喉嚨中的化學物質引發(fā)的神經反射保護氣道免受誤吸和感染。這些反射的機制理解仍然不成熟。

基于此，2025年4月5日，日本京都府立醫(yī)科大學分子細胞生理學系Akiyuki Taruno研究團隊在Cell雜志發(fā)表了“Channel synapse mediates neurotransmission of airway protective chemoreflexes”揭示了通道突觸介導氣道保護性化學反射的神經傳遞。

在本研究中，作者發(fā)現(xiàn)了喉嚨中Pou2f3+化學感應細胞（PCCs）家族的亞類，它們通過這種突觸與迷走神經元通信。這些細胞表達對有害化學物質敏感的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）：T2Rs，刺激后分別觸發(fā)下咽部的吞咽反射和喉部的類似咳嗽的排異反射。Calhm3和Pou2f3基因敲除消除了這些反射，而通過靶向光遺傳學刺激可以觸發(fā)這些反射。此外，氣源性過敏原暴露增強了依賴于CALHM3的排異反射。結果表明，具有通道突觸的Pou2f3+上皮細胞是氣道保護性反射的化學感受器及其高反應性的發(fā)生部位，該研究推動了對氣道防御機制的理解，并展現(xiàn)出獨特的治療潛力。

圖一 下咽部和喉部的PCC與迷走神經傳入纖維形成了通道突觸

作者首先在44個器官中篩選了基因小鼠中的報告基因共表達情況，這些小鼠分別在Calhm1和Calhm3啟動子下表達GCaMP3和tdTomato。發(fā)現(xiàn)同時表達兩種Reporter++的細胞是罕見的EpCAM+上皮細胞，存在于犁鼻器、喉嚨、氣管和胸腺中。在喉嚨中，Reporter++細胞聚集在下咽部杓狀軟骨背側表面的味蕾中（簡稱下咽部味蕾），或分散在喉部表面，包括聲門上和聲門下的上皮組織中。其次，大多數(shù)Reporter++細胞表達PCC標記物PLCB2和TRPM5。Reporter++細胞在PLCB2+細胞中的比例因組織而異，這表明PCC家族在不同組織內存在異質性。通過可視化表達Vglut2的神經纖維，顯示傳入神經元與PLCB2+ PCC之間可能存在接觸，其中CALHM1蛋白集中分布，表明喉部PCC受到迷走神經支配。在Calhm3Tom/+小鼠的NJP超神經節(jié)中注射編碼EGFP的腺相關病毒，這些小鼠在Calhm3啟動子下表達tdTomato，標記了與tdTomato+細胞接觸的上皮內神經纖維；而在迷走神經切斷的動物中未觀察到這種標記，證明標記的傳入神經為迷走神經。與Reporter++細胞接觸的傳入神經表達ATP受體P2X2和P2X3。此外，在P2X2Cre小鼠的NJP超神經節(jié)中注射依賴Cre的病毒標記了與PLCB2+ PCC接觸的神經纖維，表明PCC受到嘌呤能迷走神經傳入的支配。下咽部tdTomato+味覺細胞顯示出II型味覺細胞的形態(tài)特征，包括透明的胞質、頂端微絨毛以及具有少量凹陷的橢圓形核。喉部tdTomato+細胞表現(xiàn)出簇狀細胞的形態(tài)特征，如頂端微絨毛、密集的管狀囊泡器官和貫穿胞質的絲狀結構。這些細胞也被神經纖維接觸，接觸點在其胞質中具有次表面囊泡。因此，這些突觸前元件的存在以及突觸前囊泡的顯著缺失，表明PCC和傳入神經之間存在一種稱為通道突觸的特殊細胞連接。在對喉上神經（SLN）進行體內全神經記錄時，光遺傳學激活下咽部和喉部PCC引發(fā)了Calhm1-ChR2或Pou2f3-ChR2小鼠的反應。氣管PCC激活或SLN光照并未引發(fā)SLN活動，證實反應來源于SLN支配區(qū)域內的ChR2+ PCC。光學誘發(fā)的SLN活動被AF-353（P2X3和P2X2/P2X3的拮抗劑）抑制，但不受乙酰膽堿受體抑制劑影響，表明PCC-迷走神經的嘌呤能信號傳導。Calhm3敲除選擇性消除了變苦精引發(fā)的反應，證明了CALHM3（以及可能的CALHM1/3通道突觸）在PCC-迷走神經通信中的關鍵作用。這些多方面的證據(jù)表明，迷走神經元與下咽部味覺細胞和喉部簇狀細胞之間存在通道突觸。

圖二 下咽味蕾中的Ⅱ型味覺細胞介導吞咽反射

為了探究下咽部味覺細胞與舌部味蕾的蛋白質表達共性，對下咽部味蕾進行了單細胞RNA測序共鑒定了12種細胞類型，并發(fā)現(xiàn)下咽部和舌部味蕾在細胞組成上既有共同點也有差異。這些細胞表達Calhm1和Calhm3，以及將受體激活與CALHM1/3激活連接的所有必要成分，類似于舌部II型味覺細胞。通過原位雜交確認了Calhm1和Calhm3在Plcb2+ II型細胞中的共表達。膜片鉗記錄顯示下咽部II型味覺細胞具有自發(fā)電活動和電壓門控Na+電流，表明其電興奮性。T2R激動劑能引發(fā)這些細胞的去極化反應，而這些反應可被TTX抑制。進一步實驗表明，下咽部II型味覺細胞不僅能夠感知腔面T2R激動劑并被激活，還能通過嘌呤能CALHM1/3通道突觸向迷走神經傳遞信息。此外，研究還揭示下咽部II型味覺細胞在觸發(fā)吞咽反射中的作用，即它們能夠響應化學刺激物（如水、高鹽、檸檬酸及T2R激動劑）并通過這種機制啟動吞咽過程。最后證實了TRPM5在這一信號傳導路徑中的重要角色。這些結果揭示了下咽部II型味覺細胞通過激活T2R、TRPM5和通道突觸來觸發(fā)吞咽的模式和機制。

圖三 小鼠對施加于喉部的有害刺激所產生的呼吸性排出反射

作者同時監(jiān)測了麻醉小鼠的呼吸活動，同時將化學物質噴灑到喉腔中。檸檬酸在小鼠中始終引發(fā)一種特征性反應，這種反應不同于正常呼吸和吞咽。該反應包括通過擴張的聲門深吸氣以及隨后在狹窄的聲門下進行強烈而持久的呼氣（呼氣努力），且不伴隨二腹肌活動。盡管小鼠無法發(fā)出可聽的咳嗽聲，但這種小鼠反應具有上述特征性的呼吸和聲門動作，其表型與其他物種的咳嗽相似，并共享類似的神經機制。這種反應可以通過對喉部施加典型的咳嗽刺激物來誘發(fā)，例如酸、熱和觸覺刺激。在雙側切斷SLN后，這種反應顯著減弱，而SLN在其他物種中是介導咳嗽的關鍵神經通路。該反應涉及腹外斜肌（EO）的激活，突出了呼氣階段的主動性，這是咳嗽反射的核心特征。在咳嗽過程中，聲門內收與吸氣和呼氣努力的協(xié)調作用有助于加速氣流。小鼠的這種反射顯示出效應肌肉的時間激活模式，即吸氣肌（膈肌，DIA）、EO和TA的依次激活（DIA/TA/EO），這與其他物種典型的咳嗽效應序列相似，表明可能存在類似的中樞模式發(fā)生器。此外，小鼠的這種反射還與其他呼吸反應（如呼氣、吸入反射和增強呼吸）不同，后者缺乏明顯的吸氣或呼氣努力。因此，這種小鼠的排異反射在機制上與其他物種的咳嗽相關；作者將稱之為“類似咳嗽反射”。這種反射可以通過其特征性的呼吸模式或聲門運動識別。

總結

本研究旨在識別小鼠氣道保護性反射（包括吞咽和呼吸排異）的通路，這些反射由下咽部和喉部中稀有的化學感應上皮細胞亞群驅動。這些細胞通過通道突觸與迷走神經進行神經傳遞，同時這些通路還參與了過敏性高反應性的形成。

圖四 全文摘要圖示

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.007