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2023年8月14日墨西哥國家精神病學(xué)研究所Gerardo Bernabé Ramírez-Rodríguez研究團(tuán)隊(duì)在Cells雜志上發(fā)表文章“Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Reduces Depressive-like Behaviors, Modifies Dendritic Plasticity, and Generates Global Epigenetic Changes in the Frontal Cortex and Hippocampus in a Rodent Model of Chronic Stress”，揭示了在慢性應(yīng)激模型中，重復(fù)經(jīng)顱磁刺激減少抑郁樣行為，改變樹突可塑性，并產(chǎn)生額葉皮層和海馬體的整體表觀遺傳變化。
抑郁癥是全球最常見的情感障礙，占全球人口的4.4%，這一數(shù)字在未來幾十年可能會有所增加。在抑郁癥中，額葉皮層和海馬體中的樹突棘的可用性降低。此外，組蛋白修飾和DNA甲基化也是抑郁癥中失調(diào)的表觀遺傳機(jī)制。重復(fù)經(jīng)顱磁刺激是一種用于治療抑郁癥的技術(shù)。然而，其治療效果的表觀遺傳學(xué)機(jī)制尚不清楚。因此，在本研究中，作者評估了5 Hz rTMS的抗抑郁作用，并檢測了其在慢性輕度應(yīng)激模型中對樹突狀重構(gòu)、突觸蛋白的免疫反應(yīng)性、組蛋白修飾和DNA甲基化的影響。作者的數(shù)據(jù)表明，應(yīng)激產(chǎn)生了類似抑郁的行為，經(jīng)顱磁化逆轉(zhuǎn)了這種效應(yīng)，促進(jìn)了樹突狀棘的形成，并有利于突觸前連接，并增加了前額葉皮層和DG的突觸前連接。這些結(jié)果表明，經(jīng)顱磁刺激的抗抑郁作用與樹突狀重構(gòu)有關(guān)，這可能是受表觀遺傳機(jī)制的調(diào)控。因此，有必要在未來的研究中分析哪些基因受到這些機(jī)制的調(diào)控，以及它們是如何與經(jīng)顱磁刺激促進(jìn)的神經(jīng)可塑性修飾相關(guān)。
圖一 重復(fù)經(jīng)顱磁刺激和氟西汀逆轉(zhuǎn)由慢性不可預(yù)測的輕度壓力產(chǎn)生的抑郁樣行為
與對照組小鼠相比，慢性應(yīng)激小鼠的皮毛有所惡化。這一觀察結(jié)果是在CUMS暴露的第二周開始發(fā)現(xiàn)的，在CUMS開始4周后，病情惡化的水平達(dá)到了一個(gè)平臺期。在治療第二周后，兩種干預(yù)措施對CS的影響都很明顯，與假手術(shù)組相比，其余治療組仍顯著降低。糖水偏好試驗(yàn)顯示，暴露于CUMS的小鼠中存在類似的效果，在慢性應(yīng)激第三周后，與對照組小鼠相比，糖水溶液消耗水平下降；CUMS引起的影響在實(shí)驗(yàn)的其余部分中持續(xù)存在。然而，在CUMS后的第7周和第8周，與未接受抗抑郁藥物治療的慢性應(yīng)激小鼠相比，5 Hz rTMS和FLX逆轉(zhuǎn)了這種快感缺乏行為。與對照組相比，假手術(shù)小鼠從第3周到第8周觀察到該參數(shù)顯著下降。作者評估了5 Hz rTMS在強(qiáng)迫游泳（FST）中的抗抑郁樣作用。與對照組相比，CUMS導(dǎo)致不動時(shí)間增加。5 Hz經(jīng)顱磁刺激逆轉(zhuǎn)了CUMS引起的不動時(shí)間增加，而FLX顯著逆轉(zhuǎn)了靜止次數(shù)的增加，并顯示出減少不動時(shí)間的趨勢。結(jié)果表明，5 Hz的rTMS和FLX都能逆轉(zhuǎn)CUMS誘導(dǎo)的抑郁樣行為。
圖二 經(jīng)顱磁刺激改變了額葉皮層錐體神經(jīng)元和海馬齒狀回顆粒細(xì)胞中樹突棘的密度和樹突樹的復(fù)雜性
rTMS和FLX的抗抑郁作用機(jī)制可能涉及結(jié)構(gòu)神經(jīng)可塑性的改變，如邊緣系統(tǒng)的大腦結(jié)構(gòu)中的樹突狀重構(gòu)。因此，作者分析了前額葉皮層錐體細(xì)胞中樹突狀的復(fù)雜性。對前額葉皮層的Sholl分析顯示，與對照組的非應(yīng)激組相比，CUMS導(dǎo)致錐體細(xì)胞中引起的交集減少。5 Hz rTMS或FLX處理逆轉(zhuǎn)了交叉點(diǎn)數(shù)量的減少。5 Hz的rTMS和FLX逆轉(zhuǎn)了暴露于CUMS所導(dǎo)致的樹突狀復(fù)雜性的降低。作者還量化了前額葉皮層和DG中的樹突棘的密度，長期應(yīng)激小鼠的前額葉皮層和DG中的DSs密度下降。這些結(jié)果表明，5 Hz的rTMS和FLX都可以逆轉(zhuǎn)了CUMS導(dǎo)致的前額葉皮層和DG中DSs密度的下降。與對照組相比，CUMS減少了所有類型的數(shù)量，5 Hz rTMS逆轉(zhuǎn)了這一影響，但FLX傾向于逆轉(zhuǎn)慢性應(yīng)激的影響。此外，在所有組中，與絲狀偽足和薄型相比，蘑菇狀棘最為豐富。與慢性應(yīng)激小鼠相比，5 Hz rTMS并沒有逆轉(zhuǎn)薄DSs數(shù)量的減少，但增加了絲狀偽足和蘑菇DSs的數(shù)量?？傊?/span>DSs的密度和形態(tài)的結(jié)果表明，5 Hz的rTMS或FLX逆轉(zhuǎn)了由CUMS產(chǎn)生的樹突狀重構(gòu)的改變。蘑菇狀DSs數(shù)量的增加表明，這兩種干預(yù)措施，即5 Hz的rTMS和FLX，都有利于DSs參與成熟的過程。
圖三 經(jīng)顱磁刺激增加了突觸素的免疫反應(yīng)性，而不影響神經(jīng)粒蛋白的免疫反應(yīng)性
在這項(xiàng)工作中，SYP和RC3這些蛋白質(zhì)的免疫反應(yīng)性，作為一個(gè)間接標(biāo)記的表達(dá)，評估在層II/III的前額葉皮層和分子層，前額葉皮層中的RC3和DG中的ML組間沒有任何顯著差異。在前額葉皮層中的SYP的情況下，與應(yīng)激小鼠相比，使用5 Hz rTMS或FLX處理的小鼠中，SYP增加。在FLX的情況下，該治療與Ctrl和rTMS組有顯著差異。在DG的ML中，與假手術(shù)組相比，rTMS組SYP免疫反應(yīng)性增加。這些結(jié)果表明，5 Hz rTMS和FLX兩種處理均有利于位于突觸前囊泡上的蛋白SYP的表達(dá)增加。
圖四 重復(fù)經(jīng)顱磁刺激或氟西汀對組蛋白H2B乙酰化和組蛋白H33甲基化的免疫反應(yīng)性有不同的影響
為了深入了解rTMS和FLX產(chǎn)生的表觀遺傳修飾對行為和樹突結(jié)構(gòu)的調(diào)控，作者評估了H2BK16ac在前額葉皮層和DG中的免疫反應(yīng)性。H2BK16ac被評估為與樹突結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的激活表觀遺傳標(biāo)記。為此，量化了該表觀遺傳標(biāo)記物在前額葉皮層的II/III層和海馬的DG中的免疫反應(yīng)性。在前額葉皮層中，FLX增加了H2BK16ac的免疫反應(yīng)性。在DG中，作者沒有觀察到這些組間該表觀遺傳標(biāo)記的任何顯著差異。H3K9me3在組蛋白修飾水平上被評估為一種表觀遺傳抑制因子標(biāo)記。在前額葉皮層的II/III層，H3K9me3的免疫反應(yīng)性增加。然而，FLX并沒有顯著地改變這個(gè)標(biāo)記。在DG中，這些組間H3K9me3的免疫反應(yīng)性沒有顯著差異。這些結(jié)果表明，慢性應(yīng)激對前額葉皮層或DG中的H2BK16ac和H3K9me3沒有影響。但rTMS和FLX誘導(dǎo)兩種表觀遺傳標(biāo)記的免疫反應(yīng)性差異。
圖五 經(jīng)顱磁刺激增加了海馬齒狀回中整體和成熟神經(jīng)元水平上的DNA甲基化
除了探索組蛋白的乙?；图谆^程外，作者還分析了DNA甲基化，這是前額葉皮層和DG中主要的抑制因子表觀遺傳標(biāo)記的一部分。然后，將海馬的前額葉皮層和DG中5mC的免疫反應(yīng)性作為甲基化指標(biāo)，5hmC作為去甲基化指標(biāo)。5mC在前額葉皮層中的免疫反應(yīng)性在兩組間沒有任何顯著差異。然而，在DG中，與對照組相比，rTMS增加了該標(biāo)記物的免疫反應(yīng)性。與對照組相比，CUMS降低了5mC的濃度，CUMS暴露的影響被rTMS逆轉(zhuǎn)，而FLX沒有逆轉(zhuǎn)。這一結(jié)果強(qiáng)表明，經(jīng)顱磁刺激特異性地增加了海馬體的整體DNA甲基化。經(jīng)顱磁刺激增加了DG中的整體DNA甲基化水平。成熟的神經(jīng)元會增加DNA的甲基化。雖然FLX治療并沒有逆轉(zhuǎn)整體DNA甲基化的下降，但它確實(shí)逆轉(zhuǎn)了海馬DG中成熟神經(jīng)元甲基化的下降。這可能表明，經(jīng)顱磁刺激可能作用于海馬體中的其他類型的細(xì)胞，而FLX似乎對DG的成熟神經(jīng)元表現(xiàn)出更顯著的影響。
圖六 壓力暴露增加了額葉皮層的5hmC
DNA甲基化是一個(gè)通過去甲基化而可逆的動態(tài)過程，它是控制基因表達(dá)以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵部分。因此，作者通過檢測海馬前額葉皮層的II/III層和DG中5hmC的免疫反應(yīng)性來評估去甲基化水平。在前額葉皮層組，與對照組相比，CUMS暴露組顯著增加了5hmC的免疫反應(yīng)性。與假手術(shù)組相比，經(jīng)rTMS或FLX處理的小鼠沒有顯著變化。在DG中，沒有發(fā)現(xiàn)組間的顯著差異。這些數(shù)據(jù)表明，DNA去甲基化不受rTMS或FLX的影響，而CUMS增加了前額葉皮層中該表觀遺傳標(biāo)記的免疫反應(yīng)性。
作者的研究顯示，雌性小鼠通過暴露于慢性應(yīng)激而產(chǎn)生的抑郁樣行為，在這個(gè)模型中，觀察到樹突狀和突觸可塑性的顯著變化以及表觀遺傳水平上的變化。經(jīng)顱磁刺激和FLX表現(xiàn)出相似的行為和神經(jīng)可塑性效應(yīng)，表明它們的抗抑郁效果相當(dāng)。然而對這些治療對表觀遺傳標(biāo)記物的影響的研究揭示了不同的分子機(jī)制，盡管獲得了相同的抗抑郁藥物的結(jié)果。以上數(shù)據(jù)表明，經(jīng)顱磁刺激主要促進(jìn)表觀遺傳抑制機(jī)制，而FLX主要觸發(fā)激活機(jī)制。通過主成分分析，作者提出這些表觀遺傳變化與觀察到的這些樹突狀和突觸結(jié)構(gòu)的修飾有關(guān)。由額葉皮層的組蛋白H3甲基化和成熟DG神經(jīng)元的DNA甲基化介導(dǎo)的基因沉默，促進(jìn)了前額葉皮層和海馬的DSs的結(jié)構(gòu)修飾，從而激活皮質(zhì)-邊緣系統(tǒng)。這一機(jī)制可以部分解釋5 Hz經(jīng)顱磁刺激的抗抑郁作用。雖然作者的研究確定了經(jīng)顱磁刺激誘導(dǎo)的這些特定表觀遺傳標(biāo)記的修飾，但這些機(jī)制可能反過來調(diào)節(jié)了其他過程和基因表達(dá)。這些協(xié)調(diào)的相互作用最終有助于突觸的形成，這對大腦的整體功能和可塑性至關(guān)重要。
https://doi.org/10.3390/cells12162062
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