光遺傳學(xué)技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進展

傅夢蝶，朱丹吉，楊國利，姜治偉

光遺傳學(xué)技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)等研究領(lǐng)域中，因高時空分辨率、高精確性的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用[1]。2005年，有學(xué)者首次在神經(jīng)元中構(gòu)建了一種光敏離子通道，通過光刺激成功激活了神經(jīng)元，開創(chuàng)了光遺傳學(xué)技術(shù)的研究時代[2]。

在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，光遺傳學(xué)技術(shù)作為一種混雜因素少、精準度高的刺激工具，已在味覺系統(tǒng)、三叉神經(jīng)痛和頜面部肌肉神經(jīng)支配等研究中得到應(yīng)用。除了引起神經(jīng)元的沖動傳導(dǎo)，光遺傳刺激還可以在非神經(jīng)組織中引起細胞超極化而導(dǎo)致顱面發(fā)育畸形[3]或促使人牙髓干細胞向神經(jīng)元樣細胞分化[4]。本文現(xiàn)將光遺傳學(xué)技術(shù)近年來在口腔醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用進展綜述如下。

1 光遺傳學(xué)概述

1.1 光遺傳學(xué)相關(guān)的基本概念

光遺傳學(xué)是光學(xué)、遺傳學(xué)、電生理學(xué)等多種學(xué)科的結(jié)合，通常指的是利用光控蛋白對目的蛋白進行具有高度時間和空間分辨率的光學(xué)控制[1,5-6]。其主要的媒介是可以接受光刺激以調(diào)節(jié)細胞活動的光控蛋白——視蛋白依賴的視紫紅質(zhì)和非視蛋白依賴的光控蛋白[7-8]。前者分為通道視紫紅質(zhì)(channelrhodopsin, ChR)和古紫質(zhì)(archaerhodopsin 3, Arch)等[6]；后者包括隱花色素、光敏色素和依賴于光-氧-電勢結(jié)構(gòu)域(light-oxygen-voltage sensing domain)的變構(gòu)蛋白等[8]。

光遺傳學(xué)技術(shù)應(yīng)用的基本過程是在目標細胞群表達特定光控蛋白后，給予光刺激，使蛋白的構(gòu)象變化，從而引發(fā)一系列下游反應(yīng)[9-10]。

1.2 光遺傳學(xué)在多領(lǐng)域中的應(yīng)用

光遺傳學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的各領(lǐng)域，如活細胞成像[11]、生物發(fā)光[12]等。以往的研究多采用化學(xué)或機械信號刺激細胞[13]，不具有高時空分辨率，且據(jù)此設(shè)計的實驗往往存在較多的混雜因素。而光遺傳學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了對特定細胞內(nèi)不同靶基因和信號通路的直接、精準調(diào)控[14]。

在臨床治療方面，光遺傳學(xué)技術(shù)也廣泛應(yīng)用。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，光遺傳學(xué)技術(shù)可以通過刺激神經(jīng)元來幫助改善視覺和聽覺障礙[15-16]，也可以通過選擇性刺激迷走神經(jīng)，防止腎臟受到缺血再灌注的損傷[17]。在心臟電生理學(xué)領(lǐng)域，相比起電復(fù)律和導(dǎo)管消融治療，光遺傳學(xué)技術(shù)可以更無創(chuàng)且精確地刺激心肌細胞來實現(xiàn)心臟再同步[18-19]。一種可植入的無線光遺傳學(xué)裝置[20]可以高度選擇性地激活脂肪組織產(chǎn)熱。此外，光遺傳學(xué)技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如癲癇、抑郁癥等)的治療中也表現(xiàn)出了較好的應(yīng)用潛力[1,21-24]。

2 光遺傳學(xué)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 光遺傳學(xué)技術(shù)與味覺系統(tǒng)

在光遺傳學(xué)技術(shù)相關(guān)的味覺系統(tǒng)研究中，味覺細胞和味覺傳導(dǎo)通路是研究熱點。有研究用可見光刺激表達谷氨酸脫羧酶(GAD65+)的Ⅰ型味蕾細胞，發(fā)現(xiàn)其可以傳導(dǎo)咸的感覺[25]。但另一項研究的結(jié)果[26]與之相悖。他們通過藍光刺激 GAD65Cre/ChR2小鼠的鼓索神經(jīng)發(fā)現(xiàn)，介導(dǎo)咸味的細胞不一定都是Ⅰ型味蕾細胞。除了正常的咸味傳導(dǎo)通路，口腔中其他令人厭惡的刺激處理也利用了光遺傳學(xué)技術(shù)來進行研究。有學(xué)者通過光刺激表達了ChR2-YFP的Ⅲ型味蕾細胞，發(fā)現(xiàn)其是口腔中令人厭惡刺激的感受神經(jīng)元之一[27]。將帶有ChR2和Arch基因的病毒精準地注射入小鼠的眶額葉皮層[28]，并用藍光和黃光激活其中的神經(jīng)元，可以增加小鼠對高鹽溶液的厭惡感。另一項研究通過藍光刺激了表達ChR2的酸感受性味覺細胞，在口腔環(huán)境內(nèi)沒有水的情況下也成功誘發(fā)出了小鼠的飲水反應(yīng)，從而確定了該型味覺細胞在介導(dǎo)酸味傳導(dǎo)的同時也介導(dǎo)對水的味覺反應(yīng)[29]。在中樞層面，學(xué)者們將ChR2通道引入野生型小鼠的腦島內(nèi)，證實了味覺系統(tǒng)的大腦皮層即使在沒有外界刺激輸入的情況也具有整合復(fù)雜行為的能力[30]。而另一項研究則指出味覺會因饑餓等其他高級感覺的影響而發(fā)生改變[31]。

不同于其他研究中的可見光刺激，紅外線刺激[32]是具有創(chuàng)新性的光遺傳學(xué)技術(shù)。相比ChR2等所需的可見光，紅外線刺激具有更好的組織穿透力，而且在動物的行為研究中，紅外線可以減少可見光帶來的潛在干擾。

在以上研究中，光遺傳學(xué)技術(shù)均有效地避免了在味覺系統(tǒng)研究中的傳統(tǒng)刺激方法存在的多種混雜因子的影響，如體表感覺、溶液滲透壓、嗅覺等[25]，具有明顯的優(yōu)勢。

2.2 光遺傳學(xué)技術(shù)與三叉神經(jīng)痛

三叉神經(jīng)痛(trigeminal neuralgia，TN)是指在三叉神經(jīng)分布區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)陣發(fā)性、電擊樣的疼痛。其發(fā)作時間較短，雙側(cè)同時發(fā)作少見[33]。光遺傳學(xué)技術(shù)在針對TN的痛覺傳導(dǎo)通路及尋找臨床鎮(zhèn)痛靶點的研究中獲得了廣泛應(yīng)用。

在TN的痛覺傳導(dǎo)通路方面，有研究利用光遺傳學(xué)技術(shù)探索了痛覺處理中樞——前扣帶回皮質(zhì)中多巴胺受體對于TN的調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)光激活表達多巴胺受體D2的神經(jīng)元可以顯著地緩解疼痛。激活D1的效應(yīng)則恰恰相反，表達D1的神經(jīng)元在光遺傳激活后會明顯加劇三叉神經(jīng)的病理性疼痛[34]。

在研究臨床TN鎮(zhèn)痛靶點方面，通過病毒轉(zhuǎn)染使谷氨酸能神經(jīng)元表達光抑制基因——鹽系菌視紫紅質(zhì)(halorhodopsin，NpHR)，TN組在黃綠光刺激后能提高扳機點的機械閾值，并減少丘腦的異常放電[35]。這項研究說明通過抑制性光遺傳學(xué)工具，在臨床上可以構(gòu)建一種“光學(xué)手術(shù)刀”療法有效減輕機械性TN。另一種“光刀”的設(shè)想[36]是通過光遺傳學(xué)技術(shù)刺激初級運動皮層中表達ChR2的神經(jīng)元，對TN產(chǎn)生了明顯的鎮(zhèn)痛作用。除了前述的兩個皮層，另一內(nèi)源性鎮(zhèn)痛門戶——中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)腹外側(cè)區(qū)中的神經(jīng)元也有望成為TN的鎮(zhèn)痛靶點之一。用含有CamKIIα啟動子的ChR2偶聯(lián)病毒轉(zhuǎn)染興奮性vlPAG神經(jīng)元后[37]，對其進行光刺激也可以明顯改善TN。

傳統(tǒng)的TN鎮(zhèn)痛療法包括運動皮層刺激療法和腦深部刺激。這兩種療法的耐受性隨時間逐漸增加，且治療特異性較低[36-38]。而新提出的“光刀”法為特異性更高、精確性更高、療效更強且療效維持時間更長的TN治療方法提供了依據(jù)。

2.3 光遺傳學(xué)技術(shù)與頜面部肌肉運動

頜面部肌肉的神經(jīng)支配是另一個利用了光遺傳學(xué)技術(shù)的口腔醫(yī)學(xué)研究熱點。一項研究發(fā)現(xiàn)對三叉神經(jīng)脊髓核口腔部投射的神經(jīng)元進行光遺傳學(xué)刺激，可以同時激活小鼠的二腹肌、固有觸須肌和咀嚼肌[39]。另一項研究則發(fā)現(xiàn)在光遺傳刺激下，三叉神經(jīng)運動前神經(jīng)元在靜息狀態(tài)或咀嚼過程中均可以激活雙側(cè)閉口肌并維持其基礎(chǔ)肌張力[40]。

當失去面神經(jīng)支配時，面部表情肌往往會萎縮并喪失功能。但切斷小鼠面神經(jīng)后，光遺傳技術(shù)直接刺激癱瘓的須墊肌[41]，肌肉產(chǎn)生的收縮甚至比有神經(jīng)支配時的振幅更大、頻率更高且疲勞更少。相比起用傳統(tǒng)的功能性電刺激來恢復(fù)面癱后的肌肉功能，光遺傳學(xué)技術(shù)可以直接而安全地刺激肌肉，且在神經(jīng)嚴重損傷時仍然適用。

3 結(jié)論與展望

在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，光遺傳學(xué)技術(shù)作為一種施加刺激的工具，相比起傳統(tǒng)的刺激方法，引入的混雜因子更少，且時空分辨率更高。雖然光遺傳學(xué)技術(shù)尚存在缺點，如現(xiàn)有的光遺傳學(xué)工具無法操縱所有神經(jīng)元、病毒轉(zhuǎn)染時存在溢出目標區(qū)域的可能性等[8, 32]，但這一技術(shù)的應(yīng)用仍有力地推動了口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，幫助進一步闡明了味覺神經(jīng)傳導(dǎo)通路、TN的調(diào)節(jié)機制、頜面部的神經(jīng)肌肉支配，并幫助確定了更多TN的臨床鎮(zhèn)痛靶點。但遺憾的是，口腔醫(yī)學(xué)的其他領(lǐng)域尚未有應(yīng)用光遺傳學(xué)技術(shù)的文獻報道。在未來，相信會有更多領(lǐng)域?qū)⒐膺z傳學(xué)技術(shù)納入研究之中，為闡明更多口腔疾病的發(fā)病機理與發(fā)展更為先進的治療方法作出貢獻。