拉莫三嗪有望改善孤独症患者触觉超敏和睡眠碎片化

简介：《Restoring thalamocortical circuit dysfunction by correcting HCN channelopathy in Shank3 mutant mice》于2024年4月发表于Cell Reports Medicine期刊。

本研究聚焦Shank3孤独症小鼠模型发现，这种小鼠的丘脑皮层（TC）神经元存在过度兴奋，TC神经元的电生理改变以及随之而来的感官过敏和睡眠碎片化问题，都与HCN2通道病（一种离子通道异常）有直接的因果关系。通过拉莫三嗪（LTG）疗法有望在发育早期恢复HCN2的功能，改善触觉超敏和睡眠碎片化问题。

丘脑的主要职责是将感觉信息传递到大脑皮层，形成进化上保守的丘脑皮层（TC）回路。该回路可对皮层的兴奋性和功能进行紧密调控，并控制感觉处理、睡眠和认知功能等行为。

当TC回路出现故障时，可能出现孤独症相关的一些异常行为，如触觉超敏、认知障碍和睡眠碎片化。

TC中继细胞（即丘脑皮层中继细胞）的放电特性在不同的脑状态下会呈现出规律的动态变化，是由低阈值的T型钙离子通道和超极化激活的环核苷酸门控（HCN）通道维持的。

既往研究已经揭示了Shank3孤独症小鼠模型中存在HCN通道病变问题。但是Shank3基因突变，HCN通道病变、TC回路功能障碍以及由此产生的行为异常之间的关联尚未被探究。

（一）Shank3敲除（Shank3 KO）小鼠丘脑皮层神经元放电活动异常，出现触觉超敏

研究者首先探测了清醒小鼠的下丘脑腹后内侧核丘脑皮层神经元（TC）的放电活动。

结果发现TC细胞爆发过量，放电速率显著增加。

既往研究表明下丘脑腹后内侧核TC细胞爆发活动可能在清醒动物的小振幅胡须抽动中出现。

因此，研究者进一步检查了胡须刺激诱发的T细胞的放电特性。结果发现Shank3KO小鼠的TC神经元显示出显著增强的响应特征。

TC细胞爆发过量、胡须刺激响应特征显著增强

（二）Shank3 KO小鼠睡眠碎片化，睡眠周期持续时间缩短

接下去研究者探索Shank3 KO是否会改变小鼠睡眠期间的丘脑皮层神经元（ TC） 放电动力学，结果发现睡眠期间的Shank3 KO小鼠TC细胞表现出尖峰放电，爆发放电次数显著增加。

既往研究表明丘脑腹后内侧核的TC细胞的峰电位时间与初级体感皮层中的局部场电位存在相位锁定，这种相位锁定关系对非快速眼动睡眠期调节有重要贡献。

研究人员观察Shank3 KO小鼠非快速眼动睡眠期，发现TC细胞放电与初级体感皮层中的局部场电位之间的相位锁定关系发生改变，锁定强度变弱。

（三）Shank3 KO小鼠TC细胞 HCN2 表达降低

研究人员发现Shank3KO小鼠 TC细胞中HCN通道（超极化激活的环核苷酸门控通道）介导的超极化激活电流密度显著降低，因此研究者进一步进行免疫印迹和免疫荧光分析，发现 Shank3 敲除小鼠中 HCN2 的表达水平显著降低。

（四）HCN2 通道不足导致 Shank3 KO 小鼠TC细胞过度活跃

为了探究Shank3 KO小鼠丘脑皮层（TC）细胞的电生理变化是否由HCN通道病引起，研究者使用腺病毒载体，在21天的Shank3 KO小鼠的丘脑腹后内侧核的TC细胞中引入HCN2通道的基因，增加HCN通道表达。

Shank3 KO小鼠中重新表达HCN2可以恢复超极化的静息膜电位和膜电阻，校正异常的爆发阈值和潜伏期。

（五）HCN2通道可作为潜在的治疗靶点

为了探究HCN通道是否可以作为孤独症的潜在治疗靶点，研究者选择了Shank3敲除小鼠中的触觉超敏反应和睡眠碎片化两种行为表型进行研究，这两种行为表型严重依赖于躯体感觉丘脑皮层（TC）回路。

由于缺乏特定的HCN激动剂，研究者利用了美国食品药品监督管理局（FDA）批准的抗癫痫药物拉莫三嗪，它有增强HCN通道的功能。

研究者在成年小鼠中腹腔内注射拉莫三嗪，发现拉莫三嗪处理能够使Shank3敲除小鼠对胡须刺激的反应评分正常化，即触觉超敏反应正常化。但是未能改善Shank3敲除小鼠的睡眠碎片化问题。

（六）在发育阶段早期恢复HCN功能可长期改善触觉超敏反应和睡眠碎片化症状

研究者发现Shank3 KO小鼠HCN功能异常在发育过程中比突触缺陷出现得更早，表明HCN通道病变可能是一个独立于突触缺陷之前出现的潜在病理机制。

因此，研究者在发育早期的三个时间点（P7、P14和P21）进行了为期5天的拉莫三嗪治疗，旨在恢复HCN活性。

结果发现从P7到P11的治疗恢复了成年Shank3 KO小鼠的HCN活性，还观察到丘脑皮层细胞（TC）总体放电率、爆发放电、以及对胡须刺激的神经元反应均有所减少。重要的是，TC细胞放电与初级体感皮层中的局部场电位之间的相位锁定关系得到了完全纠正，睡眠碎片化问题得到改善。

这些结果表明，HCN功能在发育早期阶段得到恢复可以修正被破坏的丘脑皮层细胞回路功能，显著减轻触觉超敏反应和睡眠碎片化症状。

（七）拉莫三嗪治疗改善孤独症患者感觉异常

鉴于拉莫三嗪在孤独症小鼠模型中改善行为异常的潜力，研究者调查了其在孤独症患者中效果。

拉莫三嗪是一种FDA批准的抗癫痫药物，并非仅针对孤独症相关的行为异常，因此此项研究中入选的所有孤独症患者均伴有癫痫。

患者被分为三组：阳性对照组接受左乙拉西坦治疗以排除抗癫痫药物治疗本身可能通过控制癫痫来改善行为的可能性；阴性对照组不接受药物治疗以排除安慰剂效应；实验组主要接受拉莫三嗪治疗。

拉莫三嗪组在孤独症行为检查表（ABC）的感觉评分显示出显著改善（加权平均差异4.34；95%置信区间：3.32-5.36；p < 0.01），但左乙拉西坦治疗组没有显著改善（加权平均差异0.42；95% CI，0.54-1.39；p = 0.38）。儿童自闭症评定量表（CARS）的第9项，即反映触觉感觉的评分，拉莫三嗪组治疗也显示出有益效果（加权平均差异0.11；95% CI，0.15–0.37；p < 0.01）。但左乙拉西坦治疗组没有净益处（加权平均差异0.11；95%CI：0.15-0.37；p = 0.41）。

研究者研究了清醒和睡眠状态下野生型对照小鼠和Shank3敲除（KO）小鼠的丘脑皮层（TC）回路生理特性。

结果发现，Shank3 KO小鼠的TC细胞过度兴奋，存在过度的爆发性放电，并且在睡眠期间与缓慢的皮层节律活动存在时间不匹配的关系，这可归因于HCN2通道功能障碍。

通过引入HCN2基因或通过拉莫三嗪增强HCN2活性，能够改善Shank3 KO小鼠的感官过敏和睡眠碎片化问题。

最后，通过回顾性病例研究，发现拉莫三嗪治疗对孤独症患者的感觉异常有显著益处。

这项研究证明无论是通过基因改变还是药物手段，早期干预HCN2功能是一种有前途的方法来改善孤独症触觉超敏反应和睡眠碎片化症状。

参考文献：

Guo, B., Liu, T., Choi, S., Mao, H., Wang, W., Xi, K., Jones, C., Hartley, N. D., Feng, D., Chen, Q., Liu, Y., Wimmer, R. D., Xie, Y., Zhao, N., Ou, J., Arias-Garcia, M. A., Malhotra, D., Liu, Y., Lee, S., Pasqualoni, S., … Fu, Z. (2024). Restoring thalamocortical circuit dysfunction by correcting HCN channelopathy in Shank3 mutant mice. Cell reports. Medicine, 101534.