引用本文： 高杰, 鄧艷. 未來癲癇領域的新療法——光基因神經調控技術. 癲癇雜志, 2015, 1(3): 229-231. doi: 10.7507/2096-0247.20150038 復制
1979年著名分子生物學家Crick曾表示：“神經科學領域存在的最大挑戰就是需要一種可以調控一類細胞而使其他細胞功能不受影響的手段”。光基因神經調控技術是運用光遺傳學和基因工程學，對特定的神經回路實現多模態高精度的調控，對神經回路進行精確的干預[1-5]。光遺傳學的基礎是光敏蛋白，它是用光操縱大腦活動的技術，在過去的幾年里，光遺傳學的豐富先進知識促使我們了解了動物神經活動模式和行為之間的因果關系。該技術的原理是將一種光敏感蛋白基因加上特異的啟動子序列，通過轉染技術導入到特定的神經元細胞中，并通過不同波長的藍光或黃光照射刺激，改變生物體內該神經元細胞的電生理活動，進而調控其所在的整個神經通路[6-10]。目前在神經科學領域中較為常用的光敏感蛋白有ChR2和NpHR兩種, 本質均為離子通道，光照后通道激活，膜內外離子流動而致膜電位發生改變[11-13]。利用光基因技術控制神經元的活動，擁有無傷害、分辨率高、非侵入、可定量重復，以及使用簡單等特點，廣泛應用于各個研究領域。本文將對光基因神經調控技術在癲癇領域中的研究進展進行系統闡述。
1 光基因神經調控技術在癲癇動物模型中的研究
通過建立一個大鼠大腦皮質卒中后，導致繼發性丘腦損傷所引起的癲癇發作的實驗動物模型，神經電沖動上傳至大鼠大腦皮層的抑制性功能區，導致丘腦抑制性網狀神經元的興奮性下降，從而導致丘腦內神經網絡過度興奮，產生癲癇樣異常放電，導致臨床上癲癇事件的發生。采用閉環神經刺激的方法，探測癲癇樣放電進而觸發光基因刺激丘腦，使癲癇發作終止[14]。在該模型中，黃光通過光纖維傳輸至顱內，刺激表達視蛋白NpHR的神經元，從而達到
終止發作的目的。光基因刺激技術可以對神經元進行細胞特異性的興奮或者抑制性調節，可能是未來難治性癲癇的一種潛在治療手段。通過對致癇區神經元的光調控，可以及時終止癲癇發作，類似于置入式的心臟除顫器，該手段是一種有前途的新平臺。也有在動物模型中通過在海馬或皮層下導入NpHR，經黃光照射引起神經元的超極化，調控異常動作電位的發放從而控制癲癇樣活動[15]，在某些藥物無效難治性癲癇中，光敏感基因的神經元為治療癲癇提供了新的治療策略。此類實驗的成功，更加激勵了科學家們努力將此項技術積極的向臨床應用推進的信心。
2 研究進展
國內研究該技術領域的機構很少，目前僅有中國科學院先進技術研究院對這一新型技術進行深入研究。國外有多篇文獻報道光基因神經調控技術對大腦致癇區域內異常神經元的抑制，通過不同波長的藍光或黃光對神經回路進行精密的調節，從而對癲癇進行控制實現無發作。有文獻指出，通過建立一個耐藥的海馬模型來模擬臨床上難治性癲癇患者的海馬組織，通過導入NpHR到錐體細胞和海馬組織中的顆粒細胞，經特定波長的黃光照射后引起海馬組織內特定區域異常興奮的神經元興奮性降低，使得神經網絡及回路中的異常放電得到迅速有效的抑制，從而控制癲癇的發作[16, 17]。甚至在一些情況下可以達到無發作的狀態，因此光基因神經調控技術在治療癲癇領域成為一個具有重要意義的新概念。此外，NpHR在運動皮層錐體細胞中的表達和黃光刺激20 s后，在自由活動大鼠中可以減少由破傷風毒素注射后誘發的高頻活動[13]。在另一項研究中[5]表達ChR2的細胞激活可能會使癲癇活動得到抑制，ChR2表達的神經元被約10Hz藍光刺激能夠抑制在大鼠中的棘波樣放電，而該大鼠模型正如臨床上癲癇患者中的失神樣發作。在體內，高頻異常的癲癇樣放電活動可以通過使用ChR2的神經元進行同步干擾而被中斷。除了抑制興奮性細胞與光遺傳學，選擇性和精確性調控也可以成為抑制癲癇發作的潛在策略[5, 13]。在皮質區至少有16種抑制性的中間神經元，一些中間神經元的亞型提供抑制作用于錐體細胞的樹突遠端，而其他亞型通過作用于近端樹突、胞體和軸突起始段，通過光基因神經調控技術可以精準快速識別準確定位，來提高選擇性的抑制興奮神經元[5, 13, 18]。光基因神經調控技術抑制癲癇發作還可以具有如下的兩個策略，即抑制內源性興奮性細胞，或激活內源性γ-氨基丁酸(GABA)能中間神經元。并且這兩種方法可以結合起來同時應用[6, 19, 20]。總而言之，光遺傳學策略確實可以讓臨床相關的某些類型的局灶性癲癇實現發作抑制，這個方向的進一步研究值得鼓勵其具有許多吸引人的特點，但這還需要不斷的探索和驗證。
3 臨床應用前景
藥物、手術、迷走神經刺激治療等一系列方法仍然讓一些難治性癲癇患者無法擺脫困境，藥物的長期副作用甚至讓患者難以耐受，同時也為患者增加了各種負擔。通過光基因技術對神經元導入能夠表達光敏感蛋白的ChR2和NpHR基因，由于這兩種基因的光活化譜較少重疊，已有文獻報道聯合ChR2和NpHR基因可以進行雙向聯合控制神經細胞的活動，實現無創性光學控制神經細胞[21]。可將攜帶光感基因的載體導入到大腦內異常放電的神經元細胞中，興奮性投射神經元能夠被NpHR基因所表達的蛋白選擇性抑制，表達ChR2的GABA能抑制中間神經元，經過不同的波長照射后可以促進這種神經元異常放電的抑制作用，通過該項技術可以選擇性的抑制大腦內有致癇灶神經元的整體興奮性，甚至能打斷異常神經元活動的過度同步，從而有效抑制甚至完全阻斷了癲癇發作[22]。然而，臨床實際中增強γ-GABA釋放的結果在某些情況下可能會產生相反的效果, 通過增加神經元網絡的同步活動, 反而會誘發癲癇發作[6, 23]。因此，需要詳細的光基因技術去研究探索不同種群的中間神經元的特定角色和中間神經元被激活的特定模式，這將會是有效地抑制癲癇發作的一個重要臨床機制[24-28]。
光基因神經調控技術在癲癇領域所擁有的優點是其他治療方法所無法比擬的。首先，通過光刺激的神經元能夠快速以毫秒級的速度抑制異常放電的大腦神經元，為臨床癲癇持續狀態及藥物難以控制的難治性癲癇帶來了福音，避免了因發作而造成的惡性循環及意外事件的發生。其次，光基因神經調控技術具有準確定位、快速識別異常的致癇灶、對大腦內正常的神經元無影響的特點，真正實現了點對點式的治療。最后，表達ChR2的神經元可以穩定的存在，對機體無任何不利影響[29-32]。
在未來的幾年內，光基因遺傳學技術將會進一步發展，并獲得更多的支持為臨床應用。確定其適用性和進一步驗證其有效抑制癲癇發作將是目前的重要工作，該技術創造了新的治療策略。
4 總結與展望
光基因神經調控技術是一個多學科融合的臨床前沿技術，該技術可以靶向定位于神經回路上的特定細胞，并對該細胞的功能進行有效控制，其發展有很大的空間，是研究神經功能和神經疾病機制非常重要且有效的手段。目前所呈現的研究結果使學術界對光基因神經調控技術的臨床應用寄予了希望，將光基因神經調控技術應用于癲癇的研究和治療可能是最適合的了。同時為神經系統疾病的治療提供了一種極有前景的治療方法，但在臨床應用前仍需進行深入探索并與傳統治療的效果進行評價與比對。隨著光基因神經調控技術的發展，光敏感蛋白在異常放電神經元上長期穩定表達的實現，以及檢測方式的快速化和三維化、刺激儀器的微型化、光纖化，我們有理由相信醫學研究和疾病治療的光基因技術時代已經來臨[33-36]。光基因神經調控不僅用于癲癇的研究和治療，還對研究動物行為學、細胞信號轉導、神經回路及精神系統疾病等方面均有重要的意義[37, 38]。光基因神經調控是在健康的和患病的大腦之間探索腦功能的最有力的工具之一，并且可能成為一種用于腦部疾病替代的治療策略，特別是那些與興奮性功能障礙有關的疾病如癲癇、帕金森等[39]。它的迅速發展將不可避免地成為日后一種新的醫學治療策略和疾病治療的創新方法，甚至有可能在未來的二十年改變整個生物醫藥領域的地位[40]。
1979年著名分子生物學家Crick曾表示：“神經科學領域存在的最大挑戰就是需要一種可以調控一類細胞而使其他細胞功能不受影響的手段”。光基因神經調控技術是運用光遺傳學和基因工程學，對特定的神經回路實現多模態高精度的調控，對神經回路進行精確的干預[1-5]。光遺傳學的基礎是光敏蛋白，它是用光操縱大腦活動的技術，在過去的幾年里，光遺傳學的豐富先進知識促使我們了解了動物神經活動模式和行為之間的因果關系。該技術的原理是將一種光敏感蛋白基因加上特異的啟動子序列，通過轉染技術導入到特定的神經元細胞中，并通過不同波長的藍光或黃光照射刺激，改變生物體內該神經元細胞的電生理活動，進而調控其所在的整個神經通路[6-10]。目前在神經科學領域中較為常用的光敏感蛋白有ChR2和NpHR兩種, 本質均為離子通道，光照后通道激活，膜內外離子流動而致膜電位發生改變[11-13]。利用光基因技術控制神經元的活動，擁有無傷害、分辨率高、非侵入、可定量重復，以及使用簡單等特點，廣泛應用于各個研究領域。本文將對光基因神經調控技術在癲癇領域中的研究進展進行系統闡述。
1 光基因神經調控技術在癲癇動物模型中的研究
通過建立一個大鼠大腦皮質卒中后，導致繼發性丘腦損傷所引起的癲癇發作的實驗動物模型，神經電沖動上傳至大鼠大腦皮層的抑制性功能區，導致丘腦抑制性網狀神經元的興奮性下降，從而導致丘腦內神經網絡過度興奮，產生癲癇樣異常放電，導致臨床上癲癇事件的發生。采用閉環神經刺激的方法，探測癲癇樣放電進而觸發光基因刺激丘腦，使癲癇發作終止[14]。在該模型中，黃光通過光纖維傳輸至顱內，刺激表達視蛋白NpHR的神經元，從而達到
終止發作的目的。光基因刺激技術可以對神經元進行細胞特異性的興奮或者抑制性調節，可能是未來難治性癲癇的一種潛在治療手段。通過對致癇區神經元的光調控，可以及時終止癲癇發作，類似于置入式的心臟除顫器，該手段是一種有前途的新平臺。也有在動物模型中通過在海馬或皮層下導入NpHR，經黃光照射引起神經元的超極化，調控異常動作電位的發放從而控制癲癇樣活動[15]，在某些藥物無效難治性癲癇中，光敏感基因的神經元為治療癲癇提供了新的治療策略。此類實驗的成功，更加激勵了科學家們努力將此項技術積極的向臨床應用推進的信心。
2 研究進展
國內研究該技術領域的機構很少，目前僅有中國科學院先進技術研究院對這一新型技術進行深入研究。國外有多篇文獻報道光基因神經調控技術對大腦致癇區域內異常神經元的抑制，通過不同波長的藍光或黃光對神經回路進行精密的調節，從而對癲癇進行控制實現無發作。有文獻指出，通過建立一個耐藥的海馬模型來模擬臨床上難治性癲癇患者的海馬組織，通過導入NpHR到錐體細胞和海馬組織中的顆粒細胞，經特定波長的黃光照射后引起海馬組織內特定區域異常興奮的神經元興奮性降低，使得神經網絡及回路中的異常放電得到迅速有效的抑制，從而控制癲癇的發作[16, 17]。甚至在一些情況下可以達到無發作的狀態，因此光基因神經調控技術在治療癲癇領域成為一個具有重要意義的新概念。此外，NpHR在運動皮層錐體細胞中的表達和黃光刺激20 s后，在自由活動大鼠中可以減少由破傷風毒素注射后誘發的高頻活動[13]。在另一項研究中[5]表達ChR2的細胞激活可能會使癲癇活動得到抑制，ChR2表達的神經元被約10Hz藍光刺激能夠抑制在大鼠中的棘波樣放電，而該大鼠模型正如臨床上癲癇患者中的失神樣發作。在體內，高頻異常的癲癇樣放電活動可以通過使用ChR2的神經元進行同步干擾而被中斷。除了抑制興奮性細胞與光遺傳學，選擇性和精確性調控也可以成為抑制癲癇發作的潛在策略[5, 13]。在皮質區至少有16種抑制性的中間神經元，一些中間神經元的亞型提供抑制作用于錐體細胞的樹突遠端，而其他亞型通過作用于近端樹突、胞體和軸突起始段，通過光基因神經調控技術可以精準快速識別準確定位，來提高選擇性的抑制興奮神經元[5, 13, 18]。光基因神經調控技術抑制癲癇發作還可以具有如下的兩個策略，即抑制內源性興奮性細胞，或激活內源性γ-氨基丁酸(GABA)能中間神經元。并且這兩種方法可以結合起來同時應用[6, 19, 20]。總而言之，光遺傳學策略確實可以讓臨床相關的某些類型的局灶性癲癇實現發作抑制，這個方向的進一步研究值得鼓勵其具有許多吸引人的特點，但這還需要不斷的探索和驗證。
3 臨床應用前景
藥物、手術、迷走神經刺激治療等一系列方法仍然讓一些難治性癲癇患者無法擺脫困境，藥物的長期副作用甚至讓患者難以耐受，同時也為患者增加了各種負擔。通過光基因技術對神經元導入能夠表達光敏感蛋白的ChR2和NpHR基因，由于這兩種基因的光活化譜較少重疊，已有文獻報道聯合ChR2和NpHR基因可以進行雙向聯合控制神經細胞的活動，實現無創性光學控制神經細胞[21]。可將攜帶光感基因的載體導入到大腦內異常放電的神經元細胞中，興奮性投射神經元能夠被NpHR基因所表達的蛋白選擇性抑制，表達ChR2的GABA能抑制中間神經元，經過不同的波長照射后可以促進這種神經元異常放電的抑制作用，通過該項技術可以選擇性的抑制大腦內有致癇灶神經元的整體興奮性，甚至能打斷異常神經元活動的過度同步，從而有效抑制甚至完全阻斷了癲癇發作[22]。然而，臨床實際中增強γ-GABA釋放的結果在某些情況下可能會產生相反的效果, 通過增加神經元網絡的同步活動, 反而會誘發癲癇發作[6, 23]。因此，需要詳細的光基因技術去研究探索不同種群的中間神經元的特定角色和中間神經元被激活的特定模式，這將會是有效地抑制癲癇發作的一個重要臨床機制[24-28]。
光基因神經調控技術在癲癇領域所擁有的優點是其他治療方法所無法比擬的。首先，通過光刺激的神經元能夠快速以毫秒級的速度抑制異常放電的大腦神經元，為臨床癲癇持續狀態及藥物難以控制的難治性癲癇帶來了福音，避免了因發作而造成的惡性循環及意外事件的發生。其次，光基因神經調控技術具有準確定位、快速識別異常的致癇灶、對大腦內正常的神經元無影響的特點，真正實現了點對點式的治療。最后，表達ChR2的神經元可以穩定的存在，對機體無任何不利影響[29-32]。
在未來的幾年內，光基因遺傳學技術將會進一步發展，并獲得更多的支持為臨床應用。確定其適用性和進一步驗證其有效抑制癲癇發作將是目前的重要工作，該技術創造了新的治療策略。
4 總結與展望
光基因神經調控技術是一個多學科融合的臨床前沿技術，該技術可以靶向定位于神經回路上的特定細胞，并對該細胞的功能進行有效控制，其發展有很大的空間，是研究神經功能和神經疾病機制非常重要且有效的手段。目前所呈現的研究結果使學術界對光基因神經調控技術的臨床應用寄予了希望，將光基因神經調控技術應用于癲癇的研究和治療可能是最適合的了。同時為神經系統疾病的治療提供了一種極有前景的治療方法，但在臨床應用前仍需進行深入探索并與傳統治療的效果進行評價與比對。隨著光基因神經調控技術的發展，光敏感蛋白在異常放電神經元上長期穩定表達的實現，以及檢測方式的快速化和三維化、刺激儀器的微型化、光纖化，我們有理由相信醫學研究和疾病治療的光基因技術時代已經來臨[33-36]。光基因神經調控不僅用于癲癇的研究和治療，還對研究動物行為學、細胞信號轉導、神經回路及精神系統疾病等方面均有重要的意義[37, 38]。光基因神經調控是在健康的和患病的大腦之間探索腦功能的最有力的工具之一，并且可能成為一種用于腦部疾病替代的治療策略，特別是那些與興奮性功能障礙有關的疾病如癲癇、帕金森等[39]。它的迅速發展將不可避免地成為日后一種新的醫學治療策略和疾病治療的創新方法，甚至有可能在未來的二十年改變整個生物醫藥領域的地位[40]。