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李曉明教授團隊在《Nature Medicine》發文揭示大麻治療抑郁癥新機制

發布日期:2019年01月15日 11:10:16 來源:李曉明教授團隊
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最近,浙江大學醫學院李曉明教授團隊在抑郁癥研究方面取得重大突破。1月14日,國際醫學頂級期刊《自然-醫學》(Nature Medicine, 五年平均影響因子 33.409)刊發該團隊最新研究成果 “Cannabinoid CB1 receptors in the amygdalar cholecystokinin glutamatergic afferents to nucleus accumbens modulate depressive-like behavior”。該研究發現了一條參與抑郁癥發病的新神經環路并揭示了大麻治療抑郁癥的新機制。本課題主要由博士研究生沈晨杰,鄭迪,李可心等在李曉明教授的指導下完成。2014級博士研究生沈晨杰是論文的第一作者,李曉明教授是論文的通訊作者。該研究得到了浙江大學胡海嵐教授、段樹民院士等的大力幫助。

抑郁癥是一種最常見的精神疾病,嚴重困擾患者的生活和工作,給家庭和社會帶來沉重的負擔,目前我們對抑郁癥的病理機制仍然知之甚少。臨床上對于抑郁癥的診斷主要通過患者自述,并且,臨床針對抑郁癥的治療藥物主要是通過提高腦內化學遞質的水平來達到抗抑郁的效果,起效很慢,而且只在20~30%左右的病人中起效。因此,研究抑郁癥的發病機制對于其診斷和治療具有重要意義。

首先,他們發現了參與抑郁癥發病的一條新的神經環路-杏仁核的膽囊收縮素陽性神經元投射到伏隔核的抑制性神經元,進一步發現在社會壓力應激導致的抑郁動物模型中,該環路的突觸活動顯著增強,利用光遺傳技術抑制這條神經環路的活動可以有效克服抑郁癥狀。其次,他們發現大麻素受體在這條環路特異性表達,并且在抑郁動物模型中該環路上的大麻素受體表達顯著降低。敲降該環路上的大麻素受體也可以導致環路突觸活動增強和小鼠易感抑郁的表型。更重要的是,他們發現外源性地給予人工合成的大麻可以逆轉社會壓力導致的抑郁樣行為。這些發現不僅揭示了大麻抗抑郁的分子和環路機制,推進了人們關于抑郁癥發病機理的認識,并為抑郁癥的臨床診斷和治療提供了新的分子靶點。

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李曉明團隊成員從左到右為:鄭迪,李春悅,李曉明教授,沈晨杰,付佳毓,余小丹

大腦“恐懼中心”杏仁核存在兩條感知“愉悅”和“厭惡”的神經環路

在長達五年的研究中, 浙江大學李曉明教授團隊主要關注一個叫做杏仁核的腦區。杏仁核位于掌管情緒的邊緣系統中,在大腦深處,因形狀酷似杏仁而得名。杏仁核在在下至爬行動物,上至人類的大腦都存在,傳統研究表明,杏仁核主要掌管我們的恐懼記憶。但是近些年來研究認為,杏仁核可能參與情緒的編碼。

他們首先利用原位雜交等技術分析了杏仁核的基因圖譜,意外地發現一種名為膽囊收縮素的肽類在杏仁核高表達。為了研究這類膽囊收縮素陽性神經元在情緒編碼中的作用,他們采用一種名為“實時位置條件偏好”的行為范式,他們將小鼠放入一個可以自由穿梭的兩箱內,然后在一側箱子給予光遺傳刺激(即用光控制神經元活動)激活小鼠腦內杏仁核的膽囊收縮素肽類神經元。課題組在觀察小鼠行為的時候,有趣的事情發生了。他們發現,小鼠一旦進入光刺激區域時,幾秒后,它就會快速逃回另一側。久而久之,小鼠就不愿到光刺激區域探索。這就說明,光激活杏仁核的膽囊收縮素神經元帶給了小鼠“厭惡”的情緒體驗。相反,課題組發現,如果利用光遺傳同樣地激活杏仁核不表達膽囊收縮素的神經元,小鼠會表現出對光照區域的“喜愛”,這就說明這些杏仁核膽囊收縮素陽性和陰性神經元編碼了“厭惡”和“愉悅”兩種截然相反的情緒體驗。

進一步研究發現,這兩群杏仁核神經元除了基因表達的差異,它們在神經環路投射上也存在很大的區別。雖然這兩群杏仁核神經元都投射到一個叫做伏隔核的下游核團,但是膽囊收縮素陽性神經元主要和伏隔核表達多巴胺受體2型的抑制性神經元形成突觸聯系,相反,膽囊收縮素陰性神經元主要和伏隔核表達多巴胺受體1型的抑制性神經元形成突觸聯系。 “這是首次同時從基因和環路的水平鑒定了杏仁核表達愉悅和厭惡的候選基因及其相關的神經環路。”,李曉明教授解釋道。

杏仁核相關的“厭惡”神經環路突觸活動異常介導抑郁癥狀

臨床抑郁癥患者尸體解剖和影像學等證據都表明“杏仁核”的體積在抑郁癥患者中增大,并且當抑郁癥患者面對負性情緒刺激時,他們的杏仁核也被顯著被激活,這提示杏仁核可能在抑郁癥的發病過程中扮演著非常重要的作用。

為了證實杏仁核這兩條編碼“愉悅”和“厭惡”神經環路在抑郁癥中的作用,他們用了一種名為“社會應激挫敗”的抑郁模型。他們將實驗小鼠放入攻擊性強的CD1品系小鼠的籠子里,一旦實驗小鼠進入,CD1小鼠會立即追打和攻擊實驗小鼠,這個攻擊過程持續10分鐘,連續10天。在第11天,這些實驗小鼠被放入一個社會交互的曠場中,將CD1小鼠放在曠場中央,一部分小鼠表現出社會逃避,不愿意和CD1小鼠進行社會交流,他們稱這些小鼠是悲觀型小鼠。課題組進一步利用“懸尾實驗”和“糖水偏好實驗”發現,這些悲觀小鼠表現出“行為絕望”和“快感缺失”,即當被倒立懸掛時,悲觀小鼠更早地表現出放棄掙扎的狀態,并且它們對平時喜歡的糖水獎勵也無動于衷。相反,另外一群小鼠在經歷10天社會應激后,在第11天仍然愿意與CD1小鼠進行交流,這些小鼠被稱為樂觀型小鼠。“生活中,即使面對同樣的壓力時,有部分人更容易消沉,甚至進入長期的抑郁狀態,這與他們大腦有關。”,該論文的第一作者沈晨杰博士解釋道。

接著,他們利用離體腦片電生理記錄等技術發現,杏仁核相關“厭惡”神經環路的活動在悲觀型小鼠中異常活躍,如果人為地光遺傳學抑制杏仁核“厭惡”環路的神經元活動,可以逆轉悲觀型小鼠的抑郁樣癥狀,表現為悲觀型小鼠主動接近CD1小鼠與它交流,并且掉入水中的求生欲和對糖水的喜好都大大增強。相反,如果在正常小鼠中持續激活腦內杏仁核的“厭惡”環路,這些正常小鼠慢慢地表現出行為絕望和快感缺失的抑郁樣表型。“這就說明腦內杏仁核膽囊收縮素相關的厭惡環路可以雙向調節抑郁行為,這為以后治療抑郁癥提供了一個新的治療策略。”,該論文的第二作者鄭迪博士說。

大麻素受體“剎車失靈”介導抑郁小鼠中“厭惡”環路突觸活動的增強

為了進一步研究悲觀小鼠杏仁核相關“厭惡”環路活動增強的具體分子機制,他們利用原位雜交技術發現,大麻素受體大量表達在杏仁核膽囊收縮素肽類神經元陽性的“厭惡”神經環路中。

什么是大麻素受體?大麻素受體是人的中樞神經系統中表達量最高的G蛋白偶聯受體之一。大麻素受體主要位于突觸前膜,腦內的大麻素受體不僅可以被令人上癮的大麻主要成分植物性大麻素THC所激活,也可以被存在于神經系統突觸后膜產生的內源性大麻素N-花生四烯酸氨基乙醇和2-花生四烯酸甘油所激活。當神經環路上的突觸活動過強時,突觸后的神經元會產生內源性大麻素“逆行”到突觸前激動大麻素受體,被激活的大麻素受體可以抑制突觸前遞質的釋放,從而起到反饋性的調節,“如果把神經環路的突觸活動比作為高速行駛的汽車,那腦內的大麻素受體就是這輛汽車的剎車系統。”沈晨杰博士說。

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小鼠腦內杏仁核區域膽囊收縮素(Cholecystokinin,CCK)和大麻素受體(Cannabinoid receptors,CB1)共表達情況

這些在杏仁核“厭惡”環路中高表達的大麻素受體和抑郁癥又有什么關系呢?他們在悲觀小鼠的腦內發現,其大麻素受體的表達水平較對照組小鼠和樂觀小鼠明顯降低,離體和在體電生理證據表明,悲觀小鼠腦內降低的大麻素受體表達使得杏仁核表達‘厭惡’的神經環路,其面對壓力時的過度突觸活動不能被有效抑制。并且,如果利用病毒敲降正常小鼠“厭惡”環路中的大麻素受體,這些小鼠會表現出對壓力的易感性,即當它們面對社會應激壓力時,更容易表現出抑郁樣的行為表型。

“我們的結果證明大麻素受體對于杏仁核“厭惡”情緒的表達至關重要,一旦其表達或功能下降,都會導致杏仁核厭惡情緒的過度表達,就好比是行駛在高速公路上無法剎車的汽車,最終釀成大禍。”沈晨杰博士解釋道。“并且,值得注意的是,2007年一款一度被推崇的新型減肥藥,也就是大麻素受體的拮抗劑利莫那班在全球市場被緊急撤回,主要是因為它在減肥的同時還會導致抑郁,我們的研究提供了大麻素受體功能下調導致抑郁癥的神經環路解釋。”?

醫用大麻:抗抑郁治療的新曙光

早在千年之前傳統醫學的經典文獻《皇帝內經》中,就記載了古人醫用大麻的案例。大麻是一種非常有效的止痛劑,同時對惡心、嘔吐也有較好的療效。大麻的醫用史可追溯到 5000 年以前,可以用于疼痛、嘔吐、癲癇等。

既然抑郁小鼠中杏仁核“厭惡”環路中的大麻素受體表達下降,導致了突觸活動增強和厭惡情緒過度表達。那么如果人為給予外源性大麻素,能否起到抗抑郁效果呢?他們利用套管注射等方法,在抑郁小鼠腦內注射了人工合成的大麻,發現可以有效地逆轉小鼠的抑郁樣癥狀。“醫用大麻用于抑郁癥的治療仍有很長一段路要走”,李曉明教授說,“但是,我們的研究提示大麻素受體可以作為一個抑郁癥診斷的分子標記物,我們目前已經成功設計并合成了針對大麻素受體的臨床用PET示蹤劑,正在開展相關的臨床研究。”

據悉,《Nature Medicine》雜志評審專家對這一研究給了很高的評價,“這項工作非常新穎,具有高度的原創性,實驗設計嚴謹,利用多種技術從分子、細胞、環路和行為等不同層面,在概念上更新了我們對重度抑郁癥發病機理,應激神經生物學和杏仁核環路結構和功能的認識,并必將對這些領域產生重要影響。”“實驗設計巧妙,結果不僅有趣,而且非常有實用價值,具有廣泛的意義。”;“這項工作提供了讓人信服的數據,證明了杏仁核膽囊收縮素陽性神經元到伏隔核環路中的大麻素受體在調節抑郁樣癥狀中的重要性。”

該研究得到國家自然科學基金重點項目和“情感和記憶的神經環路基礎”重大計劃集成項目等的資助。

IMG_4019.jpg李曉明,醫學博士、浙江大學“求是特聘”教授、教育部“長江學者”特聘教授、中組部國家“萬人計劃”創新領軍人才、國家杰出青年基金獲得者。李曉明博士分別于1996年和2003年從原第一軍醫大學獲醫學學士和醫學博士學位。目前任浙江大學醫學院常務副院長、神經生物學系主任。李曉明教授實驗室長期研究情感和情感障礙的神經環路機制,在突觸和神經環路的結構和功能調控領域,尤其在精神分裂癥、抑郁癥等神經精神疾病的發病機制方面取得重要研究成果,代表性論文以通訊作者發表在國際著名期刊如《Nature Medicine》、《Nature Neuroscience》、《Neuron》等上,并被國際同行發表專文正面評述。


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