Nature | 施英唐等揭示新生婴儿母体外的首次自主呼吸启动调控机制
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人一生中难得有时刻像新生儿的第一声啼哭那样至关重要并值得庆祝。胎儿在出生前无需呼吸,其所需氧气和营养均由母体通过胎盘和脐带提供。因而离开母体的那一时刻是生命最为脆弱的时候。第一声啼哭也是婴儿的第一次自主呼吸,它启动了肺循环,标志新生儿脱离母体独立生存的开始。
近日,弗吉尼亚大学医学院的
施英唐
、
Patrice G. Guyenet
和
Douglas A. Bayliss
引领研究团队在
Nature
上发表了文章
A brainstem peptide system activated at birth protects postnatal breathing
,
揭示脑干中的一个呼吸环路随着新生命的出生而被激活,推动了生命的第一个自主呼吸及其早期呼吸
。这也使得神经呼吸系统协同血液循环系统随着首次呼吸演变成为一个为个体完美供氧的稳定生理系统。此研究也
为婴儿猝死症
(sudden infant death syndrome,
SIDS
)
的病因带来新认知。
此中枢呼吸研究团队长期致力于脑干延髓腹外侧区的斜方体后核(the retrotrapezoid nucleus, RTN)的生理功能研究。
RTN是中枢呼吸核团中关键的二氧化碳(C
O
2
)化学感受器,监测体内CO
2
/H
+
变化从而调节呼吸的深度和速度
。RTN神经元的PHOX2B基因突变导致了先天中枢换气不足,体现在病人对CO
2
的反应能力下降并时常出现呼吸暂停现象
(即窒息)
。本文就针对该团队最新的研究进展——RTN神经元通过释放垂体腺苷酸环化酶激活肽
(Pituitary adenylate cyclase-activating peptid, PACAP)
至中枢呼吸节律中心
(the pre-Bötzinger complex, preBötC)
以启动和保护新生儿的自主呼吸进行描述
(Shi et al.,
Nature
, 2020)
。
此项研究早期研究团队通过单细胞测序发现RTN神经元表达诸多神经肽
(Shi et al.,
JNS
, 2017)
,其中就包括表达于所有RTN 神经元的PACAP。已知人PACAP基因突变与SIDS相关联,并且PACAP基因敲除小鼠呈现SIDS性状,这些小鼠呈现显著呼吸暂停及对CO
2
刺激钝化的现象,出生早期即死亡。因而研究小组设想RTN神经元中的PACAP很可能参与了中枢呼吸调节。他们将
Phox2b-cre
和
Pacap
fl/fl
小鼠进行杂交从而产生了PACAP基因选择性敲除于PHOX2B神经元小鼠
(
Phox2b::cre;
Paca
p
fl/fl
,
图1a-c
)
。在CO
2
浓度上升环境中,这些小鼠呼吸频率显著低于对照组小鼠;在高氧状态下,这些小鼠的呼吸暂停现象又显著高于对照组。与此同时研究者利用病毒定点敲除
(图1d)
或敲低
(图1f、g)
RTN神经元的PACAP,结果显示所有实验组小鼠呼吸性状均与
Phox2b::cre; Paca
p
fl/fl
小鼠一致。随后研究团队将PACAP定点表达于
Phox2b::cre; Paca
p
fl/fl
小鼠的RTN神经元中,让人兴奋的是PACAP在RTN中的重新表达不仅恢复了小鼠对C
O
2
刺激的敏感度并且降低了它们呼吸暂停的发生频率
(图1e)
。这些结果说明了
PACAP参与了RTN神经元对C
O
2
的刺激反应从而推动呼吸。
图1 删除RTN神经元的PACAP抑制正常呼吸
研究团队进一步探讨RTN神经元PACAP基因被定点敲除或敲低后对CO
2
刺激反应敏感度下降的机制。1)PACAP删除可能导致RTN神经元的神经兴奋性下降,从而也降低了对CO
2
刺激的反应?正常情况下,多数RTN神经元会因CO
2
刺激而兴奋,从而表达cfos。在动物水平上,研究团队通过升高CO
2
刺激RTN神经元以表达cfos, 然而他们并没有观察到实验组和对照组中RTN 神经元所表达cfos数目的差异。于此同时,他们在细胞水平上对RTN神经元进行了电生理记录,发现实验组神经元对酸碱变化保持与对照组一样的正常反应。以上两组实验均说明
RTN神经元对CO
2
/H
+
可兴奋性不因PACAP删除而改变
。2)另一种可能性是RTN神经元所投射的下游呼吸核团因接收不到PACAP信号从而导致无法正常行使呼吸输出功能?RTN神经元在脑干中有多重投射位点,这些位点核团多数参与中枢呼吸输出。研究小组通过PACAP受体
(PAC1)
表达以及在RTN神经元PACAP被敲低后RTN下游投射核团对CO
2
刺激反应进行排查。结果发现呼吸节律中心preBötC不仅表达PAC1,而且在CO
2
刺激下实验组神经元兴奋
(cfos)
数目相较于对照组显著下降
(图2a、b)
。因而研究团队锁定了这一区域对PAC1进行基因敲低,结果显示小鼠在呼吸表型上呈现了与PACAP选择性敲除于RTN神经元的小鼠一样,即对C
O
2
反应不敏感并且呼吸暂停率上升
(图2h)
。于是研究团队通过立体定位直接显微注射PACAP到preBötC区域,同步记录膈肌呼吸肌电图变化,发现PACAP可引发呼吸肌电位频率和振幅的增加
(图2c、d)
。相应的,往PAC1基因敲低后的preBötC区域注射PACAP,呼吸肌电位的放电特征并明显改变。由此说明了消除preBötC区域的PAC1受体阻断了PACAP 在此区域推动呼吸输出的功能。至此上述结果
揭示了一个PACAP(RTN)到PAC1(preBötC)对C
O
2
敏感的脑干呼吸微环路。
图2 CO
2
和PACAP激活preBötC神经元从而推动呼吸输出;敲低preBötC神经元PAC1抑制此区的呼吸输出功能并提高了呼吸暂停率
研究团队接着进一步探讨了RTN神经元PACAP的可能生理功能。已知非特异性PACAP基因敲除小鼠刚出生就伴随心血管呼吸混乱。于是研究团队从发育学角度上对PACAP
(RTN)
及其PAC1
(preBötC)
受体表达进行时间上的定量检测,发现从出生前到成年的preBötC 区域的PAC1表达基本维持在同一水平上;然而RTN神经元中的PACAP表达随着小鼠的出生而呈现显著变化,即由出生前的极低转录到一出生的急剧上调
(图3 a、b、f、g)
,一周之后逐渐下降直至成年
(图3b)
。研究团队同时检测RTN神经元中其它与呼吸功能相关基因发育表达变化
(包括神经肽、神经递质和转录因子等)
,以及脑干中其它表达PACAP的核团的PACAP发育表达变化
(包括调节呼吸的束状核(the nucleius tractus solitaries, NTS)和与RTN神经元相互交错的儿茶酚胺神经元 (the C1 neurons))
,结果均没有出生峰值表达模式出现。这说明了
RTN神经元PACAP的时间性表达模式极具特异性
。PACAP这种出生时急速上调表达是适时的基因调控程序性表达的结果?还是与出生呼吸所需表达有关?研究团队给予怀孕母鼠
(e16.5-e18.5)
抗孕激素药物促使其24小时内提前分娩
(图3c)
。他们发现所有暴露在空气中早产小鼠的RTN神经元在出生后立即高速表达PACAP,然而早产后还在羊膜囊中的小鼠其RTN神经元的PACAP水平依旧维持在胚胎期低水平状态
(图3d、e)
。这说明了
RTN神经元
PACAP
的这种出生即刻性表达显然与小鼠受到母体外周围环境刺激有关,也是对新生命开始空气呼吸的一种应答
。
图3 RTN神经元PACAP的出生后迅速上调表达
RTN神经元释放的PACAP除了启动自主呼吸,是否也支持新生儿的稳定呼吸?研究团队对刚出生的RTN神经元PACAP敲除小鼠
(P2-P12)
进行呼吸行为测试,发现这些小鼠的呼吸暂停频率远远高于对照组小鼠,并且随着周围温度的上升
(到38℃)
或下降
(到22℃)
,其呼吸暂停次数显著上升;不仅如此,这些小鼠对CO
2
刺激反应的敏感度比对照组明显降低,这种状态极可能触发SIDS。
综上所述,
该研究揭示了脑干呼吸化学感受神经网络中一个基于PACAP及其受体的神经肽微环路,它不仅随着出生后周围环境的刺激而激活,而且还保护了脆弱新生命呼吸系统的正常进行。
正常环境条件下,新生儿时而也会有对CO
2
刺激不敏感,或有呼吸紊乱,或有稳态化学感受系统的功能失调等状态出现,这些状态均会导致中枢换气不足症,早产儿呼吸暂停甚至SIDS。SIDS作为婴儿死亡的最主要原因,其具体病因尚不清楚,科学家认为可能与遗传和环境因素有关。弗吉尼亚大学中枢呼吸研究团队的这项最新研究提示
PACAP神经肽环路系统任何一环节发生问题都可能造成新生儿中枢呼吸疾病的发生,从而为SIDS的病因带来了新认识。
据悉,弗吉尼亚大学团队此项研究得益于以下合作者的帮助:加拿大艾伯塔省大学的神经科学和精神健康研究所
Gregory D. Funk
课题组提供了脑干脑片场电位记录证明了PACAP提高preBötC所控制的的呼吸输出;哈佛大学医学院
Rachel A. Ross
课题组提供了PACAP
fl/fl
小鼠。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2991-4
制版人:十一
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