κ阿片受体通过抑制丘脑背内侧核投射的屏状核谷氨酸能神经元来抑制组胺能瘙痒

《SCIENCE ADVANCES》：Kappa opioids suppress histaminergic itch by inhibiting mediodorsal thalamus-projecting claustrum glutamatergic neurons

　　

瘙痒是一种诱发抓挠行为的不愉快感觉，可通过激活κ阿片受体（KORs）来抑制。KOR激动剂，如纳呋拉啡（Nalfurafine），具有有效的中枢性止痒作用，但其潜在机制尚未完全阐明。在本研究中，研究人员报道了屏状核（CLA）中谷氨酸能神经元在瘙痒调节中的重要作用。化学遗传学抑制这些神经元可显著减少组胺诱导的抓挠行为，而激活这些神经元则增强抓挠行为。这些屏状核谷氨酸能神经元（CLA^Glu）连接至丘脑背内侧核（MD），构成一条调节瘙痒感觉的通路。对CLA^Glu-MD通路的光遗传学操作表明，抑制该通路可减少抓挠行为，而激活该通路则增加抓挠行为。值得注意的是，CLA^Glu神经元高表达KORs，且纳呋拉啡处理可显著抑制组胺诱导的CLA^Glu神经元激活。在CLA^Glu神经元或CLA^Glu-MD环路中条件性敲低KORs可减弱纳呋拉啡的止痒效果。这些发现为组胺能瘙痒所涉及的神经环路以及KOR激动剂的作用机制提供了见解。

# 论文解读：κ阿片受体通过抑制屏状核-丘脑背内侧核通路调节组胺能瘙痒的神经机制

## 一、研究背景与科学问题

瘙痒是一种诱发抓挠冲动的不愉快躯体感觉，慢性瘙痒常导致“瘙痒-抓挠”恶性循环，造成严重的皮肤损伤。根据介导机制的不同，瘙痒被分为组胺能瘙痒和非组胺能瘙痒两大类：组胺能瘙痒由组胺激活组胺受体引发，而非组胺能瘙痒则由氯喹、5-羟色胺（5-HT）等致痒原通过非组胺受体通路介导。既往研究已较为清晰地阐述了瘙痒信号从外周向脊髓传递的受体、神经通路和分子机制，脑功能成像研究也揭示瘙痒处理涉及广泛的大脑区域，包括躯体感觉皮层、前扣带回皮层（ACC）、岛叶和前额叶皮层（PFC）等。然而，大脑中驱动或调节瘙痒-抓挠循环的具体神经环路机制仍亟待阐明。

屏状核（CLA）是一个主要包含谷氨酸能神经元的重要脑枢纽，参与多模态感觉信息的整合。正电子发射断层扫描（PET）研究发现，瘙痒诱发过程中CLA及其连接区域活性增加，提示CLA可能参与瘙痒的感觉与调节。然而，CLA在瘙痒调节中的具体贡献、相关神经环路及分子机制尚不清楚。kappa阿片受体（KORs）作为G蛋白偶联受体，在调节瘙痒中发挥关键作用。临床药物纳呋拉啡作为一种选择性KOR激动剂，已用于缓解血液透析患者的瘙痒症状，但其中枢作用机制仍不完全清楚。鉴于CLA高表达KORs，本研究旨在解析CLA中KORs的功能，并阐明CLA及其相关神经环路在瘙痒调节中的作用，以揭示KOR激动剂中枢止痒的神经机制。

## 二、主要关键技术与方法

研究人员使用以下关键技术开展研究：采用免疫荧光染色和原位杂交（in situ hybridization）检测即刻早期基因c-fos（神经元活性标志物）在不同脑区和特定神经元类型中的表达；运用光纤钙成像技术（fiber photometry）监测CLA和丘脑背内侧核（MD）神经元及轴突末梢的钙信号动态变化；采用化学遗传学技术（DREADD系统，包括抑制性hM4Di和兴奋性hM3Dq）对CLA谷氨酸能神经元进行功能性操控；运用光遗传学技术（兴奋性ChrimsonR和抑制性eNpHR3.0）对CLA^Glu-MD通路进行精准激活或抑制；利用Cre-loxP重组系统结合腺相关病毒（AAV）载体对KORs进行条件性敲除；采用顺行和逆行病毒示踪技术验证CLA-MD神经投射。实验采用成年C57BL/6小鼠和Oprk1^loxp/loxp基因工程小鼠，通过行为学实验评估抓挠行为和疼痛反应。

## 三、研究结果

### 组胺注射后多个脑区被激活

研究人员向小鼠皮内注射组胺（10 μg μl^?1），成功诱发了显著的抓挠行为。通过量化十个不同脑区中c-fos阳性细胞的数量，发现组胺注射显著增加了前额叶皮层（PFC）、屏状核（CLA）、室旁核（PV）和臂旁核（PBN）等多个脑区中c-fos阳性细胞的数量。

### CLA谷氨酸能神经元正性调节组胺诱导的抓挠行为

原位杂交结果显示，组胺激活的CLA神经元中95.58%与谷氨酸能神经元标志物vGlut1 mRNA共定位，仅3.22%与GABA能神经元标志物GAD65 mRNA共定位。光纤钙成像记录显示，组胺注射后CLA谷氨酸能神经元被显著激活，钙信号在抓挠行为开始前约4秒即开始上升。化学遗传学抑制CLA谷氨酸能神经元显著减少了组胺诱导的抓挠行为，而化学遗传学激活则增强了低剂量组胺诱导的抓挠行为。此外，氯喹和C48/80也能增加CLA中c-fos表达，但5-HT无此效果；足底注射组胺同样能增加CLA中c-fos表达，排除了抓挠行为本身的干扰。光遗传学激活CLA谷氨酸能神经元还可抑制完全弗氏佐剂（CFA）诱导的炎性疼痛并提高对侧后爪的缩爪阈值，表明CLA谷氨酸能神经元同时参与疼痛和瘙痒的调节。

### CLA介导KOR激动剂纳呋拉啡和U50488H的止痒效应

全身性给予纳呋拉啡和U50488H均显著抑制组胺诱导的抓挠行为，并减少CLA中c-fos阳性神经元数量。将这两种药物直接微量注射入CLA同样能抑制抓挠行为。将KOR拮抗剂nor-BNI微注射入CLA可显著阻断纳呋拉啡和U50488H的止痒效果，而nor-BNI本身不诱发抓挠行为。

### CLA谷氨酸能神经元中的KORs对纳呋拉啡和U50488H的抗抓挠行为至关重要

原位杂交结果显示，CLA中95.8%的KOR mRNA阳性神经元与vGlut1 mRNA共定位，仅0.45%与GAD65 mRNA共定位。在Oprk1^loxp/loxp小鼠的CLA中注射AAV2/9-CaMKIIα-Cre-EGFP以敲除CLA谷氨酸能神经元中的KORs，可显著降低纳呋拉啡和U50488H的止痒效果。进一步实验发现，在CLA局部和来自上游投射的突触前末梢同时敲除KORs比仅敲除CLA局部神经元中的KORs更能抑制纳呋拉啡的止痒效果，表明投射至CLA的上游末梢上的突触前KORs也是介导纳呋拉啡止痒效应的重要组分。KOR敲除不影响小鼠的自发运动活性。

### CLA-MD环路关键介导组胺诱导的瘙痒反应

顺行和逆行病毒示踪实验证实CLA投射至MD。组胺注射显著激活MD神经元，且在抓挠行为期间投射至MD的CLA^Glu轴突末梢钙信号显著增加。值得注意的是，在四种致痒原中，仅组胺增加MD中c-fos表达，氯喹、5-HT和C48/80均无此效果。光遗传学激活CLA^Glu-MD通路可增强低剂量组胺诱导的抓挠行为，光遗传学抑制该通路则显著减少组胺诱导的抓挠行为。在雌性小鼠中也观察到类似的光激活增强效应。

### CLAGlu-MD环路中的KORs介导纳呋拉啡的止痒效果

将纳呋拉啡微量注射入CLA可降低MD谷氨酸能神经元的活性。在CLA中注射AAV2/9-CaMKIIα-fDIO-Cre-mCherry并在MD中注射AAV2/R-CaMKIIα-FLP，通过双重病毒策略特异性敲除CLA^Glu-MD投射神经元中的KORs，可降低纳呋拉啡的止痒效果，但不影响CFA诱导的机械性痛觉过敏。

## 四、讨论与结论

本研究揭示了CLA谷氨酸能神经元及CLA^Glu-MD环路在组胺能瘙痒调节中的关键作用，并阐明了KOR激动剂中枢止痒的神经机制。研究发现CLA谷氨酸能神经元是瘙痒感觉的调节节点而非启动者，化学遗传学激活CLA并不能自发诱发抓挠，而是特异性地增强低剂量组胺诱导的抓挠，提示CLA整合多模态感觉信息以增强相关刺激的处理。研究还发现CLA^Glu-MD通路可能在瘙痒感知的编码中发挥功能作用，因为CLA^Glu神经元及其MD轴突末梢的钙信号在抓挠行为发作前即开始上升，而MD整体神经元的钙信号则与抓挠发作同步，可能主要反映抓挠相关的体感觉反馈。

研究还发现CLA谷氨酸能神经元在疼痛和瘙痒中发挥双重作用：激活CLA谷氨酸能神经元可缓解CFA诱导的炎性疼痛和机械性痛觉过敏，但同时加重瘙痒，这可能反映了CLA通过交叉半球抑制环路或下行疼痛调节系统产生双侧镇痛效应。在KOR机制方面，CLA中KORs主要表达在谷氨酸能神经元上，条件性敲除CLA谷氨酸能神经元或CLA^Glu-MD通路中的KORs均显著减弱纳呋拉啡的止痒效果，且不影响自发运动活性，支持CLA在瘙痒调节中的特异性作用。

综上所述，本研究鉴定了一条介导组胺能瘙痒的重要 supraspinal 神经环路，即CLA^Glu-MD通路，并揭示了KOR激动剂通过作用于CLA中的KORs（包括突触后CLA谷氨酸能神经元上的KORs和投射至CLA的上游突触前末梢上的KORs）抑制神经元活动从而发挥止痒作用的分子机制。这些发现增进了对瘙痒中枢神经环路和KOR激动剂止痒机制的理解，为开发更精准的止痒治疗策略提供了重要的理论基础。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。