Nat Commun︱陈忠/汪仪团队揭示星形胶质细胞参与癫痫发作的新机制

撰文︱赵俊利

编辑︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

癫痫是神经系统最常见的疾病之一，困扰了全球近1%的人口，并有近1/3的患者症状难以被抗发作药物控制而成为耐药性癫痫[1]。其中，皮层癫痫是较为常见的耐药性癫痫类型，因此需要关于其发病机制及治疗靶点的研究尤为迫切。经典癫痫发作机制的研究主要集中在神经元的“兴奋-抑制”失衡上，而且现有的抗发作药物也几乎全是以神经元为药物作用靶点。近年来，越来越多的研究发现“星形胶质细胞-神经元”的相互作用在癫痫中扮演了重要角色[2]。然而，研究人员一直无法明确星形胶质细胞在癫痫发生和发展过程中的角色，主要归因于目前缺少特异性的手段调控星形胶质细胞，精准区分开星形胶质细胞对周围神经元的影响[3]。

近日，浙江大学/浙江中医药大学的陈忠教授和汪仪研究员团队在Nature Communications杂志在线发表了题为“Activated astrocytes attenuate neocortical seizures in rodent models through driving Na⁺-K⁺-ATPase”的研究论文。团队前期一直从事癫痫的发病机制解析与治疗药物靶点的发现研究，重点关注癫痫发病中以海马下托为核心的的神经环路“兴奋-抑制”平衡机制与调控治疗策略及药物新靶点研究。本研究在前期研究的基础上，进一步揭示星形胶质细胞参与癫痫发作的机制，研究发现该研究通过光遗传学手段特异性激活皮层星形胶质细胞的Na⁺-K⁺-ATPase，从而达到治疗新皮层癫痫的效果，为难治性癫痫治疗提供了新的思路和潜在靶点。（拓展阅读：陈忠&汪仪团队最新进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Nat Commun | 陈忠团队揭示下托参与颞叶癫痫发病的环路及分子机制；Research︱陈忠团队揭示外侧下丘脑CaMKIIα+神经元调控捕食行为的环路机制；Current Biology︱陈忠团队在组胺调控摄食机制方面取得新成果：H2受体依赖的内侧隔核组胺能回路；Sci Adv︱陈忠团队提出癫痫药物治疗新思路：电响应型聚多巴胺纳米递药系统）

首先，研究者们将光敏感通道蛋白ChR2特异性表达到小鼠皮层的星形胶质细胞中，并利用皮层癫痫KA（海人酸）模型发现，在癫痫发生的不同时期给予蓝光刺激，包括全程、早期和后期（早期和后期以癫痫2级为分界点），均可以达到抗皮层癫痫的作用。进一步，研究者们在癫痫灶点的对侧给予蓝光刺激，发现仍然可以发挥抗癫痫作用（图1），这些结果提示光刺激星形胶质细胞可以发挥长时程抗癫痫作用并抑制癫痫传播。

 图1 光遗传刺激ChR2表达的星形胶质细胞减轻皮层癫痫发作

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

那么，光遗传学刺激星形胶质细胞是否影响了神经元的活动呢？研究者们利用在体单细胞活动记录的方式，在蓝光刺激星形胶质细胞的同时记录周围锥体兴奋性神经元的活动。有意思的是，蓝光刺激星形胶质细胞可以活动依赖性地抑制神经元的活动，即放电频率低的神经元对光的响应呈现异质性，而放电频率高的神经元则被抑制的程度明显。而且，蓝光停止刺激星形胶质细胞后，对神经元的抑制作用仍然会持续一段时间。在KA诱导的癫痫发作状态时，脑内神经元会变得高度同步化放电，此时蓝光刺激星表达ChR2的星形胶质细胞可以显著并长时程地抑制神经元的活动（图2）。

图2 光遗传刺激星形胶质细胞活动依赖性抑制皮层锥体细胞活动

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

既然光遗传学刺激星形胶质细胞是通过抑制兴奋性神经元发挥作用，为什么不直接抑制皮层的兴奋性神经元呢？研究者们接着采用光遗传学方式直接抑制皮层兴奋性神经元（将ArchT表达于兴奋性的锥体神经元），与刺激星形胶质细胞的模式一致，全程光遗传学选择性抑制锥体神经元可以起到类似的抗癫痫的作用。但是，如只在癫痫早期或是后期抑制锥体神经元并不能起到抗癫痫作用。同时，在癫痫灶点对侧抑制锥体神经元也不会产生抗癫痫的效果（图3）。研究者们还发现，与光刺激星形胶质细胞不同，光抑制神经元会损伤小鼠的运功功能。这些结果表明，光遗传学直接抑制兴奋性神经元的抗癫痫作用时间窗窄，无法起到长时程抗癫痫发作和传播的效果，而且还存在影响运动功能的副作用。

图3 光遗传学抑制皮层兴奋性神经元减轻皮层癫痫，但时间窗较窄

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

那么，光遗传学刺激星形胶质细胞是如何影响了神经元的活动呢？由于ChR2可以通透阳离子，使得Ca²⁺，Na⁺等阳离子顺浓度梯度流入细胞内[4]。其中，星形细胞Ca²⁺信号增加在胶质递质释放和神经元活性调节中起着至关重要的作用[5]。因此研究者们首先利用了药理学手段阻断了星形胶质细胞中的Ca²⁺信号，发现阻断星形胶质细胞的Ca²⁺信号无法逆转光刺激所产生的抗癫痫效果。接着，研究者们利用化学遗传学特异性激活星形胶质细胞的Ca²⁺信号，发现增强星形胶质细胞的Ca²⁺不仅无法起到模拟抗癫痫的效果，反而在早期促进癫痫的发生（图4）。以上结果表明，星形胶质细胞的Ca²⁺信号本身参与癫痫早期发作，但是不介导光刺激星形胶质细胞所产生的抗癫痫作用。

图4 光遗传学刺激星形胶质细胞的抗癫痫作用不依赖于Ca²⁺信号

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

那么，是什么介导了刺激星形胶质细胞的抗癫痫作用呢？研究者们做了一个假设，由于ChR2也会将Na⁺通透到细胞内，进入细胞的Na⁺是否会激活星形胶质细胞的Na⁺-K⁺-ATPase，从而将胞外环境中过量的K⁺缓冲到星形胶质细胞内呢？为了验证这一想法，研究者们使用了药理学手段和shRNA基因学手段，阻断了星形胶质细胞中的Na⁺-K⁺-ATPase的a2亚基，结果显示光刺激星形胶质细胞所产生的抗癫痫作用被逆转了。而且，阻断星形胶质细胞中的Na⁺-K⁺-ATPase同时可以逆转单细胞记录中对神经元的抑制作用。进一步研究发现，光遗传学刺激星形胶质细胞时，胞外脑脊液中的K⁺浓度降低，并且通过星形胶质细胞的缝隙连接产生了抗癫痫广泛网络（图5）。

图5 星形胶质细胞的Na⁺-K⁺-ATPase介导了光遗传学刺激星形胶质细胞的抗癫痫作用

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

研究者们最后在大鼠慢性的局灶性皮质发育不良（FCD）模型中进一步验证了光遗传学刺激星形胶质可以逆转FCD模型的癫痫易感性（图6）。由于FCD是难治性皮层癫痫的重要诱因，这一结果提示星形胶质细胞的Na⁺-K⁺-ATPase是治疗难治性癫痫的重要靶点。

图6 光刺激星形胶质细胞通过Na⁺-K⁺-ATPase逆转了大鼠FCD模型的癫痫易感性

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

图7 光遗传学激活星形胶质细胞通过Na⁺-K⁺-ATPase抗癫痫的总结图

（图源：Zhao et al., Nat Commun, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究首次发现与直接抑制神经元相比，光遗传学激活星形胶质细胞所展现出来的抗癫痫作用，具有以下几个优势：（1）抗癫痫作用的治疗窗宽，在癫痫发病的早期或是晚期进行光遗传学激活星形胶质细胞均可以产生治疗作用；（2）抗癫痫作用空间范围广泛，在癫痫灶点的远侧激活星形胶质细胞仍可以有效降低癫痫发作；（3）抗癫痫作用的同时对正常生理功能无明显影响。机制上，本研究进一步发现光遗传学激活星形胶质细胞可以活动依赖性地抑制癫痫发作中的高频放电的锥体神经元。这一作用与经典的星形胶质细胞Ca²⁺介导的胶质递质无关，而是与星形胶质细胞上Na⁺-K+- ATPase功能增强，进而介导癫痫发作时细胞外大量的钾离子缓冲而降低神经兴奋性密切相关。该效应可以进一步通过星形胶质细胞之间的缝隙连接所形成的广泛网络发挥抗癫痫作用（图7）。这些结果提示光遗传学手段特异性激活皮层星形胶质细胞增强Na⁺-K⁺-ATPase功能从而达到治疗新皮层癫痫的作用，提示星形胶质细胞的Na⁺-K⁺-ATPase可能是癫痫治疗的潜在干预靶点。

当然，本研究还存在一些有待进一步需要解决的问题。比如：目前基于星形胶质细胞的光调控策略是否能适用于其他类型癫痫，如耐药率较高的颞叶癫痫，还有待明确。同时，用其他光响应的阳离子通道来代替本文所用ChR2是否也具有类似效果还不清楚。光遗传学调控本身较难应用于临床，后续进一步开展针对星形胶质细胞Na+-K+-ATPase（或其亚基）为靶点的选择性激动剂可能是具有较好前景的方向。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34662-2

该研究的第一作者为赵俊利博士和硕士研究生孙进一，陈忠教授和汪仪研究员为本文的通讯作者。研究受到了国家科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金优青项目、浙江省自然科学基金重大项目等项目资助。

陈忠教授/汪仪研究员团队

（照片提供自：陈忠教授/汪仪研究员团队课题组）

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参考文献（上下滑动阅读）

1. Devinsky, O., et al., Epilepsy. Nat Rev Dis Primers, 2018. 4: p. 18024.

2. Patel, D.C., et al., Neuron-glia interactions in the pathophysiology of epilepsy. Nat Rev Neurosci, 2019. 20(5): p. 282-297.3. Khakh, B.S. and M.V. Sofroniew, Diversity of astrocyte functions and phenotypes in neural circuits. Nat Neurosci, 2015. 18(7): p. 942-52.4. Nagel, G., et al., Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003. 100(24): p. 13940-5.5. Robel, S. and H. Sontheimer, Glia as drivers of abnormal neuronal activity. Nat Neurosci, 2016. 19(1): p. 28-33.

本文完