在哺乳動物中，頸動脈體是響應急性缺氧而驅動呼吸、交感神經活動和血壓的主要氧傳感器。因此與控制呼吸的腦干神經元網絡不同，在沒有頸動脈體的情況下，主要受急性缺氧抑制，交感神經網絡必須強烈興奮。然而，中央交感神經氧傳感器的分子和細胞特性在很大程度上尚未得到解決。一些研究已經確定了下丘腦和腦干中的缺氧興奮細胞，包括孤束核(NTS)和延髓腹外側(RVLM)。雖然氧傳感機制尚未完全解決，但它們可能涉及星形膠質細胞、血紅素加氧酶(H2O)、Nap通道和/或腺苷5‘-單磷酸活化蛋白激酶。然而，腦干和下丘腦中氧傳感器的存在并不排除脊髓也對氧敏感的可能性。利用人工原位灌注和整塊制劑來克服先前體內研究的局限性。我們確認脊髓交感神經節前神經元對氧敏感，并描述了確定其敏感性、關鍵功能、細胞特性和機制的實驗。利用人工原位灌注和整塊制劑來克服先前體內研究的局限性。本研究確認了脊髓交感神經節前神經元對氧敏感，并描述了確定其敏感性、關鍵功能、細胞特性和機制的實驗。


Unisense微電極系統的應用


首先對實驗老鼠使用了原位雙灌注制劑。小鼠在去腦、迷走神經切斷和去內臟的準備中，包括腦干、頸椎和胸脊髓在內的中樞神經系統通過降主動脈逆行灌注。通過頸總動脈用單獨的管線灌注頸動脈體。手術后這種原位腦干-脊髓準備物被固定在背側，顱骨和小腦被移除以暴露第四腦室。Uniesne的Clark型PO2微電極（尖端直徑為25μm，以減少組織損傷；時間常數小于1秒）和極譜放大器（Unisense）用于腦干的可達性來原位測量CNS組織PO2測試。降低微電極直至尖端接觸到老鼠第四腦室表面，微電極用來穿透組織的深度為100um，然后將微電極的尖端帶到400到800微米的深度，獲得氧分壓濃度。整體切片組織PO2使用Clark型PO2微電極（unisense）。在每組實驗之前和之后在用于灌注的相同組成的鹽水中校準氧氣微電極。降低微電極直到尖端接觸切片表面，在失去與灌注液湍流相關的P O 2波動時識別。然后將微電極尖端降低到組織中100μm的深度。


實驗結果


研究揭示了新的分子和細胞機制，這些機制具有足夠的敏感性和功效，有助于大腦的主要氧氣防御機制。因此SOS可能有助于支持自私大腦假說，該假說假設交感神經活動增加和由此產生的高血壓的主要作用是維持足夠的腦血管灌注。研究數據強烈表明SSPN作為氧傳感器。SSPN非常適合這項任務：它們對氧高度敏感，是任何中樞交感神經中繼中最直接和最不依賴突觸的，并且幾乎支配身體的每個末端器官和血管。

圖1、脊髓的氧敏感性保持在原位。(A和B)雙灌注原位制備，頸動脈體和中樞神經系統(CNS)（腦干和脊髓）隔室獨立灌注，證明灌注PO2和CNS組織之間的關系磷。使用Clark型極譜微電極（尖端直徑，<25μm）測量腦干中的中樞神經系統組織氧合，而中央灌注液的氧合從570到60-torr PO2逐漸降低（PCO2保持在40 torr）以5分鐘步進遞減。頸動脈體灌注液始終保持恒定。隨著CNS的PO2進入生理范圍，當CNS的PO2嚴重缺氧時。(C)顏色編碼框總結了灌注液PO2和平均(μ)組織PO2之間的關系.(D和E)原位胸脊髓準備證明g-SNA和(B)中建立的組織PO 2之間的關系.g-SNA標準化為50托的組織PO 2近似于體內CNS常氧。(F)g-SNA反應在存在神經節阻滯劑六甲銨(100μM)的情況下在原位脊髓制備中持續存在，這表明氧敏感性不依賴于交感神經鏈內的突觸連接。

圖2、新生兒在原位灌注的胸脊髓和整塊橫向胸脊髓切片制劑中對缺氧的交感神經反應。(A)記錄新生兒(P2)g-SNA在單次灌注胸脊髓原位制備中對缺氧的反應（左上角示意圖）。減少灌注液PO2會增加g-SN活性。方框：顏色編碼說明了以托為單位的灌注液P O 2。曲線下的幅度和/或面積表示活動水平。(B)使用Clark型微電極的IML組織P O 2測量，尖端低于組織表面100μm，對側腹神經記錄來自整塊橫向胸脊髓切片制備（左上角示意圖）。作為組織PO2在14種制劑中的8種中，腹神經活動減少，腹神經活動增加。P O 2閾值響應（如上定義）發生在140±121托（n=8）。（C）整體制劑中的單個IML SSPN（全細胞）和腹根神經活動（T2）。在1分鐘的峰值響應期間，發射率增加了3.67±1.32峰值/秒（n=8)。在TTX中，缺氧使神經元去極化3.1±0.98 mV（重復測量單向ANOVA；基線與缺氧，P=0.03；缺氧與沖洗，P=0.01；n=10）但對膜電阻沒有影響（1049±29兆歐；重復測量單向方差分析，P=0.5；n=10)。

圖3、NOS1在SOS中的作用。(A)大鼠胸脊髓IML中NOS1的過氧化物酶免疫組化。（B和C）小鼠胸脊髓中NOS1（紅色）和ChAT（綠色）的雙熒光免疫組化。(D)合并NOS1和聊天標記。IML（虛線方塊）在底部面板中被放大。（E到H）框：顏色編碼說明灌注液的PO2。左：大鼠原位胸脊髓制劑中g-SNA對缺氧的反應（見示意圖）。在1分鐘間隔內測量低氧反應（灌注液和組織PO 2，分別為100和~6 torr）和藥物效應，反應最大，分別以橙色和灰色表示。右：分組數據。(F)L-NNA、NOS1阻斷劑；(G)L-精氨酸，NOS1激動劑；(H)SNP，不依賴NOS的NO供體。

圖4、NOX和ROS在SOS中的作用。方框顏色編碼說明了以torr為單位的灌注液PO2。左：大鼠原位胸脊髓制劑中g-SNA對缺氧的反應（見示意圖）。在1分鐘間隔內測量低氧反應（灌注液和組織PO2，分別為100和~6 torr）和藥物效應，分別以橙色和灰色表示。右：分組數據。A夾竹桃麻素、NOX抑制劑；(B)釓、NOX激動劑；(C)MnTMPyP，SOD模擬物；(D)H2O2,活性氧。

圖5、SOS氧傳感機制模型。兩種酶NOS1（神經元NOS）和NOX2競爭共同底物NADPH。NOS1在IML中非常豐富，并作為PO2依賴的NADPH。當PO2下降時，NADPH可用性增加，增加NOX2活性并產生超氧化物(·O2)和H2O2。ROS激活包括TRPA1和TRPM4在內的多種受體，增加細胞內鈣和SSPN活性。該模型意味著需要剩余量的氧氣來維持NOX產生ROS和SOS響應；即使組織P O 2為零保持，SOS失敗。


結論與展望


血液氧合減少（低氧血癥），哺乳動物會產生心肺反應，增加重要器官的氧氣。頸動脈體是呼吸的主要氧化學感受器，但交感神經介導的心血管對缺氧的反應持續存在，這表明存在額外的高保真氧傳感器。本論文研究表明脊髓胸交感神經節前神經元因缺氧而興奮并因高氧而沉默，與周圍的星形膠質細胞無關。這些脊髓氧傳感器(SOS)增強了由CNS窒息樣刺激引起的交感呼吸活動，表明它們具有生死攸關的優勢。數據表明SOS使用的機制涉及神經元一氧化氮合酶1(NOS1)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOX)。研究人員建議NOS1作為高氧中NADPH的氧依賴性水槽。在缺氧情況下，NOS1對NADPH的分解代謝減少，增加了NADPH對NOX的可用性，并啟動了活性氧依賴性過程，包括瞬時受體電位通道激活。配備這種機制，SOS可能對慢性疾病、脊髓損傷和心肺危象的生理調節具有廣泛的重要性。