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细胞“电站”失衡,怎样牵动吗啡戒断?

The Journal of clinical investigation · 2024-01-18

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Journal of Clinical Investigation · 研究前沿

细胞“电站”失衡,怎样牵动吗啡戒断?

从吗啡响应细胞到线粒体碎片化,小鼠研究把戒断反应与细胞内部的结构变化联系起来,并找到减轻部分戒断表现的新线索。

原论文图13局部:吗啡响应多巴胺细胞示意

吗啡能够缓解疼痛,反复使用后停药,却可能带来另一种困扰:身体不适、回避与焦虑样表现接踵而来。大脑里哪些细胞参与这种转变,它们内部又发生了什么?2024年1月18日发表于 Journal of Clinical Investigation 的研究,把目光放在小鼠腹侧被盖区(VTA)中初次吗啡暴露时被招募的多巴胺细胞群。线索一路深入到线粒体——这些常被称为细胞“电站”的结构,既提供能量,也不断分裂、融合和重塑。研究发现,反复吗啡暴露后,特定响应细胞中的线粒体变得更碎,相关融合基因表达下降。围绕这套动态结构展开干预,部分戒断行为也随之减轻。

关键发现

吗啡响应多巴胺细胞的线粒体变化与戒断发展相联系。提高这些细胞的Mfn1表达,或在反复给药期间干预线粒体分裂,可减轻部分身体与负性情绪相关表现。

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最初被吗啡招募的细胞,后来变得安静了

VTA的多巴胺细胞并非整齐划一地响应药物。这项研究追踪的Mor-Ens,是初次吗啡暴露时被活动标记的一群细胞。反复给药后,它们自发钙活动事件的出现频率下降,提示这组细胞的群体活动状态发生改变。

在戒断相关行为测试中,增强这群细胞的活动,小鼠对戒断关联场景的回避减弱,在高架十字迷宫开放臂停留更久,运动距离没有显著变化。响应细胞的活动与负性行为由此建立起联系,也引出了更深一层的问题:是什么让它们的状态变了?

原论文图 1响应细胞的活动与戒断相关行为
响应细胞的活动与戒断相关行为
图1展示反复吗啡暴露后钙事件频率下降,以及增强Mor-Ens活动后场景厌恶和焦虑样表现减轻。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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“电站”的变化,出现在多个层面

转录组比较把线索指向线粒体呼吸、结构和氧化还原相关过程。进一步观察发现,Mor-Ens中的硝基酪氨酸信号增强,反映氧化应激相关变化;刺激诱发的线粒体钙摄取响应则减弱。线粒体的改变,不只有外形这一面。

在VTA组织层面,多个呼吸指标下降。这些组织结果与特定细胞群中的信号变化相互补充:前者呈现局部组织的能量代谢状态,后者让研究进一步定位到吗啡响应细胞。来自不同尺度的线索,共同把细胞内部的线粒体推到了故事中心。

原论文图 3氧化应激、诱发钙响应与组织呼吸
氧化应激、诱发钙响应与组织呼吸
图3显示Mor-Ens硝基酪氨酸信号升高、诱发线粒体钙响应下降,以及VTA组织呼吸指标降低。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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停药之后,碎片化仍然留在树突里

线粒体不是固定不动的独立颗粒。分裂与融合帮助它们调整形态、分配功能。反复吗啡暴露后,Mor-Ens树突里的线粒体更短、面积更小,长宽比也下降;这些变化在戒断第1天和第21天仍能观察到。

与这种持久变化相呼应,融合相关基因Mfn1的表达下降,转录信号降低可持续到戒断数周。与此同时,VTA神经元中的线粒体自噬相关信号增强。结构重塑、融合能力相关表达和清除过程的变化,使戒断的细胞图景显得更丰富。

原论文图 4树突线粒体的持续形态变化
树突线粒体的持续形态变化
图4呈现Mor-Ens树突线粒体的碎片化及其持续性;线粒体自噬信号来自更广泛的VTA神经元记录。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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把Mfn1表达提起来,身体反应随之减轻

研究进一步提高Mor-Ens多巴胺细胞中的Mfn1表达。随后,这群细胞的硝基酪氨酸信号减弱,氧化应激相关标记下降,身体层面的戒断表现也出现变化。围绕一个融合相关分子展开的干预,将细胞内部变化与行为结果联系起来。

雌雄小鼠在纳洛酮诱发戒断时,体重下降、腹泻、跳跃、湿狗样抖动和身体震颤等表现减轻,竖毛没有显著改善。不同身体指标呈现不同变化,说明这条分子线索能够影响戒断的多个侧面,作用范围也有其具体边界。

原论文图 6Mfn1增强与身体戒断表现
Mfn1增强与身体戒断表现
图6展示提高Mfn1表达后的氧化应激相关信号下降,以及雌雄小鼠多项身体戒断表现减轻。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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场景不再那么令人回避,新同伴也更有吸引力

Mfn1增强的影响还延伸到戒断后的行为:小鼠较少回避与戒断相伴的场景,悬尾测试中的不动时间缩短,高架十字迷宫开放臂停留增加。这些变化出现在雌雄动物中,整体运动距离没有显著改变。

面对熟悉与陌生同伴时,小鼠的社会新奇偏好增强;基础社会偏好没有显著变化。身体戒断与负性情绪相关测试的结果相互呼应,让特定细胞群中的Mfn1成为理解戒断发展的一个重要切入点。

原论文图 7回避、焦虑样行为与社会新奇偏好
回避、焦虑样行为与社会新奇偏好
图7比较雌雄小鼠的场景厌恶、运动、悬尾、高架十字迷宫和社会新奇偏好表现。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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另一条路线:让线粒体不那么容易碎

研究使用线粒体分裂干预化合物Mdivi-1,在反复吗啡给药期间进行干预。VTA组织的多项呼吸指标改善,Mor-Ens树突线粒体的长度、面积与长宽比也提高。形态与功能线索一起变化,为这条干预路线提供了支持。

细胞放电和突触输入也出现相应变化:原本降低的自发与诱发放电、兴奋性与抑制性电流比值得到改善。Mdivi-1是在全身给药条件下发挥作用,其影响可能涉及多个细胞和靶点;特定响应细胞的变化,是这幅作用图景中的关键观察。

原论文图 8呼吸指标与线粒体形态改善
呼吸指标与线粒体形态改善
图8展示给药期间Mdivi-1干预后的VTA组织呼吸变化,以及Mor-Ens树突线粒体形态改善。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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身体与情绪都有变化,效果各有侧重

Mdivi-1减轻雌雄小鼠的腹泻、抖动、震颤、倒退行走等表现,但体重下降没有显著改善,跳跃减少主要见于雌性。停药后的场景回避、悬尾不动和开放臂回避也减轻,社会偏好增强,整体运动距离没有显著变化。

药物相关学习和寻药也并非同时改变。Mdivi-1降低吗啡条件性位置偏好,未显著改变自给药的获得过程或停药24小时的寻药测试,却降低了停药14天时的活跃鼻触反应。细胞状态的干预,呈现出依赖时间与行为指标的效果。

原论文图 10Mdivi-1与多种戒断相关行为
Mdivi-1与多种戒断相关行为
图10展示Mdivi-1对身体戒断及负性情绪相关表现的影响;体重下降未显著改善。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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保留镇痛的线索,与仍待解决的问题

在热板和甩尾测试中,Mdivi-1未显著改变吗啡的急性镇痛效应,反复给药后的镇痛耐受则有所减轻。不过,呼吸抑制与便秘没有得到显著改善。这组结果让线粒体动态成为一个值得继续研究的方向,同时呈现不同阿片效应的分离。

从吗啡响应细胞到线粒体结构,再到戒断行为,这项小鼠工作连接起不同尺度的变化。主要干预围绕反复药物暴露期间展开,为减轻戒断的发展提供了实验线索。能否在戒断已经形成后取得持续效果,怎样提高作用的细胞与分子针对性,以及这些发现能否走向人类研究,仍是下一步的重要问题。

原论文图 12镇痛、耐受及其他阿片相关效应
镇痛、耐受及其他阿片相关效应
图12比较急性与反复给药镇痛效应,以及呼吸抑制和便秘;后两项未显著改善。
来源:Jiang C et al. · The Journal of clinical investigation · CC BY
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论文信息

Jiang C, Huang H, Yang X, Le Q, Liu X, Ma L, Wang F.
Targeting mitochondrial dynamics of morphine-responsive dopaminergic neurons ameliorates opiate withdrawal
The Journal of clinical investigation · 2024-01-18
DOI: 10.1172/jci171995