Neuron | 张楚楚等构建小鼠恶心呕吐相关脑区Area Postrema的细胞图谱并揭示该脑区中恶心感相关的神经通路

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关键词：揭示细胞神经Neuron

资讯来源：BioArt

所属行业：小分子靶向药

发布时间： 2020-12-06

撰文 | 蔡泽荣、王彦丹、张楚楚

责编 | 兮

人们日常生活中时常会感受到恶心，并常常伴随着呕吐。有非常多的因素会诱发恶心感，如误食有毒物质、服用化疗药物、怀孕、晕车晕船等。恶心感的产生是一柄双刃剑，一方面，通过恶心激发呕吐从而迫使人们排出误食的有毒物质，但另一方面，癌症等疾病的治疗中产生的强烈恶心感使得部分患者不配合相应的治疗。人们试图通过部分药物减轻恶心感，然而与恶心感的相关机制仍然不清楚。理解恶心感的相关机制，使人们可以更好的控制恶心感，对于人们配合治疗方案，减轻恶心感及呕吐等具有重要意义。

上世纪五十年代，科学家在实验动物上切除其脑区并使其食用催吐剂的方式，发现切除脑区Area postrema (AP)使得动物对大部分的催吐剂无反应，因此，脑区AP被认为与恶心呕吐相关。AP位于脑干中的第四脑室 (见图1)，其最主要的特点是，该脑区虽然位于脑中，却位于血脑屏障之外，因此，该脑区可以很好的接触到血液中各种物质，比如多肽、激素、及小分子物质。

图1：Area Postrema脑区位置示意图（小鼠）

2020年12月4日，来自美国哈佛大学医学院霍华德·休斯顿研究员的 Stephen D. Liberles团队在 Neuron杂志上发表了题为： Area Postrema Cell Types that Mediate Nausea-Associated Behavior的研究论文，该研究第一个建立了Area Postrema脑区的细胞图谱，并揭示该脑区上与恶心感相关的神经环路，进一步加深了对于恶心感的了解，对减缓人们在治疗过程中感受到的恶心现象有重要意义。

在该研究中，张楚楚等运用单细胞测序技术（single-nucleus RNA sequencing）建立了脑区AP的细胞图谱，并确定了其中的四种兴奋性神经类型及三种抑制性神经类型 (见图2)。

图2：Area Postrema脑区神经元图谱。Glutamatergic-兴奋性神经元，GABAergic-抑制性神经元，纵坐标体现34个常见基因的表达量，1-7为神经元类型。

特异性激活AP脑区神经元引起恶心感相关的逃避反应

为了确定AP上哪些神经元是与恶心感的相关的。该团队利用化学遗传学（Chemogenetic）和转基因老鼠技术，特异性的激活AP上不同的神经元，然后通过行为学实验检测小鼠的恶心反应（图3B）。需要注意的是，小鼠没有呕吐的能力，但是恶心带来的不适感会让它们本能的避开曾经带给它们恶心感的气味（人类等其他动物也有类似的行为）。因此，通过在喂食小鼠时人为激活某类特定的神经元，如果该类神经元与恶心感相关，会让他们产生恶心感，这样它们在后面的行为学实验中会自主的避开之前曾经让它们产生恶心感的味道。通过上述实验，发现脑区AP上的两种兴奋性神经类型（4-GFRAL和3-SLAC6A2兴奋性神经元，均属于GLP1R兴奋性神经元（2+3+4））与恶心感相关（更确切的说，至少两种神经类型的单独激活足够引起与恶心相关的不适感）（图3C）。

图3：AP脑区上神经元类型与小鼠恶心感。A: 腺病毒（AAV）注射示意图;B:小鼠行为学实验示意图；C：行为学结果统计。数据中小于0.5的表示逃避行为。4-GFRAL和3-SLC6A2神经种类，作为GLP1R神经种类的两种亚型，刺激这两种神经类型，小鼠的逃避行为均有明显的变化。而1-CALCR神经元类型没有引起逃避行为。

此外，该团队利用腺病毒进行正向及反向实验，探索AP介导恶心感的神经环路。实验发现AP脑区上兴奋性神经元具有长距离的信息传递能力（projection），通过传输信息到PBN及CGRP脑区神经元，让小鼠产生恶心感的相关行为，从而减少部分有毒物质对其的危害。

特异性去除AP脑区神经元消除催吐剂引起的恶心逃避反应

之前的实验表明激活脑区AP上的神经元种类GLP1R会引起恶心相关的反应。而脑区AP上的神经元种类GLP1R真的是介导恶心相关的不可或缺的吗？为了回答上述问题，该团队通过毒素（Diphtheria toxin）特异性的去除该脑区上的特定神经元种类 (图4A)，并分析与之相关的行为学实验的结果。与对照组相比，在通过毒素除去AP脑区上GLP1R神经元类型后，对于大多数本会引起小鼠恶心感及逃避行为的物质（比如糖尿病降糖药GLP1受体激动剂，肠胃刺激物质LiCl,细菌感染物质LPS），小鼠不再逃避了（图4B）。同时，去除GLP1R神经元亚型进一步确定4-GFRAL亚型对不同催吐剂反应起主要作用。另外，化疗药物依然会引起小鼠恶心感，表明可能还有其他的神经通路存在。因此，上述实验证明了，AP脑区上的GLP1R神经元对于恶心感反应的重要性。

图4：特异性去除小鼠脑区后对催吐素的反应。A：特异性去除AP脑区的神经元种类并不影响其他神经元种类。B：去除不同AP脑区神经元种类后对不同催吐素的反应。

研发AP脑区产生及抑制恶心感新的分子机制

最后，为进一步探索介导的恶心感的新的分子机制，该团队利用单细胞测序技术挖掘AP脑区GLP1R神经元种类上其他潜在分子受体。该团队发现钙敏感受体CASR特异性表达于这类神经元上。有意思的是，CASR激动剂用于肾病治疗，其主要副作用为恶心呕吐。在小鼠中，CASR激动剂也可以引起恶心感逃避反应。在特异性去除AP脑区神经元以后，小鼠不再对CASR激动剂产生逃避反应，表明CASR激动剂引起的恶心感及逃避反应主要作用于AP脑区。这也说明通过研究AP脑区GLP1R神经元种类上其他分子受体，比如孤儿受体（orphan receptor），可以发现更多新的恶心感分子机制以及抑制的方法。

总言之，该研究构建了小鼠脑区AP的细胞表达图谱，揭示脑区AP上与恶心感调控相关的神经元，对于减缓及抑制临床及药物上产生的恶心感具有重大意义。

据悉，哈佛大学医学院HHMI研究员 Stephen Liberles教授为本文的通讯作者，实验室的博士后 张楚楚为本文的第一作者，此外，实验室的其他成员 Judith Kaye、蔡泽荣、王彦丹以及 Sara Prescott参与部分工作。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.11.010

制版人：琪酱