Nat Metab︱熊伟课题组阐明酒精和大麻协同导致运动毒性的新靶点

撰文︱邹桂昌，熊伟

责编︱王思珍

编辑︱杨彬薇

精神活性药物如四氢大麻酚（Δ9-tetrahydrocannabinol，THC）和酒精，被广泛报道可以通过靶向中枢神经系统损害运动协调功能[1，2]。更有趣的是，研究报道大麻和酒精混合使用会导致比单独使用酒精或者大麻更严重的运动障碍[3]。美国国家公路交通安全管理局曾发表研究报告强调，大麻和酒精的混合使用会导致更严重的运动障碍，造成更多的恶性交通事故[4-6]。基础研究也表明，酒精可以显著增强腹腔注射THC诱导的小鼠运动失调行为[7,8]。虽然大麻和酒精混合引起的毒性增强已引起广泛关注，但这种协同强化的机制尚不清楚。

大量研究证实THC和酒精在细胞膜上有多个共同的靶点，如大麻素CB1受体（Cannabinoid 1 receptor，CB1R）和甘氨酸受体（Glycine receptor，GlyR）[9-14]。CB1R被认为是中枢神经系统中最丰富的G蛋白偶联受体之一，广泛表达于神经元的轴突和突触末梢[9]。GlyR是一种抑制性、可通透氯离子的五聚体配体门控离子通道。突触部位的GlyR主要介导脊髓和脑干中的抑制性神经传递，而突触外部位的GlyR主要维持大脑的兴奋性内稳态[15,16]。CB1R和GlyR都与运动功能有着不可分割的联系。CB1R位于大脑的各个区域如小脑、背内侧纹状体和运动皮层，对运动功能如运动协调、运动学习和运动活动等至关重要[17,18]。GlyR功能受损会造成包括肌肉僵硬、肌阵痉挛、惊吓反应和痉挛在内的各种运动障碍[19-21]。虽然有证据表明THC和酒精可以激活或增强CB1R和GlyR的功能，但这两个受体是否参与THC和酒精协同导致运动失调尚不清楚。

2022年9月15日，中国科学技术大学生命科学与医学部熊伟教授团队在Nature Metabolism期刊在线发表了题为“Combined alcohol and cannabinoid exposure leads to synergistic toxicity by affecting cerebellar Purkinje cells”的研究论文。该研究揭示了酒精和大麻素靶向小脑浦肯野细胞突触前的大麻素受体CB1R和突触外的GlyR协同导致运动失调的神经机制，并提出开发靶向突触外GlyR的新型药物，进一步加快了临床上对酒精和大麻滥用治疗的进程。

这篇最新的Nature Metabolism论文中，研究人员首先利用动物转棒行为范式在小鼠模型上证实了THC和酒精联用可以导致比单独使用酒精或者THC更严重的运动失调行为（图1a,b）。随后，研究人员通过c-Fos核团筛选发现小脑4/5Cb脑区的浦肯野细胞对THC和酒精协同导致的运动失调行为至关重要（图1c-f）。为了进一步阐明小脑4/5Cb的功能，研究人员利用脑区微注射技术直接将THC注射到小脑4/5Cb，发现脑区注射THC结合腹腔注射酒精，同样可以导致严重的失调行为（图1g,h）。最终，研究人员利用化学遗传学操控技术抑制或者激活小脑4/5Cb证实了小脑4/5Cb是THC和酒精协同导致运动失调行为的关键核团（图1i-m）。

图1 小脑4/5Cb区是酒精和大麻协同作用的关键核团

（图源：Zou, GC et al.,Nat Metab, 2022）

接下来，研究人员探究了小脑4/5Cb的CB1R和GlyR在THC和酒精协同强化运动失调行为中的作用。研究人员通过腹腔注射各种各样的阻断剂，发现腹腔注射CB1R的阻断剂AM251和GlyR的阻断剂士的宁（Strychnine）可以明显阻断THC和酒精导致的运动失调行为（图2a-c），而腹腔注射其它受体的阻断剂如AM630和tranilast则没有作用（图2d,e）。为了进一步阐明小脑4/5Cb区域CB1R的功能，研究人员利用脑区微注射技术直接将AM251注射到小脑4/5Cb，发现脑区注射AM251结合腹腔注射THC和酒精，同样可以阻断THC和酒精导致的失调行为（图2f,g）。为阐明小脑4/5Cb区域GlyR的功能，研究人员根据课题组早期研究成果，构建了一种转基因小鼠GlyRα1^S296A，这种转基因小鼠可以特异性的阻断THC对GlyR的增强作用。研究人员发现，这种转基因小鼠上腹腔注射THC和酒精协同导致的运动失调行为同样被显著阻断（图2h,i）。结合各种电生理实验，研究人员最终证实小脑4/5Cb浦肯野细胞突触前CB1R和突触外GlyR是酒精和大麻协同作用的关键靶点。

图2 小脑4/5Cb浦肯野细胞突触前CB1R和突触外GlyR是酒精和大麻协同作用的关键靶点

（图源：Zou, GC et al.,Nat Metab, 2022）

以上结果表明，阻断CB1R或者GlyR的拮抗剂可有效抑制THC和酒精协同导致的运动失调行为，因此具有治疗THC和酒精协同导致精神毒性的潜力。然而，CB1R或GlyR的拮抗剂不可避免地会引起焦虑、抑郁、癫痫等一系列精神方面的副作用，大大限制了相关药物的研发。双脱氧四氢大麻酚（Di-desoxy-THC，DDT）是一种去除羟基和氧基的化学改构四氢大麻酚（图3a），已被证明可以选择性地破坏THC-GlyR的相互作用，而不影响CB1R和GlyR的基本功能。因此，研究人员探究了DDT是否可以治疗THC和酒精协同导致的运动失调行为。研究人员通过电生理切片记录技术发现，DDT显著抑制THC和酒精联合导致的4/5Cb浦肯野细胞突触外GlyR介导的电流强化、并恢复了二者联用导致的神经元兴奋性下降（图3b-f）。更重要的是，研究人员发现DDT可以剂量依赖性的阻断THC和酒精联合导致的运动失调（图3g-i）而不产生任何毒性和精神副作用（图3j-s）。这些研究表明，DDT可以治疗酒精和大麻协同导致的神经毒性，具有很强的药用价值。

图3 DDT可以显著恢复THC和酒精联用导致的运动失调行为

（图源：Zou, GC et al.,Nat Metab, 2022）

图4工作总结图：酒精和大麻协同导致运动失调的神经机制

（图源：中国科学技术大学熊伟实验室）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，在这篇文章中，研究人员利用动物行为分析技术、化学遗传操控、脑区微注射、化学合成、小动物成像及质谱分析等技术在不同层面解析了四氢大麻酚（THC）和酒精协同导致运动失调的神经机制（图4）：第一，发现THC和酒精可以协同强化小脑突触前大麻素CB1受体（CB1R)和突触外甘氨酸受体（GlyR）等突触受体的功能，从而协同失活小脑浦肯野细胞，最终导致运动失调。第二，酒精可以增强THC通过细胞膜和血脑屏障的能力，从而导致大脑THC水平的大幅度升高。因此，THC和酒精协同导致的运动失调行为是酒精-THC在多个水平上相互作用的综合结果，从分子水平到细胞水平再到脑回路水平。

除小脑外，THC还被报道可以通过破坏纹状体的自噬引起运动失调。纹状体中的这种作用很可能也间接促进了THC和酒精协同导致的运动失调。虽然本研究发现THC和酒精的结合并不影响纹状体c-Fos的表达，但两者的结合可能协同影响纹状体的自噬，从而导致运动失调的发生。然而，纹状体中的自噬是否参与了THC和酒精联合导致的运动失调还有待进一步研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s42255-022-00633-6

第一作者邹桂昌（第一排右第6位），第一作者夏菁（第二排左第二位），通讯作者熊伟（第一排右第7位）

（照片提供自：中国科学技术大学熊伟实验室）

作者简介（上下滑动阅读） 

熊伟（通讯作者）

中国科学技术大学生命科学学院副院长、教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，“万人计划”科技创新领军人才，科技部“十三五”重点研发计划首席科学家。熊伟教授课题组长期从事神经生物学及神经化学领域的相关科学研究，研究方向包括：脑衰老与神经退行性疾病、神经环路与神经代谢调控、新型代谢组学技术研发、离子通道调控等，并取得系列重要研究成果。研究成果发表在Cell, Nature Methods，Nature Metabolism，Nature Neuroscience，Nature Chemical Biology，Nature Communications，Journal of Experimental Medicine，PNAS，Cell Reports等国际学术期刊上。工作入选2018年度“中国生命科学十大进展”。获得过科技部重点研发计划、基金委重点项目等多项国家级基金资助。

邹桂昌（第一作者）

中国科学技术大学邹桂昌副研究员长期从事抑制性离子通道如GlyR参与各类神经系统疾病发病机制的研究，在Nature Metabolism，Nature Communications，PNAS，Cell Reports，iScience，Journal of Biological Chemistry，Molecular Brain等杂志发表一系列高水平文章。获得博士后基金及国自然基金资助。

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参考文献（上下滑动阅读） 

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本文完