孤束核瘦素信号系统参与呼吸调控的分子神经机制

Central sleep apnea or hypoventilation is ascribed mainly to impairment of respiratory drives and dysfunctions of central respiratory chemoreceptors contribute to reduced respiratory drives. Recent studies demonstrate that leptin signaling facilitates respiratory chemoreceptor reflexes and improves sleep-related hypoventilation, whereas the central targets and molecular mechanisms involved remain to be unveiled. In particular, attempt should be made to investigate effect of leptin on breathing in the nucleus tractus solitarii (NTS) as an important chemoreceptor. We therefore hypothesize that the activation of leptin signaling in the NTS contributes to potentiation of central respiratory drives and facilitation of central respiratory chemoreceptors. Toward this end, we seek to examine whether optogenetic or chemogenetic stimulation of leptin receptor-containing NTS neurons potentiates ventilation or phrenic nerve activity, to test whether leptin receptor deletion in NTS neurons impairs central respiratory chemoreflex, to test if the JAK2/STAT3 signaling molecules are recruited for leptin’s role. The outcomes would be expected to reveal molecular mechanism underlying leptin’s action on breathing and meanwhile, to identify molecular targets for precise treatment of central sleep apnea or hypoventilation.

中枢性睡眠呼吸暂停或低通气主要是由于中枢性呼吸驱动力减弱所致，而中枢呼吸化学感受器功能异常是呼吸驱动减弱的重要因素。近年研究发现，瘦素信号系统具有易化呼吸化学感受器反射，改善睡眠相关性低通气的作用，但此作用的中枢靶点和相关的分子神经机制尚待明确，尤其是作为中枢呼吸化学感受器的孤束核，其瘦素系统对呼吸的调控作用亟待深入研究。因此，我们提出如下假说：激活孤束核瘦素信号通路可增强中枢性呼吸驱动，易化中枢呼吸化学感受器反射，此作用主要是通过JAK2/STAT3途径实现的。本课题将观察：选择性刺激孤束核表达瘦素受体的神经元亚群是否增强肺通气或膈神经活动；敲除孤束核瘦素受体是否减弱中枢呼吸化学感受器反射；JAK2/STAT3信号途径是否参与了瘦素易化呼吸的效应。研究结果将揭示孤束核瘦素信号参与呼吸调控的分子神经机制，为精准干预中枢性睡眠呼吸暂停或低通气提供分子水平的靶点。

睡眠呼吸障碍（sleep-disordered breathing，SDB）是一组以睡眠期间呼吸异常为主要表现的症候群，发病率高、就诊率低，是高血压、脑血管意外和认知障碍等疾病的高危因素，日益成为突出的医疗和公共卫生问题。瘦素（leptin）信号系统异常也是其发生和发展的密切相关因素。前期研究发现，瘦素信号系统具有易化呼吸化学感受器反射，改善睡眠相关性低通气的作用，为了进一步解析中枢靶点和相关的分子神经机制，本项目应用多种转基因小鼠，化学遗传、光遗传学等方法。研究结果发现，孤束核瘦素受体神经元（NTSLepRb神经元）主要分布在尾端和中间NTS；NTSLepRb神经元轴突主要在LPBN、蓝斑核和延髓中缝核有较为密集的投射；化学遗传学方法激活清醒小鼠的NTSLepRb神经元能长时程增加基础BF和MV；选择性激活LPBN-projecting NTSLepRb神经元可显著增加BF和MV；刺激LPBN-projecting NTSLepRb神经元可激活preBötC-projecting LPBN神经元，提示NTS-LPBN-preBötC神经环路介导了激活NTSLepRb神经元易化呼吸的作用；遗传学方法凋亡LPBN-projecting NTSLepRb神经元后，再激活non-LPBN-projecting NTSLepRb神经元，RF、MV和TV无明显变化，说明损毁LPBN-projecting NTSLepRb神经元消除了刺激NTSLepRb神经元激活呼吸的作用；光遗传激活NTSLepRb神经元，膈神经放电的频率显著增加，可增加中枢性呼吸驱动；在NTS注射瘦素可长时程增加膈神经放电的频率和幅度，增加中枢性呼吸驱动；电生理学实验发现，在离体脑片急性灌流瘦素使NTSLepRb神经元细胞膜电位去极化；给予河豚毒预不能阻断，表明瘦素可直接作用于NTSLepRb神经元提高其兴奋性；离体钙成像结果显示，瘦素可增加NTSLepRb神经元钙瞬变的频率和幅度，瘦素可快速激活NTSLepRb神经元。上述结果说明，选择性激活NTSLepRb神经元通过NTS-LPBN-preBötC神经环路增加中枢性呼吸驱动，进而提高基础状态下的肺通气。这种整体水平兴奋呼吸的效应，是由于瘦素直接快速激活NTSLepRb神经元所致，为治疗睡眠呼吸障碍性疾病提供了新的靶点。