楊夢蝶,寸興芳,吳寧,李錦,宋睿
(1.南京中醫(yī)藥大學,江蘇 南京 210000;2.軍事科學院軍事醫(yī)學研究院毒物藥物研究所,神經(jīng)精神藥理學北京市重點實驗室,北京 100850)
20 世紀90 年代,世界衛(wèi)生組織將藥物成癮定義為慢性復發(fā)性腦部疾病,使得人類單純從社會學角度對待成癮問題轉為從醫(yī)學生物學角度對待成癮問題,這一轉變?yōu)槌砂a的神經(jīng)生物學研究提供了廣闊前景。藥物成癮不僅嚴重危害社會治安穩(wěn)定和引起重大惡性傳染病傳播,而且患者本身也遭受嚴重精神和軀體損害?!?022年世界毒品年度報告》顯示,全球約有2.84 億人存在多種成癮性物質的不當使用,較10 年前增加了26%;而我國《2022 年中國毒品形勢報告》指出,仍存在濫用人數(shù)多、濫用品種多樣化、治理鞏固任務艱巨等重大問題??梢姴煌N類毒品濫用是全球毒品使用的突出問題。因此,研究不同種類成癮性物質導致成癮的神經(jīng)機制,可為研發(fā)精準干預措施提供扎實的實驗基礎和科學依據(jù)。
研究發(fā)現(xiàn),各類成癮性物質均可直接或間接引起腦內多巴胺遞質含量升高,誘發(fā)強烈欣快感,啟動成癮發(fā)生[1]。而上述功能的實現(xiàn)主要是通過中腦邊緣皮質多巴胺系統(tǒng),該系統(tǒng)是腦內正性情緒調節(jié)中樞,參與調節(jié)機體獎賞、動機、決策和學習等重要生理功能[2],其核心腦區(qū)是腹側被蓋區(qū)(ventral tegmental area,VTA),VTA 中近70%是多巴胺(dopamine,DA)能神經(jīng)元,并且VTA的DA能神經(jīng)元神經(jīng)纖維投射到伏隔核(nucleus accumbens,NAc)、前額葉皮質、海馬和杏仁核等不同腦區(qū),向投射腦區(qū)釋放DA[3-4]。其中VTA-NAc 是公認的獎賞環(huán)路[5-7],與成癮性物質引起的正性強化作用密切相關,是成癮啟動的重要結構基礎。
各類成癮性物質雖都能直接或間接快速引起腦內DA 含量大幅度升高,引起強烈的欣快感,但不同成癮性物質的化學結構和作用靶點千差萬別。甲基苯丙胺(methamphetamine,METH)主要作用于突觸前膜的多巴胺轉運體(dopamine transporter,DAT)和重組囊泡單胺轉運體2(recombinant vesicular monoamine transporter 2,VMAT2),促進囊泡內DA耗竭性釋放,抑制DAT 對DA 的重吸收能力。另一方面,METH 還能結合單胺氧化酶并抑制其活性,促進酪氨酸羥化酶表達,使得突觸間隙DA 含量短時間內劇增[8-9]??煽ㄒ颍╟ocaine)則直接作用在DAT,抑制DA 重攝?。?0]。與上述興奮劑完全不同的是,嗎啡(morphine)則是直接結合μ受體,抑制γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)能神經(jīng)元興奮性,從而解除對DA 能神經(jīng)元的抑制作用,引起VTA 腦區(qū)DA 能神經(jīng)元的興奮性升高[11]。由此可見,不同成癮性物質直接作用的神經(jīng)物質結構存在巨大差異。目前可用于檢測腦內神經(jīng)遞質含量變化的技術有微透析技術、微電極快速掃描循環(huán)伏安法(fast scan cyclin voltammetry,F(xiàn)SCV)和光纖記錄,并且已有研究采用微透析技術和FSCV 檢測到腦內DA 含量的變化[12-14]。但微透析技術和FSCV 均只可檢測到神經(jīng)遞質的含量變化,且FSCV 技術還存在一些瓶頸問題,如檢測特定神經(jīng)遞質的特異性不夠高,難以精確反映神經(jīng)遞質的真實動態(tài)信息,不同電化學活性物質相互干擾以及基線漂移等,操作繁瑣,難度較高,且均無法記錄神經(jīng)元興奮性的實時變化。與之相比,光纖記錄具有特異性和靈敏度高的特點,在行為學訓練或測試時監(jiān)測特定神經(jīng)遞質或神經(jīng)元的實時變化,且實驗操作較為簡便,目前在神經(jīng)環(huán)路分子機制探究中應用越發(fā)廣泛,同時也可與其他實驗技術聯(lián)合應用,如光遺傳和電生理技術等。
在誘發(fā)成癮形成過程中,神經(jīng)化學物質及神經(jīng)結構的代償適應性變化是其神經(jīng)生物學基礎。本研究選擇目前流行最為廣泛的新型合成毒品METH、經(jīng)典興奮劑可卡因和傳統(tǒng)的高成癮性物質嗎啡為代表,采用高靈敏度和高特異性的光纖記錄系統(tǒng)記錄多巴胺神經(jīng)遞質含量及神經(jīng)元興奮性的動態(tài)變化,進一步闡明上述不同成癮性物質所引起的多巴胺能神經(jīng)元興奮性及多巴胺神經(jīng)遞質含量的實時動力學變化特征,將為揭示各自不同的成癮神經(jīng)生物學機制提供新視野,為后續(xù)開發(fā)成癮的精準干預提供實驗基礎和理論依據(jù)。
鹽酸嗎啡(青海制藥廠有限公司);METH(批號:171212-201605,中國食品藥品檢定研究院);可卡因和氯胺酮(軍事醫(yī)學研究院毒物藥物研究所);甲苯噻嗪鹽酸鹽(批號:S44817,上海麥克林生化科技有限公司)。根據(jù)文獻報道建立成癮模型時采用的藥物劑量[15-18],本研究選取METH 1 mg·kg-1、可卡因10 mg·kg-1和嗎啡10 mg·kg-1。藥物按照小鼠體重10 mL·kg-1用氯化鈉注射液配制成METH 0.1 g·L-1、可卡因1 g·L-1和嗎啡1 g·L-1,現(xiàn)配現(xiàn)用。氯化鈉注射液(批號:1802243205,石家莊四藥有限公司);無水乙醇(批號:20170812,國藥集團化學試劑有限公司);碘伏(批號:20020059,山東利爾康醫(yī)療科技股份有限公司);美麗登義齒基托樹脂(批號:2015072701,賀利氏古莎齒科有限公司);1454 瞬干膠(批號:745401,北京天山新材料技術有限公司);多聚甲醛粉末(批號:158127)和含DAPI(40,6-二脒基-2-苯基吲哚,一種細胞核染料)的防熒光淬滅封片劑(批號:1003584214,美國Sigma 公司);PBS 粉末(批號:23020301,中杉金橋),冷凍切片組織包埋劑(批號:2499-00,美國O.C.T.,SAKURA);重組腺相關病毒血清型AAV2/9多巴胺能神經(jīng)元活性鈣離子指示劑病毒(批號:PT-1569,rAAV-mTH-GCaMP6m-WPREs)和多巴胺神經(jīng)遞質探針病毒(批號:PT-1340,rAAV-hSyn-DA4.4-WPRE-hGH pA)購買自樞密腦科學技術有限公司。
RWD 69100 小鼠腦立體定位儀(瑞沃德生命科學有限公司);Nanoliter 2000 微量注射泵(美國WPI);陶瓷插芯(2.5 mm)、光纖跳線和R820 三色單通道光纖記錄儀器(南京千奧星科生物科技有限公司);LP10 激光功率檢測器(日本sanwa);激光共聚焦顯微鏡(日本尼康,型號:NIK-S2594);活動箱(18 cm×15 cm×20 cm,安來科技儀器有限公司);CM1900 冰凍切片機(德國徠卡);VS200全景腦片高通量成像系統(tǒng)(日本奧林巴斯)。
SPF 級C57BL/6J 雄性小鼠,體重20~25 g,購買于斯貝福(北京)生物技術有限公司,生產許可證號為SCXK(京)2019-0010,共計56 只。動物購回后均飼養(yǎng)于標準條件下,室溫為22~25 ℃,濕度為50%~70%,照明時間為6∶00-18∶00。飼養(yǎng)期間,動物自由攝食飲水,間隔2~4 d 更換墊料。實驗中所有的動物處理均符合軍事醫(yī)學研究院倫理審查委員會的要求。根據(jù)腦注射位置的不同分為2 組:NAc腦區(qū)注射DA 神經(jīng)遞質熒光探針病毒組(n=28)和VTA 腦區(qū)注射DA 神經(jīng)元鈣離子指示劑病毒組(n=28)。
小鼠ip 給予氯胺酮100 mg·kg-1和甲苯噻嗪12.5 mg·kg-1,麻醉后固定在腦立體定位儀上,充分暴露顱骨頂部。用生理鹽水清洗顱骨頂部創(chuàng)口后,調節(jié)小鼠頭部使其保持水平。根據(jù)上述病毒注射部位不同的分組,將28只小鼠進行VTA腦區(qū)的病毒注射,按照坐標在顱骨上打孔(前囟后側3.2 mm,中縫左側0.5 mm),用微量注射泵吸取探針病毒試劑300 nL(rAAV-mTH-GCaMP6m-WPRE),垂直腦膜平面向下插入4.2 mm,以流速20 nL·min-1注入,注射后留針10 min 以便病毒充分擴散和吸收,然后在同一位置腦膜平面向下4.2 mm 埋置光纖陶瓷插芯。28 只小鼠進行NAc 腦區(qū)的病毒注射,按照坐標在顱骨上打孔(前囟前側1.4 mm,中縫左側0.8 mm),用微量注射泵吸取探針病毒試劑300 nL(rAAV-hSyn-DA4.4-WPRE-hGH pA),垂直顱骨平面向下插入4.5 mm,以流速20 nL·min-1注入,注射后留針10 min 以便病毒充分擴散和吸收,在同一位置顱骨平面向下4.5 mm 埋置光纖陶瓷插芯。隨后用1454 瞬干膠和牙科水泥固定導管。手術結束后,將小鼠放在電熱毯上至蘇醒,然后放回飼養(yǎng)間單籠飼養(yǎng)。小鼠將經(jīng)過2~3周的時間進行手術恢復和病毒表達。
28 只NAc 注射DA 神經(jīng)遞質熒光探針的未經(jīng)藥物處理的小鼠分為4 組:生理鹽水組、METH(1 mg·kg-1,ip)組、可卡因(10 mg·kg-1,ip)組和嗎啡(10 mg·kg-1,sc)組,使用光纖記錄系統(tǒng)采集小鼠給藥后NAc 腦區(qū)多巴胺神經(jīng)遞質的熒光信號。實驗前,打開三色單通道光纖記錄儀預熱,光纖預先漂白30 min,待基線穩(wěn)定后,小鼠插上光纖,在活動箱中自由活動30 min后按照分組給藥,同時開始記錄470 nm信號,采集頻率為50 Hz,記錄時長為2 h。
使用千奧星科生物科技有限公司提供的模板獲取ΔF/F 軌跡,ΔF/F0=(F-F0)/F0值表示熒光強度變化,F(xiàn)0為給藥前400 s 信號積分的平均值。在數(shù)據(jù)分析過程中,采用MATLAB 2017 軟件,對數(shù)據(jù)進行預處理,通過運動矯正去除背景噪音信號,結合多項式矯正算法對信號進行擬合改善光漂白效應即熒光信號或光纖的自發(fā)熒光由于長時間記錄導致漂白基線逐步下降,從而得到真實的熒光數(shù)據(jù)。ΔF/F 值顯示為平均值,陰影區(qū)域表示平均值的標準誤差。分析結果以熱圖和線圖表示,統(tǒng)計線圖中AUC、線圖曲線最高值和達極值所需時間。
28 只VTA 腦區(qū)注射鈣離子指示劑病毒的未經(jīng)藥物處理的小鼠分為4 組:生理鹽水組、METH(1 mg·kg-1,ip)組、可卡因(10 mg·kg-1,ip)組和嗎啡(10 mg·kg-1,sc)組。使用光纖記錄系統(tǒng)采集小鼠給藥后VTA 腦區(qū)的的多巴胺能神經(jīng)元的熒光信號。實驗前,打開三色單通道光纖記錄儀預熱,光纖預先漂白30 min,待基線穩(wěn)定后,小鼠插上光纖在活動箱中自由活動30 min,抓取給藥,按照分組給藥,同時開始記錄470 nm 和405 nm 信號,采集頻率為50 Hz,記錄時長為2 h。
使用千奧星科生物科技有限公司提供的腳本獲取ΔF/F 軌跡,用當前熒光強度F 和基線熒光強度F0的差值再除以基線熒光強度F0的值即ΔF/F0=(FF0)/F0的值來表征事件周圍的熒光強度變化,F(xiàn)0為給藥前400 s 信號積分的平均值。在數(shù)據(jù)分析過程中,以405 nm 激發(fā)光為參考通道,利用MATLAB 2017 軟件,對數(shù)據(jù)進行預處理,通過運動矯正去除背景噪音信號,結合多項式矯正算法對信號進行擬合改善光漂白效應即熒光信號或光纖的自發(fā)熒光由于長時間記錄導致漂白基線逐步下降,從而得到真實的熒光數(shù)據(jù)。ΔF/F 值顯示為平均值,陰影區(qū)域表示平均值的標準誤差。分析結果以熱圖和線圖表征,分析神經(jīng)元興奮性變化特點,統(tǒng)計線圖中AUC、神經(jīng)元持續(xù)作用時間、線圖曲線最高值或最低值和達極值所需時間。
在病毒表達充分和完成1.4 和1.5 后的光纖記錄實驗后,小鼠ip 給予氯胺酮100 mg·kg-1和甲苯噻嗪12.5 mg·kg-1進行麻醉,翻正反射消失后,依次用生理鹽水和4%多聚甲醛溶液灌流后取腦,采用20%和30%蔗糖溶液進行梯度脫水,至鼠腦沉至管底脫水完全。隨后進行冰凍切片,切片厚度30 μm,取包含NAc 腦區(qū)和VTA 區(qū)域的冠狀腦片進行熒光拍攝。切片完成后,玻片用PBS 溶液振蕩漂洗5 min,洗3次以完全洗去包埋液。對于包含目標區(qū)域的腦片,在玻片上滴加含有DAPI 的防熒光淬滅的封片劑進行封片,等封片劑晾干以后,放入-20 ℃保存或立即通過全景腦片高通量成像系統(tǒng)進行成像,可觀察到DA 神經(jīng)遞質探針攜帶綠色熒光及DA能神經(jīng)元中的鈣離子指示劑蛋白(綠色熒光)。
實驗數(shù)據(jù)結果均以±s表示,所有的分析統(tǒng)計均采用SigmaStat軟件,均采用單因素方差分析,組間比較采用Bonferroni 檢驗。P<0.05 表示差異有統(tǒng)計學意義。
圖1A 和B 顯示,ip 給予METH(1 mg·kg-1)和可卡因(10 mg·kg-1)及sc 給予嗎啡(10 mg·kg-1)均會引起小鼠NAc 腦區(qū)的DA 探針熒光信號升高,提示NAc 腦區(qū)DA 含量顯著上升。METH 和可卡因給藥后迅速升高NAc 的DA 探針熒光信號,隨后可卡因組迅速恢復到原始水平,而METH 組熒光信號維持在高水平,提示可卡因迅速升高NAc 腦區(qū)DA含量,隨后迅速恢復到原始水平,METH 迅速且持續(xù)升高NAc 腦區(qū)DA 含量,并且維持在高水平。嗎啡給藥后NAc的DA 探針熒光信號緩慢上升達到峰值后緩慢降低恢復到原始水平,表明嗎啡給藥后,NAc 腦區(qū)DA 含量緩慢升高達到峰值后,又緩慢降低。在所用劑量下,從DA 含量變化上看,圖1C 和D 顯示METH 給藥后導致的NAc 腦區(qū)DA 含量變化幅度顯著高于可卡因和嗎啡(AUC:P<0.01,與可卡因相比;P<0.05,與嗎啡相比);圖1E 顯示從3 個藥物給藥后NAc 腦區(qū)DA 含量達峰時間,METH 和可卡因達峰時間顯著早于嗎啡(P<0.01,與METH相比;P<0.01,與可卡因相比)。以上結果表明,METH、可卡因和嗎啡均顯著升高了小鼠NAc 腦區(qū)DA 神經(jīng)遞質含量,DA 升高實時動力學存在顯著差異。
Fig.1 Changes of dopamine(DA)neurotransmitter,peak(C),area under cureve(AUC)(D)and time(E)in nucleus accumbens(NAc)of mice treated with methamphetamine(METH),cocaine and morphine by optical fiber recording system.A and B were the curve and heatmap of DA,respectively.According to the group,the mice(n=28)injected with DA probe in NAC were injected with morphine(10 mg·kg-1,sc),METH(1 mg·kg-1,ip),and cocaine(10 mg·kg-1,ip).At the same time,the 470 nm signal was recorded,the acquisition frequency was 50 Hz,and the recording duration was 2 h.±s,n=7.*P<0.05,**P<0.01,compared with saline group;#P<0.05,##P<0.01,compared with cocaine group;△P<0.05,△△P<0.01,compared with morphine group.
圖2A和B結果顯示,ip給予METH(1 mg·kg-1)和可卡因(10 mg·kg-1)均會引起DA 能神經(jīng)元的Ca2+信號快速而持續(xù)地下降,顯著抑制DA 能神經(jīng)元興奮性,而sc 給予嗎啡(10 mg·kg-1)引起DA 能神經(jīng)元的Ca2+信號緩慢而持續(xù)地上升,DA 能神經(jīng)元興奮性顯著上升。對于同屬于精神興奮劑的METH 和可卡因,從對DA 能神經(jīng)元興奮性的作用程度上看(圖2C和D),METH對神經(jīng)元的抑制程度顯著強于可卡因(event ampitude%:P<0.05;AUC:P<0.05);從對DA 能神經(jīng)元的抑制時間上看(圖2E和F),METH 對VTA 的DA 能神經(jīng)元的抑制時間顯著長于可卡因(P<0.05),而嗎啡與兩者相比,對VTA 的DA 能神經(jīng)元興奮性作用時間顯著長于METH 和可卡因(P<0.01,與METH 相比;P<0.05,與可卡因相比)。以上結果表明,METH、可卡因和嗎啡對VTA 腦區(qū)DA能神經(jīng)元興奮性的作用具有顯著差異,在成癮的起始階段阿片類物質和精神興奮性毒品對VTA 腦區(qū)的DA能神經(jīng)元產生相反的作用效果,提示在成癮過程中獎賞系統(tǒng)發(fā)生了不同的代償性變化。
Fig.2 Changes of DAergic neurons,event ampitude(C),AUC(D),time taken to reach extremes(time)(E),and duration(F)in the ventral tegmental area(VTA)of mice treated with METH,cocaine,and morphine by optical fiber recording system.A and B were the heatmap of DA.According to the group,the mice injected with GCaMP6m in the VTA(n=28)were injected with morphine(10 mg·kg-1,sc),METH(1 mg·kg-1,ip)and cocaine(10 mg·kg-1,ip).Recording of 470 nm and 405 nm signals began at the same time,the acquisition frequency was 50 Hz,and the recording duration was 2 h.±s,n=7.*P<0.05,**P<0.01,compared with cocaine group;##P<0.01,compared with morphine group.
圖3A1 和圖3A2 中表示的是病毒注射和光纖埋置的核團位置。圖3B1 是DA 神經(jīng)遞質熒光探針在NAc 腦區(qū)的表達情況,綠色為神經(jīng)遞質熒光探針所攜帶的熒光蛋白。圖3B2 為GCaMP6m 在VTA腦區(qū)的表達情況,綠色為GCaMP6m 所攜帶的熒光蛋白。表明GCaMP6m 在VTA 腦區(qū)特異性表達,DA神經(jīng)遞質熒光探針在NAc腦區(qū)特異性表達。
Fig.3 Schematic representation of virus injection and DA fluorescent expression in NAc(A1)and and the VTA(A2)GCaMP6m fluorescent expression in NAc(B1)and VTA(B2).
本研究結果發(fā)現(xiàn),3 個不同的成癮性物質METH、可卡因和嗎啡均顯著升高NAc 腦區(qū)DA 神經(jīng)遞質含量,但對于DA 升高的實時動力學存在顯著差異。METH(1 mg·kg-1,ip)引起快速NAc 腦區(qū)DA 大幅度升高至尖峰,之后略有降低,然后在較長時間內維持在較高水平;而可卡因(10 mg·kg-1,ip)亦能快速引起NAc 腦區(qū)DA 的升高并達峰,但快速恢復至基礎水平;與之相反,嗎啡(10 mg·kg-1,sc)引起NAc腦區(qū)DA 含量升高的速度較以上兩者較緩慢,達到峰值后緩慢恢復到原始水平;并且在本實驗條件下,嗎啡和可卡因導致的DA 水平升高幅度顯著低于甲基苯丙胺。上述DA 神經(jīng)遞質變化動力學的不同可能成為其導致成癮不同表型的重要神經(jīng)物質基礎。比如,METH 導致的DA 水平的持續(xù)升高可能是其造成神經(jīng)興奮性毒性的關鍵因素之一;而對于可卡因而言,DA 的快速升高和快速降低將誘導實驗動物對欣快感的強烈渴求,以致在單位時間內可卡因誘導的自身給藥次數(shù)顯著高于其他2 種物質。此外,嗎啡和以上2 種興奮性成癮物質不同,其在成癮過程中引起的DA 能神經(jīng)元投射靶區(qū)NAc 神經(jīng)可塑性存在顯著差異,嗎啡等阿片類物質會使樹突分支、復雜性和樹突棘密度降低,而METH、可卡因等精神興奮劑可誘導樹突分支、復雜性和樹突棘密度增加[19-23],這可能與本研究所發(fā)現(xiàn)的嗎啡引起的DA 的上升和下降的動力學的顯著不同,造成DA對NAc腦區(qū)作用模式的不同。
本研究發(fā)現(xiàn),單次給藥METH(1 mg·kg-1,ip)和可卡因(10 mg·kg-1,ip)導致VTA 腦區(qū)DA 能神經(jīng)元的興奮性顯著抑制,而嗎啡則與之相反。已有研究發(fā)現(xiàn),METH 引起的NAc 腦區(qū)DA 遞質的升高,主要是由于其作用于VMAT2 促進DA 的釋放以及結合DAT 阻斷DA 的重吸收,而可卡因則主要通過結合多DAT 阻斷DA 的重吸收,而升高的DA 遞質則結合多巴胺自身受體多巴胺D2 受體對DA 能神經(jīng)元產生負反饋抑制導致的興奮性減弱[24],而在本實驗條件下,METH 造成DA 能神經(jīng)元興奮性的抑制顯著強于可卡因,主要由于其造成DA 水平升高幅度顯著高于可卡因。而對于嗎啡(10 mg·kg-1,sc),其升高的DA 很可能也會通過自身受體途徑產生負反饋效應,然而嗎啡導致的DA 遞質水平的升高主要是通過結合VTA 腦區(qū)的抑制性GABA 神經(jīng)元上的阿片受體,從而解除其對DA 能神經(jīng)元的興奮性抑制,2種效果疊加則仍體現(xiàn)了DA能神經(jīng)元興奮性的增加。由此可見,以上3 個不同成癮性物質對于VTA 的DA 能神經(jīng)元初始作用的不同,其所引起的獎賞中樞神經(jīng)突觸可塑性也存在顯著差異,因此也將成為成癮表型不同的重要結構基礎。
綜上所述,本研究通過采用神經(jīng)遞質探針和神經(jīng)元興奮性標記的方法,實時記錄了不同成癮性物質單次給藥所誘發(fā)的獎賞中樞DA 神經(jīng)遞質和DA能神經(jīng)元的實時動力學變化,為揭示不同種類成癮性物質的精確神經(jīng)機制提供了重要的實驗依據(jù)。在未來的研究中,將在連續(xù)給藥的成癮模型中動態(tài)監(jiān)測不同成癮性物質所引起的多巴胺系統(tǒng)的精準變化,為后續(xù)開發(fā)成癮的精準干預提供實驗基礎和理論依據(jù),對研發(fā)抗成癮藥物具有重要的意義。