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发作之后,心脏如何卷入风险?蓝斑与心肌受体的关联线索

iScience · 2023-02-27

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iScience · 研究前沿

发作之后,心脏如何卷入风险?蓝斑与心肌受体的关联线索

DBA/1小鼠研究将发作诱发呼吸停止与蓝斑去甲肾上腺素系统、心脏酪氨酸羟化酶活性及心肌β1肾上腺素受体联系起来,结合心电图与双侧蓝斑钙信号观察脑—心轴功能关联。

原论文图11E局部:小鼠蓝斑去甲肾上腺素能神经元与GCaMP6m合并荧光视野

讨论癫痫猝死(SUDEP)的实验机制时,发作诱发的呼吸停止(S-IRA)常被视为核心环节,但呼吸变化往往与心律紊乱同时发生。2023年2月27日发表于 iScience 的一项DBA/1小鼠研究,将视野从脑内去甲肾上腺素核心核团蓝斑(LC)延伸至外周心脏:去甲肾上腺素再摄取抑制剂托莫西汀降低S-IRA发生率并减轻发作后严重房室传导阻滞的作用,在蓝斑去甲肾上腺素能神经元受损或给予β1肾上腺素受体拮抗剂艾司洛尔后均被削弱;发作后心脏酪氨酸羟化酶活性下降、磷酸化β1受体水平升高,同时双侧蓝斑群体钙信号也随药理干预呈现相应变化。

关键发现

在DBA/1小鼠诱发发作模型中,蓝斑去甲肾上腺素信号、心肌β1受体相关药理干预与发作诱发呼吸停止及心律失常存在功能关联;研究尚未确立蓝斑至心脏的直接解剖投射通路,也不等同于人类临床SUDEP预防证据。

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发作后的风险,同时牵动呼吸与心律

在癫痫相关风险研究中,发作诱发呼吸停止(S-IRA)是常用动物模型关注的关键结局,但自主神经系统同时支配呼吸与心血管功能。既往观察提示,模型小鼠在发作引发呼吸抑制的同时也伴随心率与心律改变,而提高脑内去甲肾上腺素水平的托莫西汀能够降低S-IRA发生率。

如果去甲肾上腺素信号不仅在脑内起作用,还会通过交感神经影响心脏功能,那么脑干蓝斑核(LC)与心肌肾上腺素能受体之间可能存在协同关系。研究先从削弱蓝斑去甲肾上腺素能终端或局部神经元入手,观察到托莫西汀对S-IRA发生率的降低作用随之减弱,将研究问题进一步引向外周心脏与受体的变化。

发作后心脏酪氨酸羟化酶含量升高,但酶活性下降

酪氨酸羟化酶(TH)是去甲肾上腺素合成的限速酶。为了解发作诱发S-IRA后外周心脏去甲肾上腺素合成相关状态,研究检测了DBA/1小鼠左心室血清与全心组织中的TH蛋白含量及比活性。

结果显示出一组方向相反的变化:与对照组相比,发作诱发S-IRA组在左心室血清和全心组织中的TH含量均显著升高,但两处样本中的TH酶比活性却显著降低。蛋白含量增加与催化活性下降并存,提示单纯测量酶含量不足以代表交感末梢的功能状态,发作后期交感酶活性的下调可能与心脏调节受限有关。

原论文图 3发作后心脏与左心室血清中酪氨酸羟化酶含量与比活性变化
发作后心脏与左心室血清中酪氨酸羟化酶含量与比活性变化
图3显示化学诱发S-IRA后,DBA/1小鼠左心室血清与全心组织的TH含量均高于对照组(B、C),而两处样本的TH比活性均低于对照组(D、E)。
来源:Lian X et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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各心腔磷酸化β1受体及其比例一致升高

心脏交感神经释放的去甲肾上腺素主要作用于心肌细胞膜上的β1肾上腺素受体(β1-AR)。研究分别采集右心房、右心室、左心房、左心室及全心组织,比较总β1-AR与磷酸化β1-AR(p-β1-AR)的水平。

在四个独立心腔样本中,总β1-AR含量在对照组与S-IRA组之间未见显著差异,仅全心匀浆的对照组总受体水平高于S-IRA组;相比之下,磷酸化β1-AR含量以及磷酸化受体与总受体的比值(p-β1-AR/β1-AR),在右心房、右心室、左心房、左心室和全心样本中均较对照组一致升高。作者认为,这种广泛的受体磷酸化上调反映了发作伴随S-IRA时的心脏应激代偿与受体功能状态改变。

原论文图 4心脏各腔室与全心组织的β1受体分布及磷酸化水平
心脏各腔室与全心组织的β1受体分布及磷酸化水平
图4展示各心腔β1-AR免疫荧光分布(A)及定量比较:全心总β1-AR在S-IRA组降低而各分腔未见显著差异(B),各心腔及全心的p-β1-AR含量(C)与p-β1-AR/β1-AR比值(D)均显著升高。
来源:Lian X et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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托莫西汀减轻发作后严重房室阻滞,艾司洛尔抵消这一保护

为了直接观察发作前后的心脏电生理结局,研究在声源性与化学诱发两类模型中开展了体表心电图(ECG)监测。未接受保护性预处理的对照组小鼠在发作及S-IRA出现后,迅速发生室性心动过速、室性早搏以及II–III度房室传导阻滞,并伴随心脏骤停;而预先给予托莫西汀的小鼠虽仍可出现短暂心律失常或I度房室阻滞,但致命性高级别房室阻滞明显减少并得以存活。

当在托莫西汀基础上联合给予选择性β1受体拮抗剂艾司洛尔时,托莫西汀对S-IRA发生率的降低作用以及对II–III度房室传导阻滞的缓解均被反转;单独给予艾司洛尔仅引起短暂心率减慢,并未额外诱发房室传导阻滞或改变基础死亡率。这些药理对照支持托莫西汀的呼吸与心律保护需要外周β1受体参与。

原论文图 6声源性诱发模型中心电图房室传导阻滞与存活结局对比
声源性诱发模型中心电图房室传导阻滞与存活结局对比
图6显示声源性诱发S-IRA后,对照组出现室性心动过速与II–III度房室传导阻滞并发生心脏骤停(B),而托莫西汀预处理组未出现致命性III度阻滞并存活(C)。
来源:Lian X et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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发作期蓝斑钙波增强,托莫西汀与艾司洛尔呈现双向调节

在脑干一侧,研究通过DBH启动子驱动GCaMP6m在双侧蓝斑去甲肾上腺素能神经元中表达,并利用光纤记录化学诱发发作阵挛期与强直期的群体钙信号。发作期间,双侧蓝斑的群体钙活动明显高于基线。

与溶剂对照或艾司洛尔组相比,托莫西汀预处理组在强直发作阶段的蓝斑钙信号峰值显著降低;而在托莫西汀基础上联合艾司洛尔时,强直期钙信号峰值再次升高。作者推测,托莫西汀阻断突触前去甲肾上腺素转运体后,突触间隙递质积累可能通过负反馈调节突触前钙内流与神经元活动,而外周与中枢的交互状态也会反映在蓝斑发作期钙活动之中。

原论文图 11双侧蓝斑去甲肾上腺素能神经元在发作期的光纤钙记录
双侧蓝斑去甲肾上腺素能神经元在发作期的光纤钙记录
图11展示双侧蓝斑光纤植入与DBH-GCaMP6m/TH共标(B–E),以及阵挛期和强直期钙信号热图、轨迹与峰值比较(F–K);强直期托莫西汀组峰值低于其余处理组,联合艾司洛尔后回升(K)。
来源:Lian X et al. · iScience · CC BY-NC-ND
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功能关联已显现,直接解剖环路与精确靶向仍待解析

综合药理干预、心肌酶与受体检测、体表心电图和蓝斑光纤钙记录,这项工作表明理解发作诱发呼吸停止与猝死风险不能只停留在单一器官:中枢蓝斑去甲肾上腺素能调节与心肌β1受体相关的节律稳定之间存在紧密的功能呼应。

同时,作者在讨论中也坦诚列出了当前实验的边界:研究采用的是药理与化学损毁手段以及肢体导联心电图,尚未通过神经环路示踪确定蓝斑通往心脏交感节前神经元的直接解剖路径,也未纳入射血分数等更完整的血流动力学指标。未来结合光遗传或化学遗传学实现投射特异性操控,并配合植入式连续遥测心电,将有助于把这一脑—心轴假说推进到更精确的环路机制层面。

论文信息

Lian X, Xu Q, Wang Y, Gu L, Yu Q, Shao W, Ma H, Shen Y, Liu L, Gu J, Zhang H.
Noradrenergic pathway from the locus coeruleus to heart is implicated in modulating SUDEP
iScience · 2023-02-27
DOI: 10.1016/j.isci.2023.106284