遗传技术与吸毒成瘾的关系
来源: 毒品测试网   发布时间: 2019-09-21 23:49   45 次浏览   大小:  16px  14px  12px
通过遗传技术来研究吸毒成瘾机制是一种科学先进的方法,有望通过这类技术早日攻克吸毒成瘾疾病难题。
光遗传基因
吸毒导致一些疾病的发病率、死亡率整体呈现增长趋势。吸食毒品不仅危害个人身体健康,连累亲人,而且还能导致艾滋病等恶性传染病在人群中的传播。不但如此,吸毒还给国民经济造成巨大损失,以毒品为代表的成瘾行为困扰着许多人的生活。新兴的光遗传技术是可以精准调控神经元的技术,逐渐发展成为成瘾行为等脑科学问题重要的研究工具。本文综述光遗传学技术以及药物成瘾相关研究,并设计实验探究伏隔核和中脑腹侧被盖区在参与成瘾行为中扮演的角色。

光遗传技术
光遗传技术是综合运用光学、神经生物学、基因工程的一项生物工程技术,将编码视蛋白的基因转入神经元细胞内,使其在神经元细胞膜上大量表达,从而达到用光照调控特定神经元的目的。光遗传学这一术语首先由斯坦福大学的KarlDeisseroth教授提出,他领导的研究团队在2005年首次将莱茵衣藻中发现的光敏感蛋白(ChR2)引入哺乳动物海马神经元,开创了神经科学研究新局面。2011年,该技术入选NatureMethods杂志2010年度方法,随后被《科学》(Science)杂志评为“十年突破”。光遗传技术具有高时空分辨率和细胞类型特异性的特点,并且不会对细胞造成较大伤害。

吸毒导致一些疾病的发病率、死亡率整体呈现增长趋势。吸食毒品不仅危害个人身体健康,连累亲人,而且还能导致艾滋病等恶性传染病在人群中的传播。不但如此,吸毒还给国民经济造成巨大损失,以毒品为代表的成瘾行为困扰着许多人的生活。新兴的光遗传技术是可以精准调控神经元的技术,逐渐发展成为成瘾行为等脑科学问题重要的研究工具。本文综述光遗传学技术以及药物成瘾相关研究,并设计实验探究伏隔核和中脑腹侧被盖区在参与成瘾行为中扮演的角色。

光遗传技术
光遗传技术是综合运用光学、神经生物学、基因工程的一项生物工程技术,将编码视蛋白的基因转入神经元细胞内,使其在神经元细胞膜上大量表达,从而达到用光照调控特定神经元的目的。光遗传学这一术语首先由斯坦福大学的KarlDeisseroth教授提出,他领导的研究团队在2005年首次将莱茵衣藻中发现的光敏感蛋白(ChR2)引入哺乳动物海马神经元,开创了神经科学研究新局面。2011年,该技术入选NatureMethods杂志2010年度方法,随后被《科学》(Science)杂志评为“十年突破”。光遗传技术具有高时空分辨率和细胞类型特异性的特点,并且不会对细胞造成较大伤害。

随着光遗传技术的不断发展,该技术在神经生物学领域有着广阔的应用前景。有关恐惧焦虑等情绪的神经回路研究。如:光遗传研究技术表明啮齿类动物的杏仁核可能具有调节清醒动物焦虑的水平功能。成瘾行为研究,作为电生理实验的补充完善。如:高度特异性cre重组酶依赖的病毒载体被开发出来,通过该技术在特定神经元(如多巴胺能神经元)中表达视蛋白,如伏隔中胆碱能神经元的调控对可卡因成瘾起重要作用。利用光遗传技术激活实验动物的视锥cell,该结果使因视网膜炎色素变性而导致的失明患者重见光明成为可能。

药物成瘾
药物成瘾是指患者不计后果,连续强迫性地服用某种药物(毒品)的慢性复发型脑疾病,服用药物能使患者形成奖赏环路,从而使再次吸食时极度兴奋,且一旦戒断会产生强烈负面情绪。目前研究表明,药物成瘾与脑内奖赏环路密切相关。与药物成瘾相关、可能参与形成奖赏环路的脑区为数众多,包括负责药物奖赏的中脑腹侧被盖区(VTA)和伏隔核(NAc),以及导致戒断反应和负面情绪的杏仁核、终纹床核等脑区。药物成瘾会在大脑内诱发一系列生物学效应,如产生神经突触可塑性的变化,使神经元处于长时程增强(LTP)或长时程减弱(LTD)的状态;改变一些蛋白如膜受体的表达,如阿片类物质能引起杏仁核突触结构改变,导致突触Arc蛋白增多,使突触膜上AMPA受体内吞。药物成瘾的本质是一种以神经突触可塑性改变为基础的病理性记忆,这也是复吸产生的重要因素。

随着光遗传技术的不断发展,各类视蛋白和转基因动物被开发出来,促进了其在药物成瘾等领域的应用。2010年,Tecuapetla等用光遗传技术来研究中脑边缘系统的奖赏效应,证明了谷氨酸递质的传递参与了伏隔核的奖赏效应。2014年复旦大学马兰研究组应用光遗传学技术特异性抑制伏隔核脑区的GABA能中间神经元,抑制了可卡因奖赏记忆的形成。

光遗传技术研究药物成瘾机制实验设计
本实验研究的脑区是伏隔核和中脑腹侧被盖区。中脑腹侧被盖区(VTA)的A10细胞投射到伏隔核、嗅结节、杏仁核和海马组成的中脑边缘多巴胺系统,是调节药物成瘾的重要部位。伏隔核的神经元上有数目较多的多巴胺受体,接受前脑和脑桥的传入纤维,它发出的纤维主要投射到腹侧苍白球的背外侧、脚内核、中脑腹侧被盖区的外侧部和黑质。接受多巴胺刺激后,能使个体产生兴奋,与奖赏环路的形成有密切关系。

实验1:探究激活伏隔核脑区和中脑腹侧被盖区在成瘾过程中的作用。


光敏感蛋白导入及植入光纤。选同一窝饲养于相同环境中培育的成年雄性小鼠,手术时小鼠鼠龄、体重基本相同。实验动物分为5组,实验组30只,其他组都是5只。一组实验组小鼠在伏隔核脑区定点导入视蛋白ChETA基因,一组实验组在VTA脑区定点导入视蛋白ChETA基因,有两组分别在上述脑区定点导入绿色荧光蛋白(GFP)基因,对照组小鼠仅进行手术埋入光纤,分别在两脑区注射与病毒溶液等量的生理盐水,饲养1月后进行行为学实验。

自身按杆实验。按照自身按杆的标准实验流程,行为学实验分为4个阶段,基准期、获得期、戒断期和重新获得期。按杆可以获得光刺激,进而相应脑区的神经元兴奋,在自身按杆实验中统计小鼠按杆频率,判断相应脑区在成瘾行为形成中的作用。该实验完成后进行互换按杆实验,排除按杆本身对实验的影响,探究成瘾记忆与成瘾行为间的关系。

不同刺激强度和频率实验。为探究小鼠成瘾的渴求程度与成瘾刺激的强度和频率之间的关系,在自身按杆实验后,将实验组小鼠平均分为6组,其中第1、2、3组给予光刺激强度不同的活跃按杆,4、5、6组将活跃按杆调整为固定比率1:1、1:2、1:3(固定比率1:n,表示按n次杆得到一次光刺激),然后进行按杆实验。

惩罚刺激和环境因素实验。为观察成瘾小鼠对不良刺激的耐受程度,实验组中,在自身按杆试验箱的按杆上连接电开关,按下按杆时小鼠会受到一定程度的电击惩罚,不同组小鼠按杆所接的电源电压依次增大,然后实验统计各组小鼠的按杆频率。成瘾复吸与首次成瘾时的环境所产生的成瘾记忆可能有关,因此本文也探究了环境因素的影响。选用大型按杆实图案和声音等不同,进行按杆实验,寻找环境因素与成瘾行为间的联系。

实验2:探究抑制伏隔核及中脑腹侧被盖区对可卡因成瘾的小鼠的影响。


实验材料。高滴度NpHR慢病毒载体、可卡因成瘾的成年雄性小鼠若干等。实验组分为2组,一组在伏隔核脑区导入NpHR基因,一组在中脑腹侧被盖区导入NpHR基因,实验开始前保持每日定量给小鼠提供可卡因;另一组小鼠--获得期实验开始前12h停止向成瘾小鼠提供可卡因药物(模拟戒断);一个空白对照组。

旷场实验。按照固定频率分别对2组实验小鼠进行光刺激,使相应脑区被抑制,同时停止向成瘾小鼠提供可卡因,然后采用旷场实验评价小鼠焦虑情绪的变化,得出不同脑区抑制情况下小鼠戒断反应的影响。

本文通过不同刺激强度和频率实验得到小鼠成瘾的渴求程度与成瘾刺激的强度和频率之间的关系,通过惩罚刺激实验观察成瘾小鼠对不良刺激的耐受程度,以及环境因素的影响。对于可卡因成瘾小鼠的研究,进一步帮助理解2个脑区在药物成瘾过程的作用,找到成瘾的关键脑区,为以后的成瘾治疗指明方向。本研究可以为研究者提供理论指导,帮助探索成瘾的生物学机制,对生命科学的发展和解决毒品问题具有重要意义。