光遗传学调控反应性星形胶质细胞氯离子改善帕金森病病理研究

《Scientific Reports》：Optogenetic regulation of chloride ions in reactive astrocytes may mitigate Parkinson’s disease pathology

本研究针对帕金森病中反应性星形胶质细胞异常释放GABA抑制多巴胺神经元的关键病理环节，创新性地采用光遗传学技术，通过halorhodopsin(NpHR)特异性调控星形胶质细胞内氯离子浓度。研究发现NpHR光照刺激可使SNpc区GABA水平降低72.6%(p=0.0486)，α-Syn聚集物减少67.5%(p<0.0001)，并显著改善动物运动功能。该研究为帕金森病的疾病修饰治疗提供了新策略。

　　

在大脑这个精密运行的网络中，帕金森病如同一个不和谐的音符，打乱了正常的神经节律。这种仅次于阿尔茨海默病的第二大神经退行性疾病，其特征性改变是α-突触核蛋白(α-Syn)的异常聚集。这些蛋白从可溶性单体逐渐形成寡聚体、原纤维，最终成为路易体的核心成分——这些细胞内包涵体成为帕金森病的病理标志。随着多巴胺(DA)神经元的逐渐丧失，患者开始出现静止性震颤、运动迟缓和肌肉强直等典型运动症状。

尽管深部脑刺激(DBS)等疗法能够有效缓解症状，但它们能否真正改变疾病进程仍存争议。近年来，科学家们将目光投向了一个曾经被忽视的角色——星形胶质细胞。在帕金森病进程中，这些细胞从最初的保护者逐渐转变为疾病的推手。最令人惊讶的发现是，反应性星形胶质细胞会大量合成并释放γ-氨基丁酸(GABA)，通过持续性抑制多巴胺神经元的功能，导致一种特殊的"休眠神经元"现象：这些神经元虽然存活并表达多巴脱羧酶(DDC)，却因缺乏酪氨酸羟化酶(TH)而功能停滞。

传统上，研究人员使用单胺氧化酶B(MAO-B)抑制剂来减少GABA合成，但这类药物缺乏脑区特异性，可能引起多种副作用。面对这一困境，来自首尔大学医院和峨山医学中心的研究团队独辟蹊径，将光遗传学这一精准调控工具应用于星形胶质细胞，为帕金森病的治疗开辟了新途径。

关键技术方法

研究团队采用A53T α-突触核蛋白过表达帕金森病大鼠模型，通过立体定位注射技术将携带光敏感氯离子泵NpHR的腺相关病毒(AAV)递送至黑质致密部(SNpc)，利用胶质纤维酸性蛋白(GFAP)启动子实现星形胶质细胞特异性表达。通过植入式光纤系统施加590nm光刺激，采用步态测试评估运动功能改善，并运用免疫组织化学和共聚焦显微镜进行定量分析。

研究结果

NpHR刺激对帕金森病运动症状的改善作用

所有接受AAV2-CMV-A53T-SNCA-EGFP注射的动物在病毒注射3周后均出现对侧前肢运动不能。光学照射前，NpHR组和对照组对侧前肢的调整步数分别降至同侧的16.5±6.6%和17.8±3.9%。光照1小时后，NpHR组对侧前肢调整步数显著改善，达到同侧的89.2±11.3%，较照射前改善81.4±7.2%(p=0.0002)。相比之下，对照组症状进一步恶化。

病理α-Syn表达和NpHR转导的特征

病理人α-Syn在反应性星形胶质细胞和多巴胺神经元中均有表达，但GFAP和TH阳性区域与α-Syn阳性区域呈现空间分布差异。NpHR在SNpc星形胶质细胞中的转导效率为30.1±19.5%，在TH阳性神经元中也有30.3±11.6%的转导。α-Syn聚集物与NpHR呈现互斥分布模式。

NpHR刺激减少α-Syn聚集

与对照组相比，NpHR组SNpc区α-Syn聚集物总量和平均每个聚集物大小分别显著减少67.5%(p<0.0001)和69.8%(p<0.0001)。

NpHR刺激对GABA的影响

NpHR组星形胶质细胞密度显著增加(p=0.0052)。GABA阳性星形胶质细胞数量和总面积分别降低52.0%(p=0.0387)和72.6%(p=0.0486)。GABA阳性区域与α-Syn聚集物共定位面积从对照组的31.3±20.4%降至NpHR组的9.0±13.7%(p=0.0002)。

NpHR刺激对多巴胺神经元的影响

NpHR组TH阳性细胞数量和总面积分别减少27%(p=0.0132)和32.2%(p=0.0151)。然而，TH与α-Syn聚集物共定位面积显著降低59.8%(p<0.0001)。排除病理α-Syn聚集的多巴胺神经元后，两组间TH阳性多巴胺神经元数量和面积无显著差异。

研究结论与意义

这项开创性研究首次证实，通过光遗传学技术调控反应性星形胶质细胞的氯离子平衡，可有效改善帕金森病的关键病理特征。研究揭示了细胞内氯离子浓度([Cl^-]_i)在调节星形胶质细胞功能中的核心作用：NpHR诱导的氯离子内流可能通过恢复星形胶质细胞膜电位，减少Best1通道介导的GABA异常释放；同时，升高的胞内氯离子浓度可能促进溶酶体酸化和水解酶活化，增强α-Syn聚集物的清除。

值得注意的是，虽然TH阳性多巴胺神经元总数减少，但运动功能的显著改善表明，减轻α-Syn聚集相关的功能抑制比单纯维持神经元数量更为关键。这一发现为理解帕金森病的功能恢复机制提供了新视角。

研究同时发现NpHR刺激后GFAP阳性细胞密度增加，提示星形胶质细胞反应状态可能发生改变，未来需要进一步区分是神经炎症性的A1状态还是神经营养性的A2状态。

尽管光遗传学技术的临床应用存在限制，但本研究为开发针对星形胶质细胞的化学遗传学等治疗策略奠定了坚实基础。通过精准调控神经环路中的非神经元成分，这一研究为帕金森病的疾病修饰治疗提供了全新范式，有望为全球数百万患者带来新的希望。