嗅覺是生命體最古老原始的感官，但人類對嗅覺的認識直到1991年才有突破性進展。
那一年，美國科學家Richard Axel和他的博后Linda B. Buck發(fā)現了嗅覺受體分子家族[1]，并因此獲得了2004年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。
今天，嗅覺又攤上大事了。
浙江大學醫(yī)學院劉沖團隊在《自然》雜志發(fā)表重磅研究[2]，他們在攜帶特定基因突變的腦膠質瘤小鼠模型體內發(fā)現，嗅覺可以激活相應功能神經環(huán)路，通過神經營養(yǎng)因子IGF1信號通路直接調控膠質瘤的發(fā)生。
據了解，這也是首次證實嗅覺可以直接調控膠質瘤的發(fā)生。另外，這個研究揭示了嗅覺與膠質瘤發(fā)生之間存在獨特的直接聯系，為膠質瘤的臨床診治提供新的思路和靶點。
聯想到之前有研究證實視覺刺激可在NF1突變小鼠中促進視神經膠質瘤的發(fā)生[3]，不禁讓人覺得，難道在某些基因突變的情況下，引起神經元活動的刺激可能成為膠質瘤的誘因嗎？
研究首頁截圖
膠質瘤是神經外科最常見的腦腫瘤之一，但又是惡性程度最高、治療最棘手的病種，膠質母細胞瘤患者經過所有治療后（手術、放化療等），其中位生存期也僅為十余個月[4]。因此，亟需開拓新的思路與靶點來打破目前臨床診療的困境。
劉沖教授團隊長期致力于膠質瘤發(fā)生與發(fā)展的機制研究，他們在前期構建的模擬成人少突膠質前體細胞（OPC）起源的原發(fā)膠質瘤小鼠模型（CKO模型，條件性敲除腫瘤抑制基因Trp53和Nf1）中發(fā)現，嗅球（嗅覺感受神經元傳導的第一站）發(fā)生膠質瘤的概率很高，且與嗅覺相關的其他中樞（前嗅核、嗅結節(jié)、梨狀皮質、杏仁核等）發(fā)生膠質瘤的概率也較高，但相比與嗅球，發(fā)生的時期較晚。
通過對嗅球亞結構的進一步剖析，他們發(fā)現腫瘤幾乎都存在并局限于突觸小球層。突觸小球層是嗅覺環(huán)路中第一級神經元（嗅覺感受神經元, ORN）和第二級神經元（僧帽/簇狀細胞, M/T cells）的信息交流區(qū)域。
這一發(fā)現提示嗅覺引起的神經元活動，可能對膠質瘤的發(fā)生發(fā)展起到重要作用。
在CKO模型中，腫瘤幾乎都存在并局限于嗅球的突觸小球層
為了進一步研究嗅覺和膠質瘤發(fā)生之間的因果關系，劉沖團隊利用化學遺傳學技術構建了可以特異性操控嗅覺感受神經元活動的Omp-hM4Di和Omp-hM3Dq轉基因小鼠，并將其整合到CKO模型中。
通過在給小鼠使用轉基因受體激動劑氯氮平，可在Omp-hM4Di小鼠中導致嗅覺感受神經元細胞膜超極化，抑制嗅覺感受神經元活性，從而減弱外界嗅覺刺激引起的神經元激活；在Omp-hM3Dq小鼠中則可以使嗅覺感受神經元細胞膜去極化，從而導致嗅覺感受神經元在無外界嗅覺刺激下過度激活。
這一技術使得研究人員可以對小鼠的嗅覺輸入進行干預，從而探究嗅覺活動對膠質瘤的發(fā)生發(fā)展是否有直接的促進作用。
結果不出所料，長期服用氯氮平顯著減少了CKO_OMP-hM4Di小鼠的嗅球腫瘤體積，即嗅覺感受神經元活動受到抑制后，腫瘤生長也相應被抑制；而在CKO_OMP-hM3Dq小鼠中，長期服用氯氮平則使得腫瘤體積顯著增大，即嗅覺感受神經元活動被持續(xù)性激活時，腫瘤生長則被促進。
為了更接近生理地對小鼠的嗅覺感受神經元活動進行干預，研究人員通過堵住CKO小鼠的一側鼻孔（單側嗅覺剝奪）來減少該側鼻孔受到的嗅覺刺激。
通過堵住CKO小鼠的一側鼻孔（單側嗅覺剝奪），來減少該側鼻孔受到的嗅覺刺激
通過這種簡單的物理性嗅覺干預，竟也能顯著減小嗅覺剝奪側嗅球腫瘤的體積，并使得突觸小球層中突變的OPC細胞增殖顯著減少。
以上研究證實了嗅覺刺激所致的嗅覺感受神經元活動可以調控膠質瘤的生長，那其內在的機制是怎樣的呢？
通過對單側嗅覺剝奪小鼠的兩側嗅球組織進行RNA-seq，研究人員篩選出了嗅覺剝奪側嗅球中有17個基因表達顯著下調，并使用RT–qPCR進行驗證。進一步對多個基因進行篩選后，發(fā)現僅有IGF1可在體外顯著刺激OPC的增殖。實際上，劉沖團隊在前期研究中就發(fā)現過IGF1R（IGF1的受體），在OPC起源的膠質瘤形成中發(fā)揮重要作用[5]。
研究人員進一步發(fā)現小鼠大腦中IGF1主要在嗅球表達，且嗅覺剝奪側嗅球中IGF1的表達較對側顯著減少，提示IGF1可能就是嗅覺刺激導致腫瘤發(fā)生發(fā)展的關鍵一環(huán)。
小鼠大腦中IGF1主要在嗅球表達，且嗅覺剝奪側嗅球中IGF1的表達較對側顯著減少
通過多個細胞標志物的染色，研究人員進一步明確了IGF1由突觸小球中的第二級神經元僧帽/簇狀細胞表達。
為了明確第二級神經元僧帽/簇狀細胞是否通過IGF1在膠質瘤形成中起關鍵作用，研究人員通過雙標記嵌合體分析技術與雙重組酶系統(tǒng)，對腫瘤起源與演化實現高分辨率的譜系示蹤，同時對腫瘤微環(huán)境進行精準的遺傳學操控。
利用這一模型，研究人員證明了在第二級神經元僧帽/簇狀細胞中特異性地敲除IGF1，可顯著抑制嗅球中OPC轉化為腫瘤細胞。
在M/T細胞中特異性地敲除IGF1可顯著抑制嗅球中OPC轉化為腫瘤細胞
最后，研究人員在CKO_OMP-hM3Dq小鼠中，敲除了IGF1R基因，即在激活嗅覺感受神經元的同時并阻斷IGF1-IGF1R信號通路，結果發(fā)現之前觀察到的由嗅覺感受神經元激活導致的促瘤作用被完全抵消。
這些結果證明，嗅覺刺激主要通過第二級神經元僧帽/簇狀細胞來源的IGF1信號通路調控膠質瘤發(fā)生。
總的來說，該研究證明了嗅覺刺激可以通過嗅覺感受神經元神經活動刺激第二級神經元僧帽/簇狀細胞分泌IGF1，促進膠質瘤的發(fā)生發(fā)展，再一次揭示了外部環(huán)境刺激可能是一種新的膠質瘤誘發(fā)因素。同時，該研究提示IGF1可作為膠質瘤治療的潛在新靶點。
研究機制示意圖
既然視覺、嗅覺相繼被發(fā)現與膠質瘤的發(fā)生存在相關性，那么聽覺、觸覺，甚至思考等精神活動是否會與膠質瘤發(fā)生存在聯系呢？
不過大家不用擔心，目前發(fā)現的視覺、嗅覺刺激與膠質瘤的相關性，都是在基因突變的小鼠中發(fā)現的（Trp53，NF1），對于正常人群來說，目前還沒有證據表明正常的感覺刺激與膠質瘤的發(fā)生有關。
希望能有更多的相關研究，為膠質瘤的診療提供新思路、新策略。
參考文獻
1.Buck L, Axel R: A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition. Cell 1991, 65(1):175-187.
2.Chen P, Wang W, Liu R, Lyu J, Zhang L, Li B, Qiu B, Tian A, Jiang W, Ying H et al: Olfactory sensory experience regulates gliomagenesis via neuronal IGF1. Nature 2022.
3.Pan Y, Hysinger JD, Barron T, Schindler NF, Cobb O, Guo X, Yalcin B, Anastasaki C, Mulinyawe SB, Ponnuswami A et al: NF1 mutation drives neuronal activity-dependent initiation of optic glioma. Nature 2021, 594(7862):277-282.
4.Louis DN, Perry A, Wesseling P, Brat DJ, Cree IA, Figarella-Branger D, Hawkins C, Ng HK, Pfister SM, Reifenberger G et al: The 2021 WHO Classification of Tumors of the Central Nervous System: a summary. Neuro Oncol 2021, 23(8):1231-1251.
5.Tian A, Kang B, Li B, Qiu B, Jiang W, Shao F, Gao Q, Liu R, Cai C, Jing R et al: Oncogenic State and Cell Identity Combinatorially Dictate the Susceptibility of Cells within Glioma Development Hierarchy to IGF1R Targeting. Adv Sci (Weinh) 2020, 7(21):2001724.
