利用同步辐射X-射线谱学和红外谱学研究颞叶癫痫发生过程中金属离子和生化分子代谢

Dyshomeostasis of metal ions and biochemical molecules is a well-recognized vital factor involved in neural cells damage and death. The synchrotron radiation x-ray microspectroscopy is the unique technique that allows the quantitative analysis of metal elements in human tissue samples at the single-cell level. The synchrotron radiation infrared microspectroscopy can provide the information of functional molecular groups such as lipids, proteins, and nucleic acids by achieving diffraction-limited spatial resolution. This project will take advantage of synchrotron radiation to study the relationship of the imbalance of metal ions and biochemical molecules with the neural network dysfunction in temporal lobe epilepsy, combined with modern biological techniques. The project not only improves the molecular pathogenesis of temporal epilepsy, but also abounds the technical methods in epilepsy study and facilitates the application of synchrotron radiation in biological field.

金属离子与生化分子代谢障碍是神经细胞损伤死亡的重要病理因素，日益受到研究者的重视。基于同步辐射的X-射线谱学技术是目前少数能够同时非破坏性地定量单细胞尺度内多金属元素分析的成像技术，同步辐射红外光谱显微成像能在衍射限制空间分辨率同时全面获得生物分子如核酸、蛋白质、脂类的代谢信息。本项目将以经典化学药物诱导颞叶癫痫动物和独有天然多肽BmK I致癫动物为研究对象，充分利用同步辐射光源优势，检测颞叶癫痫动物不同脑区各种神经细胞金属离子与生化分子代谢状态，结合现代分子、细胞生物学及组织病理学技术，深入研究金属离子、生化分子代谢与颞叶癫痫神经网络失衡发生发展的关系与作用机制。本项目不仅能够丰富颞叶癫痫发生的分子病理机制，还可以拓宽癫痫研究的技术领域，为开展和成熟我国同步辐射大科学装置在生命科学中的应用提供重要的技术和经验积累。

本项目基于同步辐射扫描透射软X射线谱学显微成像技术及红外光谱显微成像技术，以多种动物、细胞模型为研究对象，结合现代分子、细胞生物学及组织病理学技术，深入研究金属离子、生化分子代谢与颞叶癫痫神经网络失衡发生发展的关系与作用机制。主要成果包括：（1）在颞叶癫痫发生过程中的急性期和慢性期神经元的主要生物化学分子如糖类、蛋白质、脂类、核酸均出现细胞内的浓度、分布及结构改变。这种生化分子代谢障碍可能与癫痫神经网络的高兴奋性密切相关。（2）同步辐射扫描透射软X射线谱学显微成像技术检测结果显示相比U251胶质细胞内Na离子的分布稀疏，原代培养的反应性星形胶质细胞细胞核以及胞体内分布了大量的Na离子。μ-XRF结合激光共聚焦显微镜结果显示钠通道阻断剂丙戊酸钠能够显著减少反应性星形胶质细胞内 Ca离子的浓度。（3）调控神经元胞内Na离子浓度的关键分子-电压门控钠离子通道亚型Nav1.6在颞叶癫痫大鼠海马反应性星形胶质细胞中呈高表达。下调颞叶癫痫大鼠海马Nav1.6的表达能显著降低大鼠癫痫发作及高频高幅癫痫脑电信号。（4）电压门控钠离子通道亚型在脑缺血大鼠、帕金森病大鼠脑中表达异常升高，并且与大鼠的脑功能障碍密切相关。以上研究结果提示金属离子与生化分子代谢障碍可能与癫痫神经网络的高兴奋性密切相关。该研究结果能够丰富颞叶癫痫发生的分子病理机制，拓宽癫痫研究的技术领域，为同步辐射大科学装置在生命科学中的应用提供重要的技术和经验积累。本项目按计划完成既定目标，发表论文6篇，其中SCI收录论文6篇。培养已经毕业博士研究生1名，硕士研究生3名。