化学反馈广泛存在于生理过程，但干预时易干扰正常功能，研究难度大。例如，成瘾药物通过增强多巴胺形成正反馈，但直接调节多巴胺会影响学习、运动等基础功能。
近日，加州大学Scott M. Sternson在Nature杂志发表相关研究论文。作者受生理调控启发提出一种合成生理学策略：在脑-体回路中引入依赖药物的反向信号，选择性打破成瘾循环。通过蛋白质工程开发出仅响应可卡因的特异性离子通道。在外侧缰核（LHb）表达兴奋性通道coca-5HT3后，大鼠的可卡因自身给药显著减少，但对食物奖赏的动机不变。该通道仅在可卡因存在时激活，抑制伏隔核多巴胺升高，从而特异性阻断药物强化，而不影响基础功能。该研究表明，可卡因化学遗传学可精准干预成瘾回路，为理解药物奖赏机制提供了新工具，并为未来开发针对其他成瘾物质的基因疗法开辟了路径。
作者旨在开发一种可卡因激活的化学遗传工具，以研究可卡因成瘾的神经机制。由于可卡因本身是多巴胺转运体的抑制剂，难以直接改造为神经调控工具，但其结构与烟碱型乙酰胆碱受体（α7-nAChR）激动剂相似。为此，研究人员利用嵌合离子通道（将α7的配体结合域与5-HT3或GlyR的离子孔道融合），并通过突变筛选增强其对可卡因的响应。关键突变（如L141G、G175K、Y210F、Y217F）显著提升了可卡因的激动活性，同时降低对内源性配体乙酰胆碱的敏感性。最终构建的coca-5HT3通道在约1.5 μM可卡因浓度下即可有效激活，接近脑内行为相关浓度且对生理水平的乙酰胆碱无响应。结合实验还显示其具有高亲和力结合位点。该工具为在体操控可卡因反应神经元、研究成瘾回路提供了新平台。
图1可卡因门控离子通道
为验证可卡因化学遗传学是否可干预可卡因的奖赏效应，研究人员在LHb表达可卡因激活的兴奋性通道coca-5HT3。LHb具有抗奖赏功能，通常被可卡因抑制从而促进觅药行为。作者设想通过coca-5HT3在可卡因存在时反向激活LHb，可抵消其抑制，进而削弱可卡因的强化作用。实验使用静脉自身给药模型。在训练阶段，表达coca-5HT3的大鼠与对照组在习得可卡因自我给药方面无差异，表明该工具不影响基本觅药能力。但在剂量-反应测试中，coca-5HT3组的可卡因摄入量显著减少，剂量-反应曲线整体下移，尤其在0.125和0.25 mg/kg剂量下输注次数明显低于对照组，表明可卡因的强化效应被削弱。对照实验显示，coca-5HT3表达不影响食物奖励获取、蔗糖偏好或自发活动，说明其作用具有情境依赖性，仅在可卡因暴露时生效，不影响自然奖赏或运动功能。该结果表明，利用coca-5HT3在LHb实现可卡因依赖性激活可选择性抑制可卡因的强化效应，为成瘾干预提供了新型精准策略。
图2 利用化学遗传学抑制外侧缰核神经元可减少可卡因觅药行为
可卡因的成瘾性主要依赖于伏隔核（NAc）多巴胺的升高，而LHb可负向调控这一过程。研究人员假设在LHb表达可卡因激活的coca-5HT3通道后，可卡因会反向激活LHb，从而抑制多巴胺释放。为验证此假设，首先使用[18F]fallypride PET成像检测多巴胺释放。结果显示，对照组大鼠注射可卡因后，腹侧纹状体的示踪剂结合显著降低，表明多巴胺水平升高；而在LHb表达coca-5HT3的大鼠中，这种置换效应明显减弱，提示多巴胺释放被抑制。进一步实验确认，coca-5HT3不影响基础多巴胺浓度，其效应特异性地发生在可卡因暴露时。此外，在腹侧被盖区（VTA）多巴胺神经元中表达可抑制性通道coca-GlyR，同样可阻断可卡因诱导的多巴胺升高，验证了化学遗传工具的有效性。最后，使用基因编码多巴胺传感器GRABDA进行光纤记录，发现对照组大鼠在可卡因刺激下伏隔核多巴胺信号显著上升，而LHb表达coca-5HT3的大鼠则无显著反应，其曲线下面积显著更低。当可卡因存在时，coca-5HT3在LHb的激活可有效抑制其诱导的伏隔核多巴胺升高，这与该干预减少可卡因自我给药的行为结果一致，表明该化学遗传策略可靶向阻断可卡因的奖赏通路。
图3 LHb表达coca-5HT3可抑制可卡因诱导的伏隔核多巴胺升高
总结
成瘾药物寻求通路与健康生理奖赏动机的共享机制，一直是开发成瘾药物药理疗法的主要障碍。作者发现，在可卡因滥用风险的成熟临床前模型中，可卡因门控的化学遗传学方法激活LHb能够抑制大鼠的可卡因摄入。由于这些化学遗传离子通道对可卡因具有特异性，未来有望发展出选择性治疗可卡因成瘾的基因疗法，同时不影响个体对自然奖赏的享受。
参考文献
Gomez JL, Magnus CJ, Bonaventura J, Solis O, Curry FP, Levinstein MR, Budinich RC, Carlton ML, Ventriglia EN, Lam S, Wang L, Schoenborn I, Dunne W, Michaelides M, Sternson SM. Cocaine chemogenetics blunts drug-seeking by synthetic physiology. Nature. 2025 Aug 27. doi: 10.1038/s41586-025-09427-8. Epub ahead of print. PMID: 40866713.