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加巴喷丁通过促进皮质可塑性促进卒中的修复

2022-12-30作者:论坛报沐雨资讯
非原创
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作者:复旦大学脑科学研究院 石子雨


复旦大学脑科学研究院的在读博士石子雨与大家分享于2022年5月23日在线发表于Brain的“Harnessing cortical plasticity via gabapentinoid administration promotes recovery after stroke”一文。


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研究背景

卒中是导致死亡和长期残疾的主要原因之一,给社会带来巨大负担。目前临床批准的对于急性缺血性卒中的治疗方案主要侧重于血流的恢复,却对患者大脑和脊髓中的神经元回路结构和功能的重构有一些忽视,因此需要针对这些开发新的治疗策略。CNS损伤后的自发神经可塑性和恢复在成年期十分有限,然而操纵成年神经元的内在生长因子,在实验中可以诱发轴突的强劲再生。一些发芽的轴突可以在功能上整合到短程和长程神经元回路中,有效促进卒中后的神经恢复。作者发现,电压门控通道的α2δ2亚基可以充当一个开关,抑制成人CNS中的轴突生长和再生。而已有研究表明,通过给予加巴喷丁类药物,如加巴喷丁(GBP),对α2δ2亚基进行药理学阻断,可以使小鼠脊髓损伤后轴突发芽,感觉上行和下行皮质脊髓通路再生。

研究目的

探明加巴喷丁类药物GBP的给药是否能通过抑制α2δ2亚基,从而促进损伤的CNS神经元轴突再生,进而在缺血性卒中后促进神经环路功能的恢复。


研究方法

通过玫瑰红腹腔注射和冷光源照射运动皮层的方式构建光血栓性卒中,使用TTC染色,脉管系统标记成像以及激光散斑成像的方式确定光血栓模型的梗死效果和范围。通过使用GFP-M(stock no.007788; RRID: IMSR_JAX 007788)和Aldh1l1-eGFP mice,以及免疫荧光,免疫组化和WB的使用,检测了缺血性梗死后组织的神经元损伤情况,星形胶质细胞变化情况以及α2δ2的表达情况变化。使用Fluoro-Gold逆行标记皮层中的皮质脊髓神经元,检测其中的α2δ2的表达,再使用BDA顺行标记对侧脊髓和脑干内的轴突萌发,来对缺血损伤后的神经轴突再生进行评估。使用了体内多通道记录电生理自发刺激,cFos活性测定激活的神经轴突数量,和行为学来探究小鼠在功能上的恢复情况。通过使用CNO和AAV2-hSyn-hM4D(Gi)-mCherry(1-2e13 GC/ml, 50475, Addgene),对小鼠皮质进行化学基因沉默,对皮质可塑性的增强和功能恢复之间的因果关系进行了验证。


研究结果

图1显示了卒中急性期感觉-运动皮层内的血管和血流动力学变化。

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Figure 1. Vascular and haemodynamic changes within the sensory-motor cortex in the acute stages of stroke.(A)Schematic of photothrombotic stroke in mice.(B)Representative photographs of the brain following TTC staining 1 day after operation. Scale bar=2 mm.(C)Quantification of B. Violin plot with median(n = 5).(D)Automated tile scanning of the vasculature in the cleared sensory-motor cortex 1 day after operation(DPO)(D=dorsal, V=ventral). Scale bar=250 μm.(E)Laser speckle imaging before stroke and 10 min after offset of light. The dashed box indicates the infarct area(R=rostral, C=caudal). Scale bar=1 mm.(F)Quantification of E. Aligned dot plot(signed rank test, paired*P < 0.05; n = 7).

图2显示了α2δ2表达的减少与卒中后皮质脊髓神经元的电生理特性的变化相吻合。

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Figure 2. A reduction in α2δ2 expression coincides with changes in electrophysiological properties of corticospinal neurons after stroke.(A)Immunoblot shows α2δ2 expression in the contralateral sensory-motor cortex 7 days after operation. Under reducing conditions, the α2δ2 antibody recognizes two bands at 130 and 105 kDa. Tuj1 is used as the loading control.(B)Quantification of A. Mean and SEM. Biological replicates originated from two independent experiments with sham#1, 2, 3 and stroke#1, 2, 3 from experiment no. 1 and sham#4, 5 and stroke#4 from experiment no. 2. Immunoblots were processed in parallel. Data normalized using loading control(Wilcoxon rank sum test*P < 0.05, sham n = 5 and stroke n = 4).(C)Schematic of retrograde labelling of corticospinal neurons in the brain.(D)Representative fluorescence images of retrogradely labelled corticospinal neurons(arrows)on the contralateral side of the brain 7 days after operation. Scale bar=50 μm.(E)Quantification of D. Mean and SEM(mixed model type Ⅲ test of fixed effects*P < 0.05; sham n = 5 and stroke n = 5; 55-133 neurons/animal, 440-461 neurons/group in total).(F)Differential distribution of firing frequency for all recorded single units(two-sample Kolmogorov-Smirnov test*P < 0.05; sham n = 5 and stroke n = 5; 353-355 single units/experimental group).(G)Raster plots show spontaneous firing within layer V of the sensory-motor cortex 7 days after operation. Bottom: histograms of firing events. Inset: spiking waveform of the single unit; the coloured lines show the average waveform and grey lines show all recorded waveforms.


图3显示了GBP的使用促进了卒中后皮质脊髓的可塑性。

image.pngFigure 3. GBP administration promotes corticospinal plasticity after stroke.(A)Experimental scheme of B.(B)Representative fluorescence images of C7 spinal cord sections from adult mice 4 weeks after stroke(D=dorsal, V=ventral). The yellow arrows indicate corticospinal collaterals(bottom). Scale bar=250 μm.(C)Quantification of B. Mean and SEM(type Ⅲ test from linear regression model***P < 0.001; vehicle n = 8 and GBP n = 9).(D)BDA-labelled corticospinal axons in the medullary region. Scale bar=100 μm.(E)Quantification of D. Mean and SEM(Wilcoxon rank sum test; ns=not significant; vehicle n = 8 and GBP n = 9).(F)Representative fluorescence images of brainstem. GiV=gigantocellular reticular nucleus; Sp5O=spinal trigeminal nucleus; Py=pyramidal tract. Scale bar=500 μm.(G)Quantification of F. Mean and SEM(Wilcoxon rank sum test, *P < 0.05, ns=not significant; vehicle n = 8 and GBP n = 9.


图4显示了给予GBP的小鼠有着显著增强的功能连接。


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Figure 4. Mice administered GBP display enhanced functional connectivity.(A)Representative fluorescence images of C7 spinal cord sections from stroke mice administered GBP. Bottom: Orthogonal projections of the region in the main panel indicated by the arrow. Scale bar=20 μm.(B)Mapping of excitatory presynaptic terminals on the contralateral side of the spinal cord 4 weeks after stroke(vehicle n = 9 and GBP n = 9). Roman numerals indicate spinal laminae. Scale bar=200 μm.(C)cFos activity mapping in the ventral horn on the contralateral side of the C7 spinal cord. 2D histogram represents average density and yellow asterisks indicate the location of cFos+neurons(vehicle n = 4 and GBP n = 4). Dashed line and Roman numerals indicate the border of the grey matter and spinal laminae,respectively. Scale bar=200 μm.


图5表明卒中后1小时开始给小鼠注射GBP可恢复小鼠的前肢功能。


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Figure 5. Mice administered GBP beginning 1 h after stroke recover forelimb function.(A)Recovery of forelimb skilled function was assessed using the horizontal ladder rung walking test. Mean and SEM(mixed model with repeated measures using compound symmetry covariance structure and controlled on baseline values*P < 0.05; vehicle n = 11 and GBP n = 11).(B)Replication of the study shown in A. Mean and SEM(mixed model with repeated measures using compound symmetry covariance structure and controlled on baseline values*P < 0.05; vehicle n = 9 and GBP n = 9).(C)Recovery of forelimb symmetry was assessed using the cylinder test.Mean and SEM(mixed model with repeated measures using compound symmetry covariance structure*P < 0.05; vehicle n = 11 and GBP n = 11).(D)Schematic of H-reflex electrophysiological recording.(E)Representative M and H wave responses from forelimb muscles.(F)Hmax/Mmax ratio at 35 days after stroke.Mean and SEM(Wilcoxon rank sum test*P < 0.05; vehicle n = 7 and GBP n = 8).(G)Schematic of chemogenetic silencing.(H)hM4Di(Gi)-mCherry transduced corticospinal axons in the medullary region. Scale bar=100 μm.(I)Quantification of H. Mean and SEM(Wilcoxon rank sum test; ns, not significant; vehicle n = 9 and GBP n = 9). Abrogation of recovery of(J)forelimb skilled walking and(K)forelimb symmetry in rearing after stroke on transient activation of hM4Di(Gi)in corticospinal neurons of mice administered GBP. Aligned dot plot(linear regression model*P < 0.05, ***P < 0.001; ns=not significant; vehicle n = 9 and GBP n = 9.


图6表明小鼠在卒中后24小时开始服用GBP,即使在停止治疗后也能恢复前肢功能。

Figure 6. Mice administered GBP beginning 24 h after stroke recover forelimb function, even after treatment has been discontinued.(A)Experimental scheme of B and C.(B)Recovery of forelimb skilled function was assessed using the horizontal ladder rung walking test.Mean and SEM(mixed model with repeated measures using compound symmetry covariance structure and controlled on baseline values. For the 54 and 61 DPI comparison, time was used as categorical variable in the model*P < 0.05, **P < 0.01; vehicle n = 10 and GBP n = 10).(C)Recovery of forelimb symmetry was assessed using the cylinder test. Mean and SEM(mixed model with repeated measures using compound symmetry covariance structure. For the 54 and 61 DPI comparison, time was used as categorical variable in the model**P < 0.01, ***P < 0.001; vehicle n = 10 and GBP n = 10).


研究结论

通过GBP给药的α2δ2药理学阻断是一种易于转化的药理学策略,可促进成年小鼠光血栓性卒中后皮质脊髓通路的可塑性。更重要的是,在给予GBP的小鼠中,大脑对侧完整皮层通路的结构重排推动了小鼠的功能恢复。加巴喷丁类药物在促进急性中枢神经系统创伤后神经功能恢复方面的有益作用正在获得支持。加巴喷丁类药物是临床批准用于治疗多种神经系统疾病的药物,作者的研究结果强调了将GBP重新用作卒中修复的有前途的治疗策略的强大潜力。



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Q1:这篇文章应用了许多方法来测定小鼠的神经可塑性,可以试着总结一下这些方法吗?以后我们在做类似的研究时,可以用什么样的方法研究皮质神经环路的可塑性呢?
A1:作者使用了化学基因沉默的方法来验证皮质可塑性和功能的关系,应用电生理方法验证了神经环路的功能,免疫荧光和顺行、逆行示踪剂来对神经环路中的突触可塑性进行探究。

Q2:这篇文章的cFos图像很有意思,可以简单介绍一下这是如何达成的吗?
A2:作者给予了对侧皮层一个电刺激,并在1小时后制备了脊髓切片,之后对Neun和cFos阳性神经元进行了标记,而后应用cFos阳性神经元的密度做了这样一个二维的分布图。

Q3:这篇文章中采用了多通道电极阵列记录了皮质第五层神经元的活动,可以看到作者标出了记录电极的位置,那么作者有给予任何刺激吗?如果有是在哪里呢?

A3:作者在设置了记录电极后,主要检测的是小鼠的自发神经活动,所以并没有其他的刺激电极设置。赵恒教授补充,作者对小鼠的前肢进行了机械刺激,来观察神经活动的变化。


Q4:作者使用了光血栓型卒中模型,可以比较一下它和MCAO模型的差异和优劣之处吗?

A4:赵恒教授指出,这个光血栓型卒中模型可以更集中在皮层上,而MCAO会波及一个更大,更全面的损伤。杨国源教授指出,或许这个光血栓模型更应该称为局部脑缺血模型,而不应该被称为卒中模型,因为它并不具有典型的卒中症状和表现。

Q5:请问加巴喷丁类药物和GABA本身有什么样的关系呢?

A5:David Wang教授指出,加巴喷丁在临床上已经使用近20年,主要用于治疗癫痫,是一种GABA类似物,GABA是一种中枢神经系统抑制性神经递质,所以通过加巴喷丁,可以产生类似的效果,抑制中枢神经系统,从而使患者冷静,进而治疗癫痫。然而加巴喷丁背后的机制其实尚不明确,我们发现其实它并非通过模拟GABA来发挥作用,所以它逐渐演变为治疗疼痛的药物。这篇文章发现GBP可以促进对侧的神经再生还是很有意思的。


Q6:对这篇文章有怎样的评论?或是存在哪些不足呢?

A6:赵恒教授指出,这篇文章的整体思路比较陈旧,且太过于注重GBP这一药物带来的表型,而并没有对其背后的机制作出更深入的探究,且过于注重神经元上的研究,而现在的研究热点往往需要研究其他神经细胞的共同作用。再者,作者缺少对损伤侧的研究,过于集中在对侧上。


Q7:在图3中,可以发现损伤侧轴突被标记很少,这是因为该模型造成的损伤非常严重,导致这些轴突全部被破坏了吗?
A7:在图3中,作者通过BDA标记了对侧轴突和对侧生长到损伤侧的轴突,而未标记损伤侧本身的轴突,所以显得损伤侧轴突非常少,在这篇文章中,作者并没有对损伤侧轴突的损失做定量研究。赵恒教授补充,实际上光血栓模型的损伤范围也是很大的,根据之前的图2显示,可能超过1/3的皮层已经梗死了。


来源:SVN俱乐部

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