光遗传学抑制岛叶皮质谷氨酸能神经元调控三叉神经病理性疼痛

引言背景

三叉神经性神经痛（trigeminal neuropathic pain, TNP）是一种严重的面部疾病，以快速且剧烈的刺痛发作为特征，沿着三叉神经的皮神经节段传播。TNP在女性中发生率几乎是男性的两倍。虽然传统的外科手术如根切断术或微血管减压术对多数典型TNP患者有效，但对于不典型TNP患者，手术效果往往欠佳，部分患者仍然持续出现症状或产生副作用。因此，亟需通过对脑内不同区域的深入研究来开发新的镇痛干预方法。

岛叶皮层（insular cortex, IC）在几种感觉与认知过程——包括社会互动、学习记忆、情感表达、味觉和焦虑——中扮演着关键角色。IC分为前岛、小颗粒岛和无颗粒岛三个亚区。之前的研究已经表明，小颗粒岛（dysgranular insular cortex, DPIC）在疼痛处理过程中发挥重要作用。

论文来源

本研究由Jaisan Islam, Elina KC, Soochong Kim, Moon Young Chung, Ki Seok Park, Hyong Kyu Kim和Young Seok Park完成，作者分别来自韩国Chungbuk National University, Soonchunhyang University和Eulji University等高校。论文于2023年9月12日在线发表于Neuromolecular Medicine期刊。

研究方法

实验流程

研究使用了40只8周龄的雌性Sprague–Dawley大鼠，以三叉神经损伤的慢性缩窄伤模型（chronic constriction injury of infraorbital nerve, CCI-ION），构建TNP模型。大鼠随机分为TNP组、假手术组和对照组。

CCI-ION手术

在CCI-ION组大鼠（n=16）左侧眶下神经（ION）进行手术，手术步骤包括暴露ION并用丝线结扎。假手术组大鼠（n=16）进行类似手术，但不结扎ION。

光遗传病毒立体定向注射

在进行光遗传病毒（AAV2-CAMKIIa-eNpHR3.0-EYFP）或无效病毒（AAV2-CAMKIIa-EYFP）的立体定向注射后，大鼠分别植入用于光刺激的导光纤，注射点位于CCI-ION侧的大鼠对侧DPIC。各组术后每日进行行为观察。

行为分析

包括空气喷射测试（air-puff test）、冷超敏测试（cold hyperalgesia test）、机械触痛测试（mechanical allodynia test）和高架十字迷宫测试（elevated plus maze test）。行为测试在CCI-ION术前和术后第7、14、21和28天进行。

DPICG光遗传抑制下的体外单神经元电记录

使用黄色激光光刺激DPICG，采用体外单神经元电记录技术观察CCA-ION侧对侧的三叉神经尾核（TNc）和腹后内侧丘脑（VPM）的神经活动。分析结果包括整体神经放电率和爆发放电率，以及光遗传抑制对这些放电率的影响。

免疫荧光和组织学检查

在行为测试和电记录完成后立即进行心脏灌注，将大鼠在4%多聚甲醛中固定脑组织，随后进行切片和免疫荧光染色，观察c-Fos，pERK和CREB阳性神经元的表达。

数据分析

使用GraphPad Prism软件进行数据分析，并以均值±标准差（SD）表示结果。数据通过方差分析（ANOVA）或t检验进行对比，p<0.05认为具有统计学显著性。

研究结果

行为测试结果

空气喷射测试

TNP组大鼠表现出显著的机械变态反应（allodynia），其空气喷射耐受水平在4周内由22.71 ± 2.49 psi降至13.98 ± 2.32 psi。

冷超敏测试

冷超敏测试显示，TNP组大鼠的冷敏感分数从16.875 ± 2.65增加到23.208 ± 2.63。

机械触痛测试

机械触痛测试中，TNP组大鼠对机械刺激的敏感度显著增加，其阈值从12.652 ± 1.92 g降低至7.24 ± 2.06 g。

高架十字迷宫测试

TNP组大鼠表现出显著的焦虑样行为，其在开放臂的时间和进入次数均显著减少，分别由0.45 ± 0.033%和0.47 ± 0.066%降至0.29 ± 0.037%和0.31 ± 0.052%。

DPICG光遗传学抑制对TNc和VPM神经放电的影响

光遗传抑制DPICG显著降低了TNP组大鼠TNc神经的放电率，由26.94 ± 6.11 spikes/s降至20.87 ± 3.49 spikes/s，同时爆发放电率也显著降低。

类似地，在VPM神经活动中，光遗传抑制使放电率由45.57 ± 3.90 spikes/s降至36.88 ± 2.17 spikes/s，而爆发放电率由0.281 ± 0.0253降低至0.234 ± 0.0178。

免疫荧光结果

光遗传抑制后，DPIC和TNc中的c-fos表达显著减少，表明其神经活动降低。同时，创伤后creb和perk阳性神经元的表达也显著减少，进一步验证了DPICG抑制对TNP的镇痛作用。

结论

本研究发现，通过光遗传抑制DPICG可以有效改善TNP的行为反应，减少TNc和VPM的神经活动，从而产生显著的镇痛效果。研究结果表明，DPICG在TNP的神经环路中起重要作用，抑制其过度活跃状态可以调节疼痛处理路径，最终产生镇痛作用。这为进一步研究DPIC在TNP中的分子机制提供了有效实验方法，也为通过光遗传学方法开发新的镇痛疗法提供了理论依据。

研究意义

本研究验证了DPICG在TNP调节中的重要性，提出了通过光遗传抑制DPICG产生镇痛效果的新方法。这不仅为TNP的治疗提供了新的思路，也展示了光遗传学技术在疼痛研究中的潜力。研究结果可能为开发针对TNP的新型镇痛疗法提供基础，具有重要的理论和应用价值。