Redox Biology：空军军医大学王亚云团队解码调控疼痛新机制
神经性疼痛是一种由外周或中枢神经系统病变或损伤引起的疼痛，患者常常伴有异常性疼痛、痛觉过敏等多种症状。由于其发病机制的复杂性，在临床治疗方面仍面临巨大的挑战。脊髓背角可接受来自外周感觉神经元的痛觉信号，在疼痛信号的整合和中枢疼痛过敏化中发挥重要作用。线粒体在神经系统中尤其是在神经元中起着至关重要的作用，是检测神经微环境稳定性最灵敏的细胞成分。Drp1调节的线粒体分裂对于有丝分裂后的神经元存活至关重要。
近日，空军军医大学王亚云教授作为最后通讯作者在《Redox Biology》（IF=11.779）杂志上发表了题为《Targeted up-regulation of Drp1 in dorsal horn attenuates neuropathic pain hypersensitivity by increasing mitochondrial fission》的长篇研究论文，探究了选择性坐骨神经损伤小鼠模型中脊髓背角内Drp1的上调和下调对小鼠疼痛行为的影响，发现过表达靶向线粒体的Drp1可以缓解疼痛过敏反应，这一结果为疼痛治疗提供了新的治疗靶点。本文的共同通讯作者还包括西京医院的袁华教授和杨雁灵教授。
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作者首先使用Decostered和Woolf教授开发的方法构建了选择性坐骨神经损伤模型小鼠。该模型在感觉和情感维度方面具有明显特征，并具有长期疼痛行为和功能障碍。随后，使用透射电子显微镜测量了模型小鼠的脊髓背角内线粒体的分布和亚细胞形态。与对照相比，空间神经损伤模型小鼠神经元线粒体密度增加，线粒体周长和面积增加，线粒体分裂活动增加，数量增多，表明空间神经损伤后的脊髓背角内线粒体健康状况受损，导致模型小鼠脊髓背角内的线粒体对神经疼痛敏感并且数量增加、体积减小。
图1. 空间诱导后脊髓背角线粒体形态和超微结构
随后作者通过qRT-PCR和Western Blot观察到损伤模型小鼠中Drp1表达升高。由于线粒体分裂与线粒体融合是反向调节过程，于是作者检测了线粒体融合相关基因Mfn1 和 Mfn2的表达情况，没有观察到显著差异。这些结果表明升高的Drp1可能有助于空间神经损伤后小鼠脊髓背角线粒体数量增多和形态变化。
图2. 空间神经损伤导致小鼠脊髓背角中Drp1表达升高，但不改变Mfn1和Mfn2的表达
紧接着作者探究了Drp1对损伤模型小鼠的疼痛敏感化的调控作用，分别用Drp1的过表达AAV病毒和干扰AAV病毒对小鼠进行椎管内注射，然后进行行为观察。 CatWalk步态分析发现，坐骨神经损伤诱导的模型小鼠表现出显著的疼痛变化行为。与对照组相比，过表达Drp1可以缓解这种疼痛症状，敲低Drp1并不能缓解坐骨神经损伤引起的小鼠疼痛症状。说明Drp1过表达可以缓解损伤模型小鼠的疼痛症状，而Drp1的下调并不能缓解模型小鼠的疼痛症状。
图3. 上调 Drp1 的表达可缓解模型小鼠的疼痛症状
接着作者又通过旷场实验和高架十字迷宫实验对过表达Drp1组和干扰Drp1组小鼠行为进行观察，以探究Drp1靶向调节的情绪变化。在旷场实验中，过表达组小鼠水平移动距离显著增加；在高架十字迷宫实验中，小鼠的开臂进入次数也显著增加。表明过表达Drp1可以缓解坐骨神经损伤模型小鼠的焦虑行为。对于干扰组，旷场实验中小鼠在中心区域活动显著增加；高架十字迷宫实验中开臂进入次数显著增加。这些结果表明过表达和干扰Drp1都可以部分缓解损伤小鼠的焦虑行为，作者解释可能是焦虑行为所涉及的神经传导和所需的激活神经元是分开的。结合前面实验结果，作者认为Drp1对于疼痛的调节应该主要取决于线粒体超微结构和液泡参数的确切变化。随后，作者又进一步分析比较了不同组线粒体的三维结构。
图4. 过表达和干扰Drp1可以缓解模型小鼠的焦虑行为
由于Drp1可通过调节线粒体分裂和融合过程的稳态参与多种神经系统疾病。在观察到靶向调节Drp1的表达后模型小鼠明显的行为变化后，作者进一步探索和分析了线粒体形态和其动力学特征。与对照组相比，过表达Drp1可以显著降低模型小鼠脊髓背角内线粒体密度，但并不改变其周长，即上调Drp1可以减少脊髓背角内线粒体的数量，但不会改变其外观。分析脊髓背角内线粒体液泡参数，发现过表达Drp1并没有改变脊髓背角内线粒体内部液泡特征，而下调Drp1的表达可以降低线粒体密度，并显著增加了线粒体周长，增加了线粒体内部液泡密度，液泡周长和面积。
图5. 过表达或干扰Drp1对线粒体数量及形态的影响
图6. Drp1调节神经性疼痛和相关线粒体功能障碍示意图
总之，此研究表明在神经损伤模型小鼠中疼痛和焦虑行为与Drp1的升高以及脊髓背角内线粒体密度的增加有关。过表达Drp1可以显著改善模型小鼠的疼痛行为，干扰Drp1不能减轻疼痛行为，甚至可以使线粒体状态恶化，变得肿胀并包含更多的液泡结构（图6）。这些结果支持线粒体对神经疼痛敏感这一观点，也表明Drp1可能是疼痛治疗的新治疗靶点。