瘙痒的克星 | 陆军军医大学吴广延/李红丽/隋建峰团队探索兴奋性神经环路的抑制调节机制

瘙痒是一种不愉快的皮肤感觉，是一种抵御外部有害物质的自我保护机制，通常可以通过抓挠受影响区域暂时缓解。然而，难以治疗的病理性瘙痒不仅加重疾病，而且严重影响患者的生活质量。近年来，科学家们对瘙痒的促进性神经调控机制已取得不少研究成果，然而，对参与瘙痒抑制性调节的关键脑区和神经环路，尤其是兴奋性神经元的抑制调节知之甚少。事实上，瘙痒的促进性和抑制性调节之间的相互关系可能是形成生理性或病理性瘙痒的关键因素之一。因此，除促进性调节机制外，探究瘙痒的抑制性调控机制可能更有助于开发有效治疗策略。

2024年12月11日，陆军军医大学吴广延/李红丽/隋建峰教授团队在Cell Reports在线发表题为“An excitatory neural circuit for descending inhibition of itch processing”的研究论文，该研究基于不同致痒物诱导的大鼠瘙痒模型发现，前扣带回喙部(rostral anterior cingulate cortex, rACC)锥体神经元(rACC pyramidal neurons, rACC^Py)在瘙痒过程中发挥抑制性调节作用，并深入研究其细胞及下游神经环路机制：他们找到一群瘙痒相关的rACC^Py神经元，以及到中脑导水管周围灰质(periaqueductal grey, PAG)GABA能神经元(PAG^GABA)的神经环路（rACC^Py→PAG^GABA），并发现rACC^Py神经元通过rACC^Py→PAG^GABA环路参与瘙痒的抑制性调节作用。该研究揭示了一个兴奋性神经环路参与瘙痒抑制性调节的机制，为治疗瘙痒提供了新的见解及可能的潜在靶点。

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有研究发现，前扣带回(anterior cingulate cortex, ACC，PFC亚区)可能参与瘙痒过程：人体成像数据显示，ACC在人类瘙痒-抓挠周期中活动被抑制，这提示了ACC可能参与瘙痒的抑制性调节【1,2】；而ACC的尾部(caudal ACC, cACC)被报道参与瘙痒的促进性调节【3,4】。此外，研究报道选择性激活背内侧前额叶皮层(dmPFC，包括rACC)的锥体神经元可以发挥显著镇痛作用【5-8】，然而其在瘙痒过程中的作用尚未可知。考虑到瘙痒和疼痛之间的相关性，作者推测rACC锥体神经元（rACC^Py）可能参与了瘙痒的抑制性调节。

基于上述推测，研究者首先借助c-Fos标记发现，在5-HT注射后rACC^Py神经元的活性显著增加，表明这些神经元在瘙痒处理中被激活。进一步借助钙离子成像技术发现，rACC^Py神经元的活动在瘙痒诱发的抓挠期间显著降低，通过化学遗传和光遗传激活rACC^Py神经元可以显著减少瘙痒诱导的抓挠行为，而抑制这些神经元则增加了抓挠行为。这些结果表明rACCPy神经元在瘙痒处理中发挥了抑制作用（图1）。

图1瘙痒过程中c-Fos+ rACC^Py神经元显著增多

考虑到只有一部分rACC^Py神经元在瘙痒中被激活，因此，研究者借助c-Fos Tet-off系统标记瘙痒相关的rACC^Py神经元（Itch-tagged rACC^Py）：将rAAV2/9-CaMKIIα-Cre，rAAV2/9-c-Fos-DIO-tTA，rAAV2/9-PTRE-tight-jGCaMP7s/EGFP混合注射大鼠rAAC中，并给予强力霉素（Dox）以阻止jGCaMP7s或EGFP的表达。三周后，给予无Dox饮食3天，随后在脸颊注射5-HT，以标记瘙痒相关的rACC^Py神经元（图2A-C）。借助钙成像技术发现，不同致痒剂诱导大鼠瘙痒过程中，瘙痒相关的rACC^Py神经元在瘙痒诱发的抓挠期间活动显著降低（图2），这与上述结果一致（图1）。

图2 Itch-tagged rACC^Py神经元在瘙痒诱发的抓挠期间活动显著降低

随后，作者继续借助c-Fos Tet- off系统和DREADD技术选择性调控Itch-tagged rACC^Py神经元，结果显示，激活这些神经元可以显著减少瘙痒诱导的抓挠行为，而抑制这些神经元则增加了抓挠行为（图3）。

图3 激活Itch-tagged rACC^Py神经元可以显著减少瘙痒诱导的抓挠行为

为解析rACC^Py神经元参与瘙痒抑制调节的下游环路机制，作者借助病毒示踪技术确定了rACC^Py神经元到PAG的投射(rACC^Py→PAG)（图4），且激活rACC^Py→PAG环路可显著抑制瘙痒，抑制该环路则加速瘙痒行为。

图4 借助病毒示踪技术确定rACC^Py→PAG环路

随后，研究人员对Itch-tagged rACC^Py投射通路做进一步研究，借助c-Fos Tet- off系统配合DREADD技术激活Itch-tagged rACC^Py→PAG投射通路（图5A-C），发现在不同致痒剂诱导的瘙痒模型中，CNO激活Itch-tagged rACC^Py→PAG环路，均可以有效抑制大鼠抓挠次数和累积抓挠时间（图5D-4I）。提示了，瘙痒相关的rACC^Py神经元到PAG的投射通路（Itch-tagged rACC^Py→PAG）参与瘙痒抑制性调节。

图5 化学遗传激活Itch-tagged rACC^Py→PAG环路显著抑制瘙痒行为

有研究报道，PAG^GABA和PAG^Glu神经元在瘙痒中发挥不同作用：抑制PAG^Glu神经元或激活PAG^GABA神经元可显著抑制瘙痒抓挠行为，这表明PAG^Glu神经元参与促进瘙痒，而PAG^GABA神经元参与抑制瘙痒【9】。此外，已有研究报道，抑制性PAG^GABA神经元可以抑制PAG^Glu神经元活性【10-11】。基于此，研究者推测Itch-tagged rACC^Py神经元对PAG的兴奋性单突触输入导致PAG^GABA神经元活性增强，进而驱动对PAG^Glu神经元的抑制作用（前馈抑制）。为验证这一猜测，研究团队借助逆行单突触示踪病毒，将rAAV2/9-VGAT1/ VGLUT2-Cre注射到PAG，3周后，在PAG注射RV-CVS-EnvA-ΔG-EGFP，发现rACC到PAG^GABA神经元和PAG^Glu神经元的投射神经元均为锥体神经元（图6）。此外，c-Fos染色发现，PAG^GABA神经元和PAG^Glu神经元均接收来自于rACC^Py神经元的投射，但瘙痒激活的rACC^Py神经元优先投射到PAG^GABA神经元。

图6 rACC^Py→PAG^GABA的单突触投射

接下来，作者借助c-Fos Tet-off系统配合光遗传学技术激活Itch-tagged rACC^Py神经元，同时通过钙成像技术观察PAG^GABA神经元和PAG^Glu神经元活性（图7A-C）。结果显示，光激活Itch-tagged rACC^Py神经元时，PAG^GABA神经元活动显著增加（图7D,E），而PAG^Glu神经元钙信号则显著降低。这可能是由于PAG中少数Glu能神经元接收来自于Itch-tagged rACC^Py神经元的直接兴奋性投射，而另一部分PAG^Glu神经元接收来自于Itch-tagged rACC^Py→PAG^GABA的前馈抑制（rACC^Py→PAG^GABA→PAG^Glu微环路），因此导致PAG^Glu神经元活动总体降低。总之，这些结果提示了，rACC^Py神经元通过兴奋PAG^GABA活动，同时抑制PAG^Glu神经元活动双重作用参与瘙痒的抑制调节。

图7 光激活Itch-tagged rACC^Py神经元时，PAG^GABA神经元活动显著增加

最后，研究团队借助化学遗传学技术进一步明确rACC^Py→PAG^GABA环路在瘙痒中的作用，将AAV-CaMKIIα-WGA-Cre注射大鼠rACC中，AAV-GAD67-DIO-DREADDs-mCherry注射PAG中（图8A-C）。结果显示，在多种瘙痒模型中，激活接收rACC^Py投射的PAG^GABA神经元可抑制瘙痒行为，而抑制该部分神经元则增强瘙痒行为（图8）。

综上，这些数据提示了，rACC^Py神经元通过rACC^Py→PAG^GABA环路参与痒觉的抑制性调节作用。

图8 激活接收rACC^Py投射的PAG^GABA神经元可抑制瘙痒行为

文中，作者借助c-Fos Tet-off技术配合病毒示踪技术、钙成像、化学遗传学、光遗传学等技术手段，找到瘙痒相关的rACC^Py神经元集群，及其下游rACC^Py→PAG^GABA投射环路，并在不同致痒物诱导的大鼠瘙痒模型中发现，在瘙痒过程中，rACC^Py神经元活性显著降低，导致rACC^Py→PAG^GABA的兴奋性输入降低，进而导致PAG^GABA神经元活动降低，从而促进瘙痒行为，激活瘙痒相关的rACC^Py神经元或rACC^Py→PAG^GABA环路均可有效抑制瘙痒行为。揭示了rACC^Py神经元通过rACC^Py→PAG^GABA环路参与痒觉的抑制性调节作用，为瘙痒的治疗提供了新的见解及可能的潜在靶点。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221112472401413X?via%3Dihub