Mol Psychiatry丨揭示神經(jīng)免疫信號(hào)直接調(diào)控多巴胺神經(jīng)元及尼古丁成癮機(jī)制
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦認(rèn)知與腦疾病研究所/深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院陳祖昕、劉欣安團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家國內(nèi)外機(jī)構(gòu),在?Molecular Psychiatry?發(fā)表題為“Interleukin 13 signaling modulates dopaminergic functions and nicotine reward in rodents” 的研究論文。研究首次系統(tǒng)揭示了免疫炎癥因子白細(xì)胞介素-13(IL-13)及其受體對(duì)中腦多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)的直接調(diào)控作用,并鑒定PI3K/AKT-HCN 離子通道為其關(guān)鍵下游信號(hào)通路。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),IL-13 能抑制尼古丁對(duì)多巴胺神經(jīng)元的興奮效應(yīng),并顯著降低尼古丁自給藥行為。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了免疫炎癥因子在獎(jiǎng)賞及成癮行為中的重要作用及關(guān)鍵分子靶點(diǎn),也為解釋急性疾?。ㄈ缰馗忻埃┖蟛糠治鼰熣呶鼰熈肯陆瞪踔脸晒錈煹默F(xiàn)象提供了潛在機(jī)制。 此外,研究還發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性IL-13定位于神經(jīng)元突觸前膜的囊泡中,提示其可能通過突觸囊泡釋放,發(fā)揮類似“神經(jīng)調(diào)質(zhì)”的作用,為理解腦內(nèi)多種炎癥因子的神經(jīng)功能提供了新范式。
近十余年來,神經(jīng)—免疫互作(neuroimmune interaction)逐漸被認(rèn)為是調(diào)控腦功能和行為狀態(tài)的重要機(jī)制之一。免疫系統(tǒng)不僅通過外周炎癥反應(yīng)影響身體健康,還能通過細(xì)胞因子(cytokines)、趨化因子(chemokines)等信號(hào)分子作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。在成癮領(lǐng)域,越來越多證據(jù)表明,藥物濫用會(huì)激活外周及中樞的免疫反應(yīng),改變小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化狀態(tài),釋放多種炎癥因子,從而重塑獎(jiǎng)賞環(huán)路的功能。然而,目前研究主要關(guān)注膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的間接作用,對(duì)于炎癥因子對(duì)神經(jīng)元的直接調(diào)控作用及其在成癮行為中的角色仍知之甚少。此外,既往研究發(fā)現(xiàn),吸煙人群在感染等急性疾病期間往往會(huì)減少吸煙量,但背后的神經(jīng)機(jī)制不明。由于尼古丁成癮的核心機(jī)制依賴中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)多巴胺神經(jīng)元的興奮,研究團(tuán)隊(duì)推測(cè),腦內(nèi)免疫因子可能通過直接調(diào)節(jié)這些神經(jīng)元的活性來影響成癮行為。本研究工作針對(duì)以上科學(xué)問題進(jìn)行了深入探討。
首先,研究團(tuán)隊(duì)利用中腦多巴胺神經(jīng)元的單細(xì)胞核測(cè)序,系統(tǒng)分析了該類神經(jīng)元中主要免疫炎癥因子受體的表達(dá)譜,發(fā)現(xiàn) IL-13Rα1和IL-4R 的表達(dá)量最高。進(jìn)一步通過IL-13Rα1與TH的免疫染色,并結(jié)合Allen Brain Atlas 的原位雜交數(shù)據(jù),確認(rèn)在全腦范圍內(nèi),IL-13Rα1 僅特異性表達(dá)于中腦多巴胺神經(jīng)元(圖 1)。
隨后,研究團(tuán)隊(duì)利用免疫電鏡技術(shù)分析了腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)內(nèi)源性 IL-13 的分布,意外發(fā)現(xiàn) IL-13 存在于神經(jīng)元突觸前膜,尤其富集于接近活性區(qū)(active zone)的突觸囊泡中。急性腦片電生理記錄結(jié)合IL-13-Cre::Ai32轉(zhuǎn)基因小鼠的特異性光遺傳激活實(shí)驗(yàn)表明,激活VTA區(qū)IL-13陽性神經(jīng)纖維可顯著抑制多巴胺神經(jīng)元的放電活動(dòng)。外源性灌流IL-13同樣產(chǎn)生抑制作用,且該效應(yīng)依賴 IL-13Rα1 受體(圖 2)。
鑒于 VTA 多巴胺神經(jīng)元在成癮行為中的核心作用,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探討了 IL-13 及其受體對(duì)尼古丁成癮行為的影響。利用 DAT-Cre::AI38 小鼠結(jié)合雙光子成像技術(shù),首先證實(shí) IL-13 可抑制多巴胺神經(jīng)元的鈣信號(hào)活動(dòng);尼古丁可顯著增強(qiáng)該鈣活動(dòng),但這一效應(yīng)可被 IL-13 阻斷。電生理記錄進(jìn)一步驗(yàn)證,IL-13 能抑制尼古丁對(duì)多巴胺神經(jīng)元興奮性的促進(jìn)作用。行為學(xué)與藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示,向 VTA 局部灌注 IL-13 可顯著減少大鼠對(duì)尼古丁的靜脈自給藥行為,而對(duì)自主取食行為無顯著影響;相反,IL-13Rα1 基因敲除則導(dǎo)致小鼠顯著增加尼古丁的自我攝取量(圖 3)。這些結(jié)果表明,IL-13系統(tǒng)可特異性干預(yù)尼古丁成癮行為。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步闡明了IL-13/IL-13Rα 受體作用的下游機(jī)制。急性腦片電生理記錄及雙光子成像結(jié)果顯示,IL-13 通過抑制HCN通道(超極化激活環(huán)核苷酸門控陽離子通道)降低多巴胺神經(jīng)元的興奮性。作為一種常見的外周II型免疫因子受體,IL-13Rα通常經(jīng)JAK/STAT激酶通路發(fā)揮作用,尤其在過敏性氣道反應(yīng)中具有重要作用。然而,本研究發(fā)現(xiàn)IL-13并未顯著改變VTA組織中JAK/STAT的水平,而是顯著上調(diào)了 PI3K/AKT的磷酸化水平。進(jìn)一步地,特異性激酶抑制劑阻斷了 IL-13 對(duì)多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)及尼古丁成癮行為的調(diào)控作用(圖 4)。這些結(jié)果表明,IL-13/IL-13Rα受體主要通過PI3K/AKT–HCN通道信號(hào)軸實(shí)現(xiàn)對(duì)多巴胺神經(jīng)元及成癮行為的調(diào)控。
綜上,本研究揭示了IL-13Rα1 受體作為多巴胺神經(jīng)元中最為豐富的免疫炎癥因子受體之一,在調(diào)控多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)與功能中發(fā)揮重要作用(圖5)。主要?jiǎng)?chuàng)新包括:1)首次發(fā)現(xiàn)存在于神經(jīng)元內(nèi)的 IL-13(而非傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為僅存在于膠質(zhì)細(xì)胞中),并提示其可能以突觸囊泡釋放的方式發(fā)揮類神經(jīng)遞質(zhì)功能,為闡釋腦內(nèi)多種炎癥因子的作用機(jī)制提供了新范式。2)明確了免疫炎癥因子可通過多巴胺神經(jīng)元直接調(diào)控尼古丁成癮行為(而不僅僅影響髓鞘完整性或誘發(fā)神經(jīng)毒性),為解釋吸煙者在急性疾病發(fā)作后(如重感冒)吸煙量減少及戒煙成功率提高的潛在機(jī)制提供了新證據(jù)。未來,靶向 IL-13/IL-13Rα1 信號(hào)通路有望成為戒煙及其他藥物成癮干預(yù)的新策略。
深圳先進(jìn)院腦所/深港腦院陳祖昕為論文的最后通訊作者;Scripps研究所Bruno Conti教授為共同通訊作者;深圳先進(jìn)院腦所/深港腦院劉欣安為第一作者;深圳先進(jìn)院/深港腦院為第一單位。研究論文的共同作者還包括助理研究員任嘉彥、研究助理?xiàng)钇渑d、汪金桃、徐智彬、史萃菡等成員,邁阿密大學(xué)Luis Tuesta教授團(tuán)隊(duì)及其成員,深圳先進(jìn)院腦所王立平研究員、蔚鵬飛研究員及團(tuán)隊(duì)成員,北京大學(xué)深圳研究生院李書鵬教授及郭洪嶺博士,中南民族大學(xué)陽小飛教授及團(tuán)隊(duì)成員,和廣州南方學(xué)院夏建勛教授等。陳祖昕/劉欣安合作團(tuán)隊(duì)長期致力于尼古丁及相關(guān)產(chǎn)品的精神及生理效應(yīng)研究,歡迎對(duì)該領(lǐng)域感興趣的研究生、博士后、科研人員加入。
該研究致謝了科技部科技創(chuàng)新2030 “腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委員會(huì)、廣東省腦連接圖譜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市科創(chuàng)委、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院、深圳市藥物成癮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助與支持。

文章上線截圖

圖1. IL-13Rα1受體只特異性地在多巴胺神經(jīng)元中表達(dá),并且是該類神經(jīng)元中表達(dá)量最高的免疫受體之一

圖2. 內(nèi)源性IL-13可存在于神經(jīng)元突觸前膜囊泡中,內(nèi)源性激活I(lǐng)L-13神經(jīng)末梢或者外源性給予IL-13均可顯著抑制多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)

圖3. IL-13可顯著削弱尼古丁對(duì)多巴胺神經(jīng)元的興奮作用,并且顯著干預(yù)大鼠尼古丁靜脈自給藥行為

圖4. IL-13對(duì)多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)及功能的抑制作用依賴于AKT/PI3K和HCN通道

圖5. IL-13可作為一種囊泡釋放的“神經(jīng)調(diào)質(zhì)”,通過突觸后IL- 13Ra1受體及相關(guān)信號(hào)通路, 對(duì)多巴胺神經(jīng)元及尼古丁成癮行為起到顯著的調(diào)控作用

陳祖昕/劉欣安及團(tuán)隊(duì)成員合影(任嘉彥、楊其興、汪金桃、陳淑敏、徐智彬、史萃菡、王若曦、張勝、黃雨欣)
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