光遗传学技术在口腔医学中的应用进展

傅梦蝶，朱丹吉，杨国利，姜治伟

光遗传学技术在神经科学等研究领域中，因高时空分辨率、高精确性的优势被广泛应用[1]。2005年，有学者首次在神经元中构建了一种光敏离子通道，通过光刺激成功激活了神经元，开创了光遗传学技术的研究时代[2]。

在口腔医学领域中，光遗传学技术作为一种混杂因素少、精准度高的刺激工具，已在味觉系统、三叉神经痛和颌面部肌肉神经支配等研究中得到应用。除了引起神经元的冲动传导，光遗传刺激还可以在非神经组织中引起细胞超极化而导致颅面发育畸形[3]或促使人牙髓干细胞向神经元样细胞分化[4]。本文现将光遗传学技术近年来在口腔医学研究中的应用进展综述如下。

1 光遗传学概述

1.1 光遗传学相关的基本概念

光遗传学是光学、遗传学、电生理学等多种学科的结合，通常指的是利用光控蛋白对目的蛋白进行具有高度时间和空间分辨率的光学控制[1,5-6]。其主要的媒介是可以接受光刺激以调节细胞活动的光控蛋白——视蛋白依赖的视紫红质和非视蛋白依赖的光控蛋白[7-8]。前者分为通道视紫红质(channelrhodopsin, ChR)和古紫质(archaerhodopsin 3, Arch)等[6]；后者包括隐花色素、光敏色素和依赖于光-氧-电势结构域(light-oxygen-voltage sensing domain)的变构蛋白等[8]。

光遗传学技术应用的基本过程是在目标细胞群表达特定光控蛋白后，给予光刺激，使蛋白的构象变化，从而引发一系列下游反应[9-10]。

1.2 光遗传学在多领域中的应用

光遗传学技术已广泛应用于基础医学的各领域，如活细胞成像[11]、生物发光[12]等。以往的研究多采用化学或机械信号刺激细胞[13]，不具有高时空分辨率，且据此设计的实验往往存在较多的混杂因素。而光遗传学技术实现了对特定细胞内不同靶基因和信号通路的直接、精准调控[14]。

在临床治疗方面，光遗传学技术也广泛应用。在神经科学领域，光遗传学技术可以通过刺激神经元来帮助改善视觉和听觉障碍[15-16]，也可以通过选择性刺激迷走神经，防止肾脏受到缺血再灌注的损伤[17]。在心脏电生理学领域，相比起电复律和导管消融治疗，光遗传学技术可以更无创且精确地刺激心肌细胞来实现心脏再同步[18-19]。一种可植入的无线光遗传学装置[20]可以高度选择性地激活脂肪组织产热。此外，光遗传学技术在中枢神经系统疾病(如癫痫、抑郁症等)的治疗中也表现出了较好的应用潜力[1,21-24]。

2 光遗传学在口腔医学领域中的应用

2.1 光遗传学技术与味觉系统

在光遗传学技术相关的味觉系统研究中，味觉细胞和味觉传导通路是研究热点。有研究用可见光刺激表达谷氨酸脱羧酶(GAD65+)的Ⅰ型味蕾细胞，发现其可以传导咸的感觉[25]。但另一项研究的结果[26]与之相悖。他们通过蓝光刺激 GAD65Cre/ChR2小鼠的鼓索神经发现，介导咸味的细胞不一定都是Ⅰ型味蕾细胞。除了正常的咸味传导通路，口腔中其他令人厌恶的刺激处理也利用了光遗传学技术来进行研究。有学者通过光刺激表达了ChR2-YFP的Ⅲ型味蕾细胞，发现其是口腔中令人厌恶刺激的感受神经元之一[27]。将带有ChR2和Arch基因的病毒精准地注射入小鼠的眶额叶皮层[28]，并用蓝光和黄光激活其中的神经元，可以增加小鼠对高盐溶液的厌恶感。另一项研究通过蓝光刺激了表达ChR2的酸感受性味觉细胞，在口腔环境内没有水的情况下也成功诱发出了小鼠的饮水反应，从而确定了该型味觉细胞在介导酸味传导的同时也介导对水的味觉反应[29]。在中枢层面，学者们将ChR2通道引入野生型小鼠的脑岛内，证实了味觉系统的大脑皮层即使在没有外界刺激输入的情况也具有整合复杂行为的能力[30]。而另一项研究则指出味觉会因饥饿等其他高级感觉的影响而发生改变[31]。

不同于其他研究中的可见光刺激，红外线刺激[32]是具有创新性的光遗传学技术。相比ChR2等所需的可见光，红外线刺激具有更好的组织穿透力，而且在动物的行为研究中，红外线可以减少可见光带来的潜在干扰。

在以上研究中，光遗传学技术均有效地避免了在味觉系统研究中的传统刺激方法存在的多种混杂因子的影响，如体表感觉、溶液渗透压、嗅觉等[25]，具有明显的优势。

2.2 光遗传学技术与三叉神经痛

三叉神经痛(trigeminal neuralgia，TN)是指在三叉神经分布区域内出现阵发性、电击样的疼痛。其发作时间较短，双侧同时发作少见[33]。光遗传学技术在针对TN的痛觉传导通路及寻找临床镇痛靶点的研究中获得了广泛应用。

在TN的痛觉传导通路方面，有研究利用光遗传学技术探索了痛觉处理中枢——前扣带回皮质中多巴胺受体对于TN的调节作用，发现光激活表达多巴胺受体D2的神经元可以显著地缓解疼痛。激活D1的效应则恰恰相反，表达D1的神经元在光遗传激活后会明显加剧三叉神经的病理性疼痛[34]。

在研究临床TN镇痛靶点方面，通过病毒转染使谷氨酸能神经元表达光抑制基因——盐系菌视紫红质(halorhodopsin，NpHR)，TN组在黄绿光刺激后能提高扳机点的机械阈值，并减少丘脑的异常放电[35]。这项研究说明通过抑制性光遗传学工具，在临床上可以构建一种“光学手术刀”疗法有效减轻机械性TN。另一种“光刀”的设想[36]是通过光遗传学技术刺激初级运动皮层中表达ChR2的神经元，对TN产生了明显的镇痛作用。除了前述的两个皮层，另一内源性镇痛门户——中脑导水管周围灰质腹外侧区中的神经元也有望成为TN的镇痛靶点之一。用含有CamKIIα启动子的ChR2偶联病毒转染兴奋性vlPAG神经元后[37]，对其进行光刺激也可以明显改善TN。

传统的TN镇痛疗法包括运动皮层刺激疗法和脑深部刺激。这两种疗法的耐受性随时间逐渐增加，且治疗特异性较低[36-38]。而新提出的“光刀”法为特异性更高、精确性更高、疗效更强且疗效维持时间更长的TN治疗方法提供了依据。

2.3 光遗传学技术与颌面部肌肉运动

颌面部肌肉的神经支配是另一个利用了光遗传学技术的口腔医学研究热点。一项研究发现对三叉神经脊髓核口腔部投射的神经元进行光遗传学刺激，可以同时激活小鼠的二腹肌、固有触须肌和咀嚼肌[39]。另一项研究则发现在光遗传刺激下，三叉神经运动前神经元在静息状态或咀嚼过程中均可以激活双侧闭口肌并维持其基础肌张力[40]。

当失去面神经支配时，面部表情肌往往会萎缩并丧失功能。但切断小鼠面神经后，光遗传技术直接刺激瘫痪的须垫肌[41]，肌肉产生的收缩甚至比有神经支配时的振幅更大、频率更高且疲劳更少。相比起用传统的功能性电刺激来恢复面瘫后的肌肉功能，光遗传学技术可以直接而安全地刺激肌肉，且在神经严重损伤时仍然适用。

3 结论与展望

在口腔医学领域中，光遗传学技术作为一种施加刺激的工具，相比起传统的刺激方法，引入的混杂因子更少，且时空分辨率更高。虽然光遗传学技术尚存在缺点，如现有的光遗传学工具无法操纵所有神经元、病毒转染时存在溢出目标区域的可能性等[8, 32]，但这一技术的应用仍有力地推动了口腔医学的发展，帮助进一步阐明了味觉神经传导通路、TN的调节机制、颌面部的神经肌肉支配，并帮助确定了更多TN的临床镇痛靶点。但遗憾的是，口腔医学的其他领域尚未有应用光遗传学技术的文献报道。在未来，相信会有更多领域将光遗传学技术纳入研究之中，为阐明更多口腔疾病的发病机理与发展更为先进的治疗方法作出贡献。