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光遗传学技术调控心脏交感神经活性防治室性心律失常
作者:周丽平[1] 余锂镭[1] 江洪[1] 
单位:武汉大学人民医院[1]  
文章号:W127052  
2018/3/30 15:43:21    
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  光遗传学 (optogenetics)是一项新兴的可精准可逆调控神经元活性的生物工程技术。该技术利用基因工程技术在靶细胞内表达兴奋性或抑制型光敏感蛋白,并通过特定波长的可见光将其激活导致细胞内外离子变化,从而实现对靶细胞毫秒级的快速精准调控。2005年,Karl Deisseroth 科研团队首次报道了微生物视蛋白用于神经元细胞光控操作的成功案例,光照刺激体外培养的神经元细胞上表达的ChR2蛋白成功诱发出动作电位,激活神经元细胞1。

  光遗传学 (optogenetics)是一项新兴的可精准可逆调控神经元活性的生物工程技术。该技术利用基因工程技术在靶细胞内表达兴奋性或抑制型光敏感蛋白,并通过特定波长的可见光将其激活导致细胞内外离子变化,从而实现对靶细胞毫秒级的快速精准调控。2005年,Karl Deisseroth 科研团队首次报道了微生物视蛋白用于神经元细胞光控操作的成功案例,光照刺激体外培养的神经元细胞上表达的ChR2蛋白成功诱发出动作电位,激活神经元细胞1。这项结合了光学技术和遗传学技术的新技术被命名为光遗传学。光遗传学技术迅速席卷整个神经科学领域,于2010年被《Nature Methods》杂志评为2010年度技术,并被认为是最有希望获得诺贝尔生物学奖的技术之一。

 

  光遗传学技术因其高度的时空特异性在神经科学等领域得到了广泛的应用和发展,用于研究治疗癫痫、抑郁、止痛和帕金森病等神经系统疾病2-6。近年来,光遗传学技术也被用于心脏研究领域。应用遗传学技术可将光敏感蛋白在心脏的靶细胞和靶部位精准的表达,光敏感蛋白的组合可对心脏细胞形成兴奋和抑制的双向调控。光遗传学技术指导下的光起搏可实现对心脏节律、同步收缩等的精准调控,可能成为未来心律失常、心脏起搏研究的一个重要手段。此外,Wengroski等人研究了光遗传学调控心脏交感神经元释放去甲肾上腺素的作用及其对心脏机械功能、电生理和心律失常的影响7。心脏交感神经元表达兴奋性光敏感蛋白ChR2,使心脏交感神经可以被特定波长(470nm)光照刺激激活。研究结果显示,光控激活心脏交感神经显著增加去甲肾上腺素释放,增加心率和心肌收缩力;缩短动作电位时程;增加心律失常发生率和严重程度。这项研究提供了研究心脏交感神经激活和心律失常的一个创新模型,并进一步阐明心脏交感神经激活在心律失常发生中的作用机制。

 

光遗传学技术调控心脏交感神经活性治疗心律失常

 

  研究表明心脏交感神经系统过度激活,尤其是左侧星状神经节 (LSG) 过度激活在心肌梗死后室性心律失常的发生中发挥重要作用,而抑制LSG神经活性可有效防止心律失常事件。心脏交感神经切除术已用于治疗恶性室性心律失常(VAs),如心肌梗死后难治性VAs或电风暴,长QT综合征和儿茶酚胺敏感性室性心动过速(VT)。前期研究和我们团队的研究表明,抑制交感神经活性或增强迷走神经活性的自主神经再平衡策略均可有效防治心肌梗死后室性心律失常。基于光遗传学技术对神经元细胞的精准靶向调控,本研究团队首次提出应用光遗传学技术精准调控LSG神经活性防治室性心律失常8。ArchT是一种抑制型光敏感蛋白,当其在靶细胞中表达并通过适当波长的照射激活时,可诱导细胞超极化,从而抑制细胞活性。研究中以病毒转染的方式将抑制型光敏感蛋白ArchT表达于LSG神经元,LED发射565nm的光照(频率20Hz,时长2ms,光功率3-5mW/mm2)刺激激活LSG神经元上的ArchT,可迅速引起神经元细胞超极化,LSG神经元活性被抑制,同步神经活性记录证实LED光照时LSG神经活性显著降低,30min持续光照可增强并延长对LSG神经活性的抑制作用,且这种抑制作用是可逆的,光照停止后LSG神经活性和功能可逐渐恢复至基础水平;光遗传学技术抑制LSG神经活性稳定了心脏电生理性质:心室有效不应期(ERP)和动作电位时程(APD90)延长,回复曲线最大斜率(Smax)减小;结扎冠状动脉左前降支制造急性心梗模型,持续光照抑制LSG神经活性显著减少了心梗后室性心律失常事件。本研究首次将光遗传学技术应用于调控心脏自主神经神经活性并验证了其对缺血诱导的室性心律失常的有效防治作用(图1)。

 

 

图1 光遗传学技术调控心脏交感神经活性防治心律失常无创光遗传学神经调控技术

 

  最新发表在Science上的一项研究表明,新型上转换纳米颗粒(UCNs)可将具有组织穿透性的近红外光导入并转换为可见光,从而激活光敏感蛋白,实现了非侵入方式调控深部脑组织神经元9。基于这项重大研究突破,我们提出,利用UCNs非侵入性导入近红外光并在LSG组织内转换为特定波长的可见光,激活表达于LSG神经元中的抑制型光敏感蛋白,抑制心脏交感神经活性,从而抑制心梗后恶性室性心律失常事件(图2)10。并且,Chen PS 教授团队研发出一种无创交感神经活性记录仪,通过体表电极记录并分析皮肤交感神经活性,可用于评估交感神经节活性11,且研究证实皮肤交感神经活性增高与房颤和室性心律失常密切相关12, 13。无创交感神经活性记录与上转换纳米颗粒介导的光遗传学技术相结合,可实现对心脏交感神经活性的实时监测,并在交感神经活性增高时迅速启动光控开关调控LSG神经活性,防止心律失常。

 

 

图2 上转换纳米颗粒介导的无创光遗传学技术调控心脏交感神经活性

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周丽平
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