前沿纵览：儿童大脑发育障碍的干预机制和方法

      你知道吗？儿童神经发育障碍是可以改善及预后的！

      医学上神经发育障碍是指在发育时期出现行为和认知障碍,表现为学习和实践某些智力、运动或社交技能时出现明显困难。神经发育障碍关系到儿童一生的生活质量,严重者可致终身残疾。因此，家长必须更加注意孩子的这类疾病的预防及治疗，不可掉以轻心！这类疾病中的部分疾病和病情较轻的儿童通过早期诊断、早期干预可发育为正常儿童,部分疾病或程度较重的神经发育障碍通过积极干预也可大大降低致残率和减轻残疾程度,提高生活质量。

      目前世界范围内，神经发育障碍性疾病（NDDs）如脆性X染色体综合征（FXS）、天使综合征（Angelman综合征）、雷特综合征（Rett综合征）和自闭症（ASDs）等发病率在不断增加。目前为止，临床已鉴定出许多编码抑制性GABA能信号系统的NDD风险基因，基因突变或表观遗传干扰会导致这些NDD风险基因的功能障碍，进而造成抑制性神经元的异常生成、迁移和存活，还会影响抑制性环路的功能连接和可塑性，最终导致神经系统的正常发育过程受到阻碍，引起患病。

      那么，不幸得病的孩子该如何治疗以及目前有哪些治疗手段？为回答这个问题，小编在这里给大家推荐哈佛医学院波士顿儿童医院神经外科和F.M.Kirby神经生物学中心Tang xin教授及其团队发表在《nature reviews neuroscience》的文章，该综述集中讨论了GABA能信号通路在NDD中的功能，揭示了GABA能信号系统功能障碍对于NDD病因学的影响，及其应用于NDD精准治疗的前景，这将为患病儿童早期治疗提供了研究思路。

一、GABA能神经元抑制作用的基础

      GABA能信号系统通过GABA受体介导的时相性与紧张性抑制模式（phasic and tonic inhibition modes）和神经元氯离子转运蛋白对跨膜氯离子浓度梯度的动态调节来调控神经网络的兴奋性，高度动态的该系统在发育和成年期调节神经网络的活性和可塑性方面起着关键作用。

1.GABA能神经元的生成与迁移

      GABA能中间神经元约占大脑皮层神经元的20%~30%，大部分由转录因子表达的时空模式决定神经元的主要特征。简单来说，转录因子协调不同阶段细胞基因表达的变化，决定了神经元的种类和特点。增殖区产生的中间神经元，先切向迁移到皮质下和皮质区域，然后径向迁移到发育中的皮质层。中间神经元迁移的最终目的地取决于细胞对组织中GABA环境水平的反应。由于迁移过程中中间神经元KCC2（K⁺–Cl^-协同转运蛋白（cotransporter））的低表达及NKCC1（Na⁺–K⁺–Cl^-协同转运蛋白）高表达造成细胞内氯离子浓度高，导致环境GABA诱导细胞膜去极化，导致促进中间神经元运动的钙离子内流。而当中间神经元进入皮质时，KCC2上调表达，NKCC1下调表达，从而以电压敏感、钙依赖的方式抑制和终止中间神经元的迁移。在到达最终目的地皮质和皮质下脑组织后，中间神经元在遗传密码、表观遗传因素和神经活动之间相互作用的推动下进一步分化，并向兴奋性锥体神经元的不同细胞组分发出轴突投射。这些中间神经元和谷氨酸能神经元协同整合到发育中的皮质中，建立神经环路水平的兴奋/抑制平衡。

2. GABA能神经元的抑制模式

      在发育完全的大脑中，GABA能神经元主要通过两种抑制方式来调节神经环路的活动：时相性抑制和紧张性抑制。时相抑制主要由动作电位诱导的突触前GABA释放介导，并触发氯电流通过突触后位点的配体门控离子型GABA _A型受体，在数百毫秒内精确抑制。相比之下，紧张性抑制主要由突触外GABA受体介导，发挥缓慢且持久的“背景”抑制作用，在神经元兴奋性的调节中起到了实质性的作用。除此之外，神经元氯离子转运蛋白NKCC1和KCC2可作为“总开关”，动态调节跨膜氯离子浓度的电化学梯度及GABA能信号通路的效率，从而与突触数量和突触强度一起建立神经环路水平的兴奋/抑制平衡。

3.神经环路的兴奋/抑制平衡

      神经元迁移并整合进神经环路中，是形成神经网络复杂的输入输出模式和可塑性的基础。GABA能神经元是调节这些新生神经网络的核心，通过兴奋/抑制平衡，将网络的兴奋性和可塑性维持在最佳水平，促进信息的选择、处理和存储。不同亚型的GABA能神经元可靶向特定的细胞类型介导皮层的抑制性微环路，形成高度密集的突触神经支配模式，防止神经元的过度兴奋。GABA能神经元还可以产生有节奏的振荡，联系广泛分布的细胞活动，促进信息检索和巩固。多项研究表明，GABA能神经元广泛和复杂的参与在大脑发育关键期的开始和结束及神经可塑性方面发挥关键作用，并决定成年大脑学习记忆过程中的可塑性。

图1.GABA能信号系统的功能

二、NDD中GABA能神经元的功能障碍

      临床观察表示有相当比例的NDDs患者也有共同疾病发作。而E/I失衡假说认为大脑环路中GABA能神经元功能失调是NDD发病的核心机制。E/I不平衡可能由多个层次的异常扰动引起。在NDD患者的不同人群中，遗传学、分子活性或神经回路等不同异常可能会导致级联改变，从而表现为E/I失衡和NDD症状的统一。本部分中总结了近期关于E/I失衡假说的研究，以便统一NDD各种亚型发病机制，并为NDD诊断和治疗提供转化研究和前沿研究。

图2.神经发育障碍性疾病的病理机制

1.遗传、表观遗传和环境风险因素

      NDD具有很强的遗传风险，人类NDD遗传学研究表明，NDD风险基因不仅可以编码GABA能抑制系统的关键蛋白组分，还可以编码转录因子和染色质修饰物，调节GABA能神经元生成、抑制性突触形成、E/I平衡维持。自发的体细胞突变如PI3K–mTOR通路、WNT信号通路中相关基因的突变，DNA甲基化、组蛋白修饰，以及染色质拓扑结构特征相关基因突变导致的表观遗传失调，与NDD的发病也有关。此外，围产期暴露于药物、传染源等环境风险因素或是妊娠期严重感染引起的母体免疫激活（MIA）都会增加NDD的患病风险。 

2.NDD机制的趋同性（convergence）

      不同类型的NDD有聚合的分子途径，如都发现了mTOR和WNT信号通路的中断，表明了严格调控mTOR和WNT通路处于最佳水平可能是正常大脑功能所必需的。尽管遗传基础不尽相同，但不同类型的NDD仍表现出了部分重叠的病理特性，如E/I失衡。综上所述，表明不同类型NDD的发病机制具有趋同性。

2. 与NDD相关的环路和行为异常中的GABA信号

      大脑在突触和回路水平上具有高度的可塑性，并且不断地进行稳态调整。NDD风险基因在调节神经回路可塑性中起重要作用，也会调节大脑的稳态，超过稳态可塑性校正能力的扰动可能导致NDD症状，而过度补偿可能导致稳态机制不适应并导致大脑功能的二次破坏。

      与NDD风险相关的突变存在于中枢多种细胞类型中，光遗传学和化学遗传学方法可以帮助调节特定的细胞群体活动，系统认识NDD相关的异常环路和不同类型细胞在NDD相关行为中的作用。

三、NDD的靶向治疗

主流观点认为，NDD患者大脑功能是不可逆的，而一项里程碑式研究表明在MeCP2敲除Rett综合征成年小鼠中恢复MeCP2表达，即使发病后也能逆转大多数疾病相关缺陷的。说明NDD大脑并不是无法修复的，适当的治疗干预甚至在发病后都可以在很大程度上扭转症状。

1.DNA和RNA的靶向疗法

针对单基因突变的不同类型NDD，基因替代疗法和基因编辑疗法最具治疗前景，其中基因替代疗法通常利用病毒载体传递感兴趣基因到靶细胞以补偿内源基因的缺陷，但目前因为病毒载体靶向脑组织的低效性、过度表达的可能性、剂量敏感靶基因表达不足等因素的限制，还需进一步改进基因递送系统。相比之下，RNA分子可包裹在脂质纳米颗粒中，相对容易地递送到细胞中，改变目的基因的表达水平。

图3.基因水平治疗NDD 

2.蛋白质的靶向疗法

       对于多基因或零星起源的不同类型NDD，针对特定基因进行治疗并不现实，克服这一限制的常用策略是，开发直接靶向传递细胞信号、执行生物功能蛋白质的药物，从而缓解NDD症状。人类干细胞治疗和基因组编辑技术的进步，一方面有利于开发基于细胞层面的复杂疾病模型，另一方面有利于通过高通量分析筛选小分子化合物治疗NDD，有助于从病床到床边的转化。

图4.分子水平治疗NDD 

3.神经环路的靶向疗法

      在神经网络水平，改变目标蛋白表达水平和功能活性的药物，对表达目标蛋白的细胞和和其相连的细胞群体均会产生级联效应。在基础研究的疾病模型中，增强GABA能的抑制信号、药物恢复细胞氯离子稳态、内源性神经调质、光遗传学或化学遗传学、脑内移植抑制性神经元等方法均可以调节神经环路的活动，为开发NDD潜在疗法提供了多种可能性。

图5神经环路水平治疗NDD 

4.个体水平的诊断与治疗

      理解NDD发病机制的大体框架需同时考虑导致细胞的分子异常的遗传和环境因素，分子网络的功能异常，还会影响神经环路功能，最终导致行为学症状。同理，在基因、分子或是环路水平的治疗干预措施可传播积极的影响行为。因此，在个体水平评估NDD进展及干预措施的疗效至关重要。根据早期准确的临床评估能力结合行为指标、客观生物标记指标，可以诊断和评估NDD的严重程度。深部脑刺激、认知和行为疗法等生物体水平治疗与药物治疗相结合，可能产生协同作用，以控制和改善NDD患者症状。

图6.个体水平治疗和诊断NDD 

展望

      展望未来，科技创新和全世界的共同努力可能有助于阐明目前尚未解答的与NDD的病因和治疗有关的一些基本问题，如NDD发病的性别偏好、抑制性GABA能系统的发育和功能与性别特异性有何关联？GABA能神经元和其他细胞的相互作用是如何影响NDD发病？恢复抑制性GABA能的功能，可以多大程度逆转诊断后的NDD症状？无论是从基础研究、临床应用还是转化医学的角度来探讨这些基础性问题，都将有助于我们更深入的理解大脑复杂性，并为NDD患者提供有效的治疗方法。

图片来源：nature reviews neuroscience

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41583-021-00443-x
 

公司相关业务：神经示踪、基因编辑（敲入、敲除、点突变、敲低、过表达、干扰等）、行为学小鼠模型构建、干细胞诱导分化、整包服务等。 

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