机械敏感离子通道Piezo1和Piezo2调节啮齿动物对经颅聚焦超声刺激大脑运动皮层的反应

2024-05-25 Sat
机械敏感离子通道Piezo1和Piezo2调节啮齿动物对经颅聚焦超声刺激大脑运动皮层的反应
学术背景经颅聚焦超声（Transcranial Focused Ultrasound，TFUS）神经调节是一种非侵入性、深层脑刺激技术，以其高精准度和安全性在神经回路研究及脑病治疗中显示出巨大的潜力。然而，经颅聚焦超声的具体作用机制仍不完全清楚。已有研究表明，超声的机械效应，特别是声辐射力（Acoustic Radiation Force，ARF），可能通过作用于机械敏感离子通道，影响神经元活动。因此，明确这些离子通道在 TFUS 神经调控中的作用，对开发新的脑疾病治疗技术具有重要意义。
论文来源本研究由 Tianqi Xu, Ying Zhang, Dapeng Li, Chunhao Lai, Shengpeng Wang 和 Siyuan Zhang 等人共同撰写，分别来自西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程系和西安交通大学基础医学研究院心血管研究中心。该论文已被 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 期刊接受，预计将于2024年正式发表。
研究详细流程研究目标本研究旨在探讨 Piezo1 和 Piezo2 机械敏感离子通道在小鼠脑皮层机械反应中的作用。首先, 研究团队分别在小鼠脑皮层中敲降 Piezo1 和 Piezo2，并在 TFUS 刺激下比较不同组别的小鼠运动反应，进一步通过 c-fos 免疫荧光观察超声诱导的神经活动。
研究步骤和实验设计1. 病毒制备和在体立体定向注射：
使用三种 AAV9 载体，分别为 Piezo1 敲降、Piezo2 敲降和对照载体。通过立体定向注射的方法将病毒注射到小鼠运动皮层区域。每只鼠（共78只，均为8周龄雄性 C57BL/6J 小鼠）的病毒注射部位为前囟旁（AP 0.50mm, ML -1.00mm, DV 1.00mm）。注射后三周进行后续的 TFUS 刺激和检测。
2. 表达分析：
采用 RT-PCR 分析方法验证 Piezo1 和 Piezo2 mRNA 的敲降效果。实验结果表明，Piezo1 和 Piezo2 mRNA 的表达在敲总组中显著降低。
3. 超声神经调控协议：
使用频率为620 kHz的单元凹面换能器，设置脉冲持续时间为2ms, 频率为250Hz，总声激时间为400ms。使用自设计的双通道任意波形发生器和功率放大器来激发超声脉冲。对各实验组进行20次超声刺激记录球头电位数据。
4. 免疫荧光和生物安全评估：
通过 c-fos 免疫荧光标记观察神经活动。此外，进行了 H&E 染色、Nissl 染色和 TUNEL 染色分析，评估敲总Piezo1或Piezo2后 的组织结构完整性和细胞安全性。
数据处理和算法采集的电位图数据使用 MATLAB 软件进行处理。成功运动反应为峰值电位幅度三倍以上的背景噪声均值。使用统计包GraphPad Prism进行数据统计，采用t检验和方差分析方法。
主要研究结果1.运动反应成功率和迟延时间：
注射对照病毒 C57BL/6J 小鼠运动反应成功率为85.69% ± 10.23%，而 Piezo1 和 Piezo2 敲降组分别为 57.63% ± 14.62% 和 73.71% ± 13.10%。相比对照组，敲降组的运动反应显著减少。同时，Piezo1 和 Piezo2 敲降组的峰值时间分别为0.62 ± 0.19秒和0.60 ± 0.13秒，均显著高于对照组的0.44 ± 0.12秒。表明注射病毒本身不会干扰实验结果，Piezo1 和 Piezo2 的缺失会影响皮层区运动反应的成功率和反应时间。
2. c-fos 免疫荧光结果：
各实验组在声激后的 c-fos 表达显著高于无声激组。对照组的 c-fos 表达量显著高于 Piezo1 和 Piezo2 敲降组，分别为 p = 0.0105 和 p = 0.0030。显示了 Piezo 通道对TFUS诱导的神经活动具有重要的调控作用。
3.生物安全性：
通过 H&E、TUNEL 和 Nissl 染色分析发现，无论是否敲降 Piezo，暴露于TFUS下的小鼠脑组织和细胞均未显示出结构性损伤或细胞凋亡，验证了TFUS 的安全性。
结论和意义本次研究证实了 Piezo1 和 Piezo2 机械敏感离子通道在 TFUS 神经调控中具有重要作用。这些通道的敲降会显著降低运动反应的成功率并延迟反应时间，同时显著降低 TFUS 诱导的 c-fos 表达。该研究结果增进了对非侵入性脑刺激技术机制的理解，为脑疾病的特定治疗提供了新的靶点和方向。
研究亮点首次明确 Piezo1 和 Piezo2 在 TFUS 神经调控中的关键作用。
系统验证了 TFUS 的非热效应，是通过机械效应影响机械敏感离子通道实现的。
提出了 Piezo1 和 Piezo2 在脑皮层运动反应中的功能，为未来的脑疾病治疗提供了新的可能性。
通过本次研究，我们不仅揭示了 TFUS 的工作机制，还为深入理解神经调控和脑功能的基础机制提供了科学依据，同时为脑疾病治疗方法的开发开辟了新的研究思路。