可卡因会影响星形胶质细胞的激活以及诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达

《Brain Research》：Cocaine affects astrocyte activation and iNOS expression

星形胶质细胞直接响应可卡因刺激，体外模型显示其形态改变及iNOS表达上调，体内模型则表明慢性可卡因处理导致前额叶皮层星形胶质细胞数量减少和iNOS表达下降。本研究为成瘾治疗新靶点提供依据。

　　

魏茵|玛丽娜·范达罗斯|刘彦佐|雷若涵|乔治·皮塔斯|李赛娜|潘应天|大卫·A·鲁本斯坦|杜从武

美国纽约州石溪大学生物医学工程系，邮编11794

摘要

星形胶质细胞在大脑病理学中起着重要作用。星形胶质细胞可以表达可诱导的一氧化氮合酶（iNOS），该酶负责短暂产生一氧化氮（NO）。已有研究表明，iNOS和NO均与可卡因成瘾密切相关。本研究旨在探讨可卡因是否可以直接影响星形胶质细胞的iNOS表达。实验采用了体外星形胶质细胞培养模型和体内慢性可卡因小鼠模型。在体外模型中，用人脑皮层的星形胶质细胞处理可卡因，并通过固相ELISA和Western blot检测iNOS的表达水平；同时利用Sholl分析方法量化星形胶质细胞的形态变化。在体内模型中，野生型C57BL/6小鼠接受两周的可卡因处理，收集其脑组织（尤其是前额叶皮层（PFC）样本，测量星形胶质细胞数量和iNOS表达情况。结果表明，可卡因在体外环境中可导致星形胶质细胞发生显著形态变化，并显著增加其iNOS表达。体内实验发现，长期可卡因处理会显著减少小鼠前额叶皮层的星形胶质细胞数量，从而降低iNOS表达。综上所述，星形胶质细胞在体外和体内环境中均能对可卡因刺激产生直接反应，且iNOS参与其中。因此，研究星形胶质细胞和iNOS在可卡因成瘾中的作用可能为治疗可卡因使用障碍提供新的靶点。

引言

美国有超过两百万人对可卡因上瘾（根据2021年美国国家药物滥用、趋势与统计研究所的数据）。可卡因不仅会导致成瘾、精神病和癫痫发作，还可能引发心肌梗死和脑卒中（Treadwell和Robinson，2007）。多巴胺、去甲肾上腺素和血清素在可卡因滥用中的作用已得到广泛研究（Mateo等人，2004；Sora等人，2001；You等人，2019）。已知可卡因通过阻断这些神经递质的细胞摄取（尤其是多巴胺），极大地增强了单胺能神经元的兴奋性（Carrera、Meijler和Janda，2004）。因此，治疗可卡因使用障碍的药物靶点主要集中在抑制神经元过度兴奋上。然而，在寻找治疗靶点的过程中，脑胶质细胞（尤其是星形胶质细胞）往往被忽视。星形胶质细胞与神经元及脑微血管内皮细胞（即神经血管单元）相互作用，在炎症、神经元功能障碍、脑缺血和脑卒中等大脑病理过程中发挥重要作用（Iadecola，2004）。

星形胶质细胞参与调节血管张力，并能根据神经元活动调节脑血流量（MacVicar和Newman，2015）。神经退行性疾病（Gorshkov等人，2018）及成瘾行为（Miguel-Hidalgo，2009）中均观察到星形胶质细胞的激活和功能障碍。可卡因可诱导星形胶质细胞活化，表现为胶质纤维酸性蛋白（GFAP）上调（Fattore等人，2002）和细胞内钙水平升高（Agulhon等人，2008）。另有研究指出，可卡因在星形胶质细胞凋亡过程中上调其iNOS表达（Bagetta等人，2004；Park等人，2001）。由iNOS在星形胶质细胞中产生的一氧化氮（NO）在脑血管舒缩反应中起关键作用（Harder等人，1998；Mulligan和MacVicar，2004；Saha和Pahan，2006；Zonta等人，2003）。

研究表明，可卡因会影响星形胶质细胞的形态和GFAP表达，但不同脑区的变化模式可能有所不同（Bowers和Kalivas，2003；Linker等人，2019；Scofield等人，2016）。Agharahimi等人利用体外细胞培养模型证实，可卡因可引发C6星形胶质样细胞的炎症反应和死亡，并增加NO的产生（Agharahimi等人，2021）。Sprague-Dawley大鼠的体内实验表明，iNOS抑制剂可阻断可卡因引起的运动敏感化现象（Park等人，2001），并减轻可卡因点燃效应的发展（Park、Reuben和Soliman，2001）。尽管这些研究中未直接测量星形胶质细胞的反应，但根据其iNOS mRNA表达和NO生成情况，推测星形胶质细胞是NO产生的来源（Endoh等人，1994；Galea等人，1994）。

先前研究显示，可卡因可直接影响星形胶质细胞的形态和结构（Badisa等人，2015；Scofield等人，2016；Testen等人，2018）、细胞增殖和存活能力（Cao等人，2016；Lee等人，2016）、GFAP表达、钙离子活性（Pan等人，2023；Liu等人，2022）以及氧化应激和炎症反应（Badisa等人，2015）。然而，可卡因对星形胶质细胞iNOS表达的直接影响尚未得到充分研究。本研究旨在探讨：1）星形胶质细胞是否可通过表达iNOS和产生NO直接响应可卡因；2）在可卡因刺激后，星形胶质细胞是否是大脑中iNOS表达的主要（或唯一）来源。为此，我们构建了基于人脑皮层星形胶质细胞的体外细胞培养模型和体内慢性可卡因小鼠模型。

方法

体外研究

可卡因在体外环境中导致星形胶质细胞形态改变

通过Sholl分析方法评估了24小时可卡因（10 μM）处理后星形胶质细胞的形态变化。为避免偏差，由不同人员统计每个星形胶质细胞荧光图像中与同心圆（半径10–50 μm）相交的突起数量。结果如图1A所示。当突起距离细胞体20 μm或更远（即30、40、50 μm）时，可卡因处理显著减少了突起的数量。

讨论

通过体外和体内模型研究了慢性可卡因处理对星形胶质细胞的影响。体外实验结果表明，星形胶质细胞可通过对可卡因处理的明显形态变化直接作出反应。Sholl分析显示，经可卡因处理的星形胶质细胞的突起数量减少或长度缩短，这一现象与LPS处理后的结果相似。LPS常用于体外刺激星形胶质细胞。

未引用的参考文献

Park等人，2001a；Park等人，2001b。

作者贡献声明

魏茵：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、项目监督、方法设计、实验设计、资金申请、概念构思。 玛丽娜·范达罗斯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、数据分析。 刘彦佐：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、数据分析。 雷若涵：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、数据分析。 乔治·皮塔斯：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了NIH U18资助（1U18DA052366-01 WY和CD）和R01资助（2R01 DA029718 CD）的支持。