【JACI】为虎作伥！九州大学揭示星形胶质细胞促进慢性痒的分子机制

与痛觉、温觉、触觉不同，痒觉是一种特殊的躯体感觉，会带来负面情绪。痒觉由外周与中枢神经系统中多种神经元编码，可在人类及多种动物中诱发保守性抓挠行为。

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然而，对于患慢性瘙痒的病人，瘙痒引起的持续性抓挠会导致皮肤破损、感染，痛苦异常。临床医学已研发大量抗组胺药物以缓解痒觉，然而接触性皮炎等疾病引起的慢性痒不具有组胺依赖性，因此这些药物并无疗效。慢性瘙痒会导致失眠、精力不集中，甚至引发精神抑郁。为从根本上缓解慢性痒带来的痛苦，我们需要深入了解痒觉信号处理的神经机制。 

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近期研究表明，脊髓背角内胃泌素释放肽（GRP）与其受体（GRPR）参与痒觉信号传递[1]。GRPR表达于部分脊髓背角兴奋性中间神经元中，这些神经元（GRPR⁺神经元）在痒觉信号处理过程中起至关重要作用[2]。但是，GRP-GRPR信号功能紊乱是否为慢性痒的诱因之一，尚未可知。 

脊髓背角内GRPR⁺神经元的分布

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2019年11月28日，《Journal of Allergy and Clinical Immunology》杂志在线刊登了九州大学Makoto Tsuda 研究组的最新重要工作[3]，他们发现脊髓背角内GRP-GRPR信号敏化参与慢性痒的形成，而星形胶质细胞参与GRP-GRPR信号敏化过程及接触性皮炎形成过程。这项研究揭示了慢性痒形成的一种诱因及其分子机制，极大提高了人们在痒觉领域的认知。

Makoto Tsuda , PhD

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结果

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1.脊髓背角GRPR⁺神经元主要为兴奋性神经元

首先，为探究脊髓背角GRPR⁺神经元的细胞类型，作者引入Grpr-EGFP小鼠。他们使用膜片钳电生理记录手段，发现脊髓背角内大多数GRPR⁺神经元呈延迟发放或瞬态发放模式，其树突呈垂直走向。此外，大多数GRPR⁺神经元不与PAX2共标（图1）。以上结果表明脊髓背角内大多数GRPR⁺神经元为兴奋性中间神经元。

图1  脊髓背角GRPR⁺神经元主要为兴奋性神经元

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2.慢性痒条件下脊髓背角GRPR⁺神经元更易于激活

接着，为探究在慢性痒条件下，GRP对脊髓背角GRPR⁺神经元的激活效应是否发生改变，作者引入接触性皮炎诱发的慢性痒范式。他们使用二苯基环丙烯酮（DCP）处理小鼠以诱发接触性皮炎，进而引起慢性痒（图2A-C）。他们发现在慢性痒条件下，低浓度GRP（50 nM）即可引起脊髓背角GRPR⁺神经元发放，而正常小鼠的GRPR⁺神经元在此条件下不会产生动作电位（图2D）。此外，慢性痒条件下施加GRP后，脊髓背角GRPR⁺神经元的去极化幅度显著增加，而静息电位无变化（图2E-F）。以上结果表明，在接触性皮炎诱发的慢性痒条件下，脊髓背角GRPR⁺神经元更容易被GRP激活，而本底活性不变。 

图2  慢性痒条件下脊髓背角GRPR⁺神经元更易于激活

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3.慢性痒条件下GRP-GRPR信号敏化过程依赖于反应性星形胶质细胞

过去研究表明，在慢性痒条件下，静息星形胶质细胞转变为反应性星形胶质细胞，此过程受转录因子STAT3调控[4, 5]。为探究星形胶质细胞是否参与慢性痒条件下GRP-GRPR信号的敏化过程，作者在小鼠脊髓背角中注射AAV-gfaABC₁D-dnSTAT3以在胶质细胞中阻断STAT3的功能，进而抑制静息星形胶质细胞转变为反应性星形胶质细胞（图3A-D）。他们发现在注射病毒阻断STAT3的功能后，DCP处理的小鼠脊髓背角GRPR⁺神经元不再被低浓度GRP诱发产生动作电位，GRP诱导的去极化幅度亦显著减小（图3E-F）。他们还发现，DCP处理后脊髓背角内被激活神经元的数量显著减少（图3G）。另外，注射病毒后，DCP诱发的搔抓行为显著减少，接触性皮炎的炎症反应也显著降低（图3H-J）。以上结果表明，DCP诱发的慢性痒效应以及GRP-GRPR信号敏化过程依赖于反应性星形胶质细胞的产生。 

图3  STAT3参与慢性痒条件下GRP-GRPR信号敏化过程

然后，作者探究星形胶质细胞参与慢性痒调控的机制。作者推测，反应性星形胶质细胞通过释放活性信号分子促进接触性皮炎产生进而诱发慢性痒。其中，一个可能的信号分子为LCN2[4]。

为探究脊髓背角星形胶质细胞中LCN2的功能，作者引入基因编辑方法。他们在小鼠颈段脊髓中注射AAV-gfaABC₁D-SaCas9和AAV-gfaABC₁D-sgLcn2以降低星形胶质细胞中LCN2的表达水平（图4A-D）。他们发现，DCP处理后，注射病毒的小鼠脊髓背角GRPR⁺不再被低浓度GRP诱发动作电位，其去极化效应亦显著降低（图4E-F）。此外，小鼠搔抓行为显著减少、接触性皮炎的炎症反应也显著降低（图4G-I）。以上结果表明，DCP诱发的慢性痒效应以及GRP-GRPR信号敏化过程依赖于星形胶质细胞内LCN2的释放。

最后，为探究LCN2是否可充分诱导GRP-GRPR信号敏化过程，作者使用膜片钳电生理记录手段。他们发现，单独施加LCN2不会激活脊髓背角GRPR⁺神经元，单独施加低浓度GRP可引起GRPR⁺神经元去极化而不产生动作电位，而施加LCN2和低浓度GRP则可引起GRPR⁺神经元发放（图4J-K），表明LCN2可充分促进GRP-GRPR信号敏化过程。 

图4  LCN2参与慢性痒条件下GRP-GRPR信号敏化过程

总结

痒觉是一种特殊的躯体感觉，可引起自发抓挠行为。但是，慢性瘙痒引起的持续性抓挠会导致皮肤破损、感染，致使患者痛苦异常，甚至引发精神抑郁。更为严重的是，慢性痒形成的诱因很多，参与其中的神经网络错综复杂，因此临床医学难以开发针对性药物。过去研究表明，脊髓背角GRP-GRPR信号在痒觉信息处理过程中至关重要，但其信号强度是否与慢性痒形成有所关联，未能知晓。本篇文章结合膜片钳电生理、病毒注射、行为学等方法，发现慢性痒状态下GRP-GRPR信号产生敏化现象。此外，反应性星形胶质细胞及其释放的信号分子LCN2参与脊髓背角GRP-GRPR信号敏化过程与皮炎形成过程（图5）。这项研究阐释了星形胶质细胞促进慢性痒的分子机制，为临床治疗慢性瘙痒相关疾病提供了潜在靶点！ 

图5  反应性星形胶质细胞促进慢性痒的形成 

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参考文献

1.Sun, Y.G. and Z.F. Chen, A gastrin-releasing peptide receptor mediates the itch sensation in the spinal cord. Nature, 2007. 448(7154): p. 700-3.

2.Sun, Y.G., et al., Cellular basis of itch sensation. Science, 2009. 325(5947): p. 1531-4.

3.Koga, K., et al., Sensitization of spinal itch transmission neurons in a mouse model of chronic itch requires an astrocytic factor. J Allergy Clin Immunol, 2019.

4.Shiratori-Hayashi, M., et al., STAT3-dependent reactive astrogliosis in the spinal dorsal horn underlies chronic itch. Nat Med, 2015. 21(8): p. 927-31.

5.Sofroniew, M.V., Molecular dissection of reactive astrogliosis and glial scar formation. Trends Neurosci, 2009. 32(12): p. 638-47.