可卡因(cocaine)成瘾是全球性的社会公共问题，目前尚无有效的治疗方法。可卡因干扰大脑突触传递从而引发成瘾效应。可卡因在体内的作用靶点众多，主要集中于大脑中的单胺类神经系统，如多巴胺、去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）和五羟色胺等神经调质系统。大脑内的NE来源较为单一，主要由位于脑干处的蓝斑核团分泌（约占脑内75%NE），称之为蓝斑-NE系统。小鼠注射可卡因可以显著提高蓝斑区域的NE水平，提示蓝斑神经元可能是可卡因作用的靶细胞。

神经冲动传递至蓝斑神经元胞体树突区域或轴突后，引发钙内流，继而诱发细胞分泌。分泌到突触间隙的NE与受体结合启动细胞内信号反应，完成信号传递的NE会被去甲肾上腺素转运体（NET）转运至突触前膜内进行回收。NET是可卡因的作用靶点之一，也是最早被克隆出来的“可卡因受体”家族蛋白。可卡因作用于NET能增加胞外NE的水平。理论上分析，可卡因有两种机制增加胞外NE水平：① 增加NE的分泌水平；② 阻断转运体对胞外NE的回收。之前工作报道可卡因通过阻断转运体的回收来增加NE水平，但并未检测可卡因对NE分泌的影响。主要是缺乏对NE分泌的直接测量工具。因此，对于可卡因是否能调节神经递质分泌这个问题，仍是未解的重要的科学问题。

为解决可卡因是否影响神经调质分泌这一问题，作者采用微碳纤电极检测量子化神经递质囊泡分泌的方法，从而避免转运体回收对信号的干扰。通过使用电生理-电化学联合记录的方式检测去极化刺激诱发的量子化NE分泌，发现可卡因对蓝斑神经元NE量子化分泌的频率具有直接增强作用（图一）。由于NET一般认为是可卡因在蓝斑NE系统的作用靶点，作者利用药理学手段证明NET也参与可卡因对细胞分泌的增强作用。 

图一：可卡因增加蓝斑神经元NE量子化分泌频率

为直接探究NET在可卡因调控蓝斑NE分泌作用中的功能，作者将可卡因与NET的结合位点进行突变，得到对可卡因不敏感的NET（NET-CI）突变小鼠。在NET-CI小鼠上，研究可卡因对蓝斑神经元细胞分泌的影响发现，可卡因不再增强蓝斑神经元NE量子化分泌事件频率（图二，A-D）。这表明可卡因对细胞分泌的增强作用确实是通过结合NET来完成的。为进一步对这一现象进行佐证，作者对蓝斑神经元胞体的可释放囊泡进行电镜观察。结果发现，蓝斑神经元在可卡因处理后，其可释放囊泡的数量显著增加，而代表囊泡内吞的网格蛋白有被小窝的数量没有明显变化（图二，E-F）。这与图一中作者发现囊泡量子化分泌事件的频率增加结果是一致的。

图二：NET介导可卡因对NE分泌增强的作用

作者后期对可卡因增加分泌的机制进行深入研究发现，NET可能通过增加蛋白激酶C（PKC）的活性，从而增加可释放囊泡的数量使得NE分泌增多。并且运用离体电生理、行为学等手段表明可卡因借助对蓝斑神经元胞体NE分泌的调控可以抑制蓝斑神经元的兴奋性，进而抑制可卡因药物引发的小鼠兴奋行为。作者通过化学遗传学特异性抑制蓝斑-NE神经元的放电活动，同样抑制了可卡因诱发的小鼠兴奋自由活动，表明蓝斑神经元的放电活动与可卡因诱发的小鼠兴奋行为有关 （图三）。

图三：可卡因调控蓝斑神经元胞体NE分泌进而抑制蓝斑神经元的兴奋性并抑制可卡因药物引发的小鼠兴奋行为

综上，此工作通过结合多种研究方法，首次表明成瘾性药物可卡因不仅仅是阻断单胺类转运体的转运回收功能，它还能够通过作用于转运体激活细胞内信号通路，直接增强细胞分泌，从而增加胞外单胺类神经递质的水平，促进奖赏或成瘾行为 （图四）。鉴于可卡因成瘾是重大国际性社会问题，本研究可能为可卡因成瘾的治疗提供潜在的药物新靶点和新机制。

图四：可卡因增强蓝斑神经元胞体释放囊泡进而影响小鼠行为模式图

周专教授与徐志卿教授、顾好钢教授、张勃研究员为本文的共同通讯作者，北京大学博士后祝飞鹏、首都医科大学刘丽娜工程师和北京大学博士生李杰为共同第一作者。

该研究获得了北大清华生命科学联合中心、国家自然科学基金、国家重点研发项目、北京市科委、美国NIH、深港脑科学创新研究院的经费支持。该研究得到了北京大学生命科学学院电镜中心的技术支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111199