CPu环路和PF→NAc环路的光诱发电流更大。
研究团队认为,这些观察结果表明,投射到CPu、STN和NAc的PF神经元属于不同的亚群。
丘脑束旁核(PF)中有三个不同的特异性投射亚群。接下来,研究团队研究了不同PF亚群的功能。虽然PFSTN神经元抑制对小鼠运动没有影响,但PFCPu神经元抑制可导致运动性显著增加,与对照组小鼠相比增加22.81%。论文援引此前的一项研究提到,在那项研究中,研究团队利用化学遗传技术抑制整个PF,但没有观察到显著变化。他们认为,这些不同的试验表明,PF特异性投射的操纵可能在揭示特定行为贡献方面更有效。研究团队还用转棒疲劳实验(rotarod assay)检测了这些PF亚群是否与运动学习有关。转棒疲劳实验是检测啮齿类动物运动功能的方便方法,可以通过测量动物在滚筒上行走的持续时间评定中枢神经系统疾病或损坏以及药物对运动协调功能和疲劳的影响。他们发现,尽管PFCPu神经元有助于一般的运动活动,但PFSTN神经元对运动学习至关重要,揭示了这两个PF亚群的不同功能作用。
研究进一步提到,人们普遍认为STN的主要细胞类型表达谷氨酸标记物VGLUT2(由Slc17a6编码)。然而,STN也包含一个parvalbumin (PV,由Pvalb基因编码)阳性亚群,这仍有待研究。他们通过试验发现,投射到Pvalb+ STN神经元的PF神经元比投射到Vglut2+ STN神经元的PF神经元数量更多。并通过分别抑制进一步支持,只有Pvalb+抑制组小鼠在运动学习中受损,新一步支持了Pvalb+ STN神经元在运动学习中的作用。
尤为重要的是,研究团队在啮齿类动物中STN的机制发现可能在高等物种中保守,如非人灵长类动物,甚至在人类中。
投射CPu和STN的PF神经元介导不同的运动行为。另外,尽管研究团队使用化学遗传学方法抑制PFNAc神经元发现,该亚群在运动试验中并没有发挥关键作用,然而,考虑到NAc在焦虑和抑郁中具有关键作用,他们随后通过测试焦虑的高架零迷宫试验,以及三种常用的检测抑郁样状态的试验,即糖水偏好试验、强迫游泳试验和尾悬试验,对PFNAc抑制小鼠进行了测试。结果表明,与对照组小鼠相比,PFNAc神经元抑制小鼠在糖水偏好试验中降低了14.75%,强迫游泳试验增加了38.28%,尾悬试验增加了39.83%。这进一步支持PFNAc神经元在奖励处理中的作用,揭示了PFNAc亚群在非运动行为中的关键作用。
投射NAc的PF神经元介导抑郁样行为。需要指出的是,因为缺乏特定的技术手段,以往大部分研究都无法区分各丘脑脑区,关于单个丘脑脑区不同细胞亚群的研究更是少之又少。张颖强调,“我们现在了解到,这些不同细胞亚群在帕金森病各个症状的致病中发挥不同的作用,如果我们不去区分这些亚群,而是笼统地调节整个丘脑,那就很难在改善疾病的症状中看到一致的效果。”
找到分子靶点,但走向临床还需解决多重关键问题
这些基础研究成果能给帕金森病的临床治疗带来哪些新的提示?
研究团队为这一答案继续探索,通过在黑质致密部(SNc)双侧注射6-羟基多巴胺建立了急性帕金森小鼠模型(PD小鼠)。
与帕金森病患者相似,帕金森病小鼠模型在运动和运动学习方面都有障碍。研究发现,关于PD模型小鼠的运动恢复,急性抑制PFCPu神经元就能立即改善行为表现。然而,他们发现改善持续的时间并不长,但令他们惊讶的是,延长PFCPu神经元抑制就能使得PD模型小鼠的长期运动恢复,长达10天之久。
值得一提的是,此前有研究表明,PF→STN环路的激活可以增加运动,而张颖等人在这项研究中发现,PF→STN环路对运动学习是必要的,这一环路在PD模型小鼠中也被削弱。研究团队认为,综合这些观察结果表明,PF→STN环路的激活可能会缓解帕金森的运动和运动学习障碍。
除运动表型之外,抑郁样症状在PD小鼠中也可以观察到。利用微创光遗传学方法来调节PFNAc神经元,研究团队证明,在PD小鼠中激活这种特定的PF亚群足以缓解抑郁样行为。
不过,研究团队指出,女性抑郁症发病率大约是男性的两倍,而他们的发现只基于雄性小鼠,未来需要进一步研究来确定这些环路操作在雌性小鼠中是否同样有效。
研究团队还进一步测试,是否可以通过分子靶点实现类似的效果?他们最终通过筛选发现,靶向不同PF环路的烟碱乙酰胆碱受体(nAChRs),提供了一种潜在的令人兴奋的治疗方法,即可以缓解PD中的运动和非运动障碍。
张颖表示,总体而言,这项研究找到了不同环路的nAChRs可以作为分子靶点去改善帕金森的部分表型。
靶向不同环路的nAChRs可以改善帕金森表型。然而,任何一项基础研究都需要经过非常漫长的过程才能最终有机会走向临床。“第一个问题是我们在研究中使用的是这些靶点的激动或者拮抗剂。我们都知道,这些受体在大脑中广泛表达,这些激动或者拮抗剂的使用势必会造成潜在的副作用。如何用非损伤的方法特异性地调控目标脑区的分子靶点是我们正在解决的问题。”张颖提到的第二个问题是该项研究使用小鼠模型进行系统研究,“在接下来的时间里,我们会验证这些在小鼠里发现的致病机理以及在分子靶点在灵长类中是否适用。”
值得关注的是,这项研究还向我们展示了新技术应用在神经科学领域的重要性。冯国平团队也长期致力于创建神经系统研究新技术,在这项研究中也使用到了团队此前开发的基于SOUL蛋白的光遗传学(optogenetics)技术等。
所谓的光遗传学,即结合了光学及遗传学的技术,借助这项技术,研究人员能在活体动物甚至是自由运动的动物脑内、脊髓、外周神经内,精准地控制特定种类神经元的活动。2010年,光遗传学被Nature Methods选为年度方法,同年被Science认为是近十年来的突破之一。
“近年来,光遗传的开发为脑疾病机制的研究提供了新的方法;同时,基因编辑、开发跨越血脑屏障的小分子的研究也使得科学研究在临床转化的方向上更进一步。”研究团队对澎湃新闻记者表示,科学研究的进步离不开技术的发展,重要技术的产生可以带来一场整个研究领域的革命。
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