Activity-Dependent Calcium, Oxygen, and Vascular Responses in a Mouse Model of Familial Hemiplegic Migraine Type 1

基于家族性偏癱性偏頭痛1型小鼠模型的活動依賴性鈣、氧和血管反應

來源: Annals of Neurology, Volume 80, Issue 2, August 2016, Pages 219-232

《神經病學年鑒》，第80卷第2期，2016年8月，第219-232頁

 

摘要

這篇論文研究了家族性偏癱性偏頭痛1型（FHM1）的機制，FHM1是一種由Cav2.1鈣通道增益性突變引起的偏頭痛亞型。研究使用FHM1轉基因小鼠模型（攜帶R192Q突變），通過體內雙光子顯微鏡測量體感刺激和皮質擴散性抑制（CSD，偏頭痛先兆的機制）期間神經元和星形膠質細胞的鈣離子變化，并結合局部場電位記錄、腦血流測量和氧消耗評估。結果表明，在CSD期間，FHM1小鼠的胞質鈣離子增加比野生型（WT）小鼠更大、更快，并伴有更高的氧消耗，導致組織缺氧，而WT小鼠僅出現中度缺氧。相比之下，在正常網絡活動時，FHM1小鼠的鈣離子和血流響應較小，且CSD后這些響應幾乎消失。使用Cav2.1門控修飾劑tert-butyl dihydroquinone（BHQ）可緩解CSD誘導的鈣變化。研究提示組織缺氧可能是FHM1先兆延長的機制，而正常活動時鈣信號減少可能解釋突變體的神經血管響應受損。

 

研究目的

本研究旨在探究FHM1突變如何影響體內皮質鈣離子活動、神經血管耦合和神經代謝耦合，特別是在生理條件和CSD下。具體目標是確定突變導致的鈣信號異常如何調節腦血流和氧消耗，并理解這些變化如何貢獻于疾病表現（如先兆延長）和腦脆弱性。研究試圖揭示增益性突變引起的網絡超興奮性如何轉化為能量供需失衡，從而解釋偏頭痛的病理生理機制。

 

研究思路

研究采用FHM1 R192Q敲入小鼠和野生型（WT）對照，在麻醉狀態下進行體內實驗。通過雙光子顯微鏡成像測量神經元和星形膠質細胞在體感刺激（刺激三叉神經）和CSD（通過微注射醋酸鉀誘發）期間的鈣離子動態變化。同時，使用電生理記錄局部場電位評估突觸活動，激光多普勒血流儀測量腦血流變化，以及Unisense氧微電極測量組織氧分壓（tpO2）以計算腦氧代謝率（CMRO2）。實驗設計包括比較不同基因型在CSD前、后的響應，并測試門控修飾劑BHQ的干預效果。數據通過混合模型和t檢驗進行統計分析，以評估突變對鈣、氧和血管參數的影響。

 

測量的數據及研究意義

1. 鈣離子變化數據：使用雙光子顯微鏡測量神經元胞體、星形膠質細胞胞體、神經纖維網、星形膠質細胞過程和終足在體感刺激和CSD期間的鈣熒光信號。數據來自圖4、圖6和圖7。研究意義在于揭示FHM1突變導致CSD期間鈣增加更顯著（尤其在神經元和神經纖維網），而正常刺激時鈣響應減小，表明突變 alters 鈣穩態，影響神經傳遞和能量需求，這可能貢獻于CSD易感性和先兆癥狀。

 

 

 

 

 

2. 氧消耗和組織氧分壓數據：通過Unisense氧微電極測量tpO2，并結合腦血流計算CMRO2。數據來自圖3。研究意義在于顯示CSD期間FHM1小鼠出現組織缺氧（tpO2降至近0），而WT小鼠僅中度缺氧， due to 更高的氧消耗，表明突變導致能量供需嚴重不匹配，這可能是先兆延長和腦損傷的風險因素。

 

3. 腦血流數據：使用激光多普勒血流儀測量體感刺激和CSD期間的腦血流變化。數據來自圖2和圖5。研究意義在于發現FHM1小鼠在正常刺激時腦血流響應減小，表明神經血管耦合受損，而CSD后響應更嚴重惡化，提示突變影響血管調節機制，可能增加缺血風險。

 

 

 

4. 局部場電位數據：記錄突觸活動（ΣLFPs）以評估神經元興奮性。數據來自圖5。研究意義在于顯示盡管FHM1小鼠的突觸活動與WT相似，但鈣和血流響應異常，表明耦合機制解離，突變可能優先影響鈣依賴性血管舒張途徑。

5. CSD傳播速度數據：通過鈣波前計算CSD波速。數據來自圖8。研究意義在于FHM1小鼠CSD傳播更快，且BHQ可歸一化波速，證實突變增強CSD易感性，且門控修飾劑有治療潛力。

 

 

6. 藥物干預數據：測試BHQ對鈣和血流響應的影響。數據來自圖8。研究意義在于BHQ部分緩解鈣異常但不改善血流耦合，表明突變效應涉及多種機制，如適應性變化，提示靶向治療需多途徑 approach。

 

結論

1. FHM1突變導致CSD期間鈣離子增加更顯著、氧消耗更高，引起組織缺氧，而WT小鼠僅中度缺氧，這可能是先兆延長的基礎機制。

2. 正常體感刺激時，FHM1小鼠的鈣信號和腦血流響應減小，神經血管耦合受損，表明突變降低皮質活動時的能量供應效率。

3. CSD后，FHM1小鼠的 evoked 響應更嚴重受損，且CSD傳播更快，突變增加腦對擴散性抑制的脆弱性。

4. 門控修飾劑BHQ可緩解CSD相關的鈣變化和傳播速度，但不糾正血流耦合異常，提示突變效應部分可逆，但涉及復雜適應性機制。

5. 總體而言，突變引起鈣穩態失衡、能量代謝失調和血管響應缺陷，這些共同貢獻于FHM1的病理表現。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產的Clark型極譜氧微電極（型號OX-10）測量皮質組織氧分壓（tpO2），這一技術具有關鍵的研究意義。首先，該微電極提供高空間分辨率（尖端直徑小）和快速響應的原位氧測量，能夠實時監測CSD期間腦組織氧梯度的動態變化，這是傳統方法難以實現的。通過直接量化tpO2（如圖3所示），研究揭示了FHM1小鼠在CSD期間出現嚴重缺氧（近無氧狀態），而WT小鼠僅中度缺氧，這直接證明了突變導致氧供需嚴重不匹配。其次，結合腦血流數據，tpO2測量允許計算腦氧代謝率（CMRO2），顯示FHM1小鼠CMRO2增加更顯著， linking 鈣離子超載（通過線粒體鈣攝入刺激氧化代謝）與能量危機。這些高精度數據不僅證實了CSD作為能量饑餓事件，還突顯了FHM1中缺氧的嚴重性，可能解釋先兆癥狀的延長和腦損傷風險。總之，Unisense電極的應用提供了代謝環境的直接證據，增強了我們對偏頭痛病理生理中氧化應激作用的理解。