拮抗中枢GABA_A和腺苷受体可逆转脑干5-羟色胺减少所导致的自动复苏缺陷

《Respiratory Physiology & Neurobiology》：Antagonizing central GABA A and adenosine receptors reverses the autoresuscitation defects caused by reduced brainstem serotonin

　　

•婴儿猝死综合征（SIDS）与延髓血清素（5-HT）系统的缺陷以及严重缺氧条件下自动复苏失败有关。
•我们之前证明，咖啡因可逆转缺乏中枢 5-HT 的幼龄 Pet-1-/- 小鼠的自动复苏缺陷。
•缺氧诱导 GABA 和腺苷释放，抑制心肺神经回路。
•在此，我们检验了阻断 GABAA 和腺苷受体可逆转 5-HT 缺陷幼龄 Pet-1-/- 小鼠自动复苏缺陷的假设。
•中枢给药 GABAA 拮抗剂完全恢复了幼龄 Pet-1-/- 小鼠的自动复苏能力，并延长了它们能存活的缺氧发作次数。关于腺苷受体的初步研究显示了类似结果。
•针对存在血清素功能障碍的易感婴儿的 GABAA 或腺苷受体可能是一种降低 SIDS 发病率的可行策略。

引言
定义为 SIDS 病例的是，对于 1 岁以下婴儿的突然、意外死亡，在进行全面尸检、死亡现场调查和回顾婴儿病史后仍无法解释。SIDS 仍是婴儿死亡的主要原因；在 1990 年代初的“仰卧睡眠运动”（Back-to-Sleep Campaign）之后，其在美国的发病率显著下降。然而，自初始下降以来，SIDS 发病率令人沮丧地停滞不前，并且出乎意料的是，过去 5 年来发病率有所上升。普遍认为，SIDS 婴儿天生患有或获得了代表易感性的生物学缺陷，并且死亡发生在发育的关键期——大多数死亡发生在 1-6 个月大时——此时婴儿暴露在某种环境压力下（Filiano 和 Kinney, 1994）。

过去 4 十年中进行的科学研究提供了大量证据，表明缺氧是 SIDS 病因中的关键因素。许多研究提供了数据支持以下概念：SIDS 婴儿在死亡前的几天、几周或几个月内经历慢性缺氧（Kinney 等，1983, Naeye, 1973, Naeye, 1974, Naeye 等，1976, Poulsen 等，1993, Rognum 和 Saugstad, 1991, Rognum 等，1988）。来自心肺记录的数据也有证据表明，一些 SIDS 婴儿在严重缺氧发作后未能恢复心肺功能（Poets 等，1999, Sridhar 等，2003）。存活此类发作需要一种高度整合的生理反应，称为“自动复苏”。当脑组织氧合急剧下降时——例如在长时间的阻塞性或中枢性呼吸暂停期间——管理心肺运动输出的神经回路受到抑制。呼吸减弱，最终导致缺氧性呼吸暂停，随后很快出现严重的心动过缓和低血压。与成人相比，婴儿对缺氧的心肺抑制反应可能更为严重（Elnazir 等，1996, Lagercrantz 等，1984, Runold 等，1989），部分原因是婴儿在缺氧期间放弃了维持体温的努力；因此，代谢 O2 消耗降低，保留了大脑中至关重要的 O2 储备（Mortola, 2004）。代谢过程的下降可能是由于缺氧对 ATP 浓度和离子通道活动的直接影响所致。然而，强烈的抑制也来自于缺氧进展过程中脑干内腺苷的快速积累和 γ-氨基丁酸（GABA）的释放（Melton 等，1990, Winn 等，1981），这是旨在抑制细胞活动以保存 ATP 的众多细胞反应中的两种。腺苷通常通过激活抑制性腺苷 1 受体（A1）以及由腹外侧延髓中的 GABA 能神经元表达的兴奋性腺苷 2A（A2A）受体来抑制心肺功能（Zaidi 等，2006）。事实上，腺苷也被证明通过 GABA 能机制抑制心肺活动（Abu-Shaweesh, 2007, Mayer 等，2006, Wilson 等，2004）。

缺氧、腺苷和 GABA 引起的抑制抑制呼吸，最终导致缺氧性呼吸暂停。在正常动物中，喘息呼吸迅速从缺氧性呼吸暂停中出现，这是自动复苏的第一步，旨在迅速增加肺通气。如果有空气可用，喘息呼吸可迅速使心脏重新氧合，从而解除局部缺氧和腺苷对心脏组织带来的抑制。由于引发喘息呼吸的回路（即前包钦格复合体；preB?tC）与头端腹外侧延髓（RVLM）中的交感节前神经元耦联（Menuet 等，2020），喘息呼吸与交感神经活动（SNA）的增强强烈相关，特别是与吸气耦联的 SNA 成分（Wasicko 等，1990）。该反应还与延髓脑血管舒张区（MCVA）活动增加有关（Reis 等，1997）。心输出量的迅速增加，加上增强的 SNA 和 MCVA 活动，将珍贵的动脉血分流至大脑。随着脑干 PO2 恢复正常，呼吸恢复至正常状态，并最终从缺氧昏迷中觉醒。

许多突然死亡并被归类为 SIDS 的婴儿，其延髓血清素（5-羟色胺；5-HT）系统内存在几种异常之一。多项研究和实验室使用的各种方法表明，关键心肺核团中的 5-HT、色氨酸羟化酶 -2（负责 5-HT 生物合成的酶）以及关键 5-HT 受体（5-HT1A 和 5-HT2A）的表达降低（Cummings 等，2024, Duncan 等，2010, Haynes 等，2023, Kinney 等，2025, Ozawa 和 Okado, 2002, Ozawa 和 Takashima, 2002, Paterson 等，2006）。在动物身上模拟这些缺陷提供了强有力的证据，表明通过脑干 5-HT 和 5-HT2A 受体的信号传导对于成功的自动复苏是必不可少的。血清素驱动降低的新生动物自动复苏能力受损（Barrett 等，2016, Chen 等，2013, Cummings 等，2011a, Cummings 等，2011b, Dosumu-Johnson 等，2018, Erickson 和 Sposato, 2009, Yang 和 Cummings, 2013）。喘息呼吸延迟发生，且频率大幅降低（Cummings, 2021, Cummings 等，2011a）。更可能产生危害的是，缺氧事件期间血压严重下降，且在喘息呼吸期间心血管恢复延迟，最终损害脑干的重灌注，从而阻止正常呼吸、觉醒和较高皮质功能的及时恢复（Yang 和 Cummings, 2013）。近期证据表明，来自尾侧中缝核的急性血清素神经传递并非起发育作用，而是对于成功的自动复苏是必需的。例如，已在 5-HT 神经元被急性抑制的新生动物中报道了自动复苏失败（Barrett 等，2016, Dosumu-Johnson 等，2018），或者在 5-HT2A 受体被急性阻断的其他动物中报道了自动复苏失败（Cummings, 2021）。这些动物研究共同提供了强有力的生物学合理性，表明至少部分 SIDS 死亡是由介导自动复苏回路中的血清素神经传递异常低下引起的。

在本研究中，我们检验了以下假设：由血清素驱动降低引起的自动复苏缺陷可能通过拮抗腺苷和 GABA 引起的抑制而得到挽救。这些数据中的一部分已作为会议论文发表（Cummings 等，2012）。

章节摘要
动物
我们利用了 C57/Bl6-Sv 品系的 Pet-1 缺陷小鼠，Pet-1 是一种转录因子，其激活对 5-HT 神经元的正常发育有重大贡献。Pet-1 基因敲除（Pet-1-/-）小鼠缺乏约 70% 的脑干 5-HT 神经元（Hendricks 等，2003）。该品系由凯斯西储大学 Evan Deneris 博士提供（Hendricks 等，2003）。动物在出生后（P）7-9 天进行研究，这是我们之前证明处于发育期内的年龄。

数据分析
平均数据表示为±标准差。测量的变量包括潮气量（VT; ml/kg）、呼吸频率（f; 次/分）、分钟通气量 V?E（VT 和 f 的乘积；ml/min/kg）、耗氧量 V?O2 = (0.21 – 面罩排出的 O2 分数) × 流量 (ml.min/min)/ 质量 (kg))，以及通气当量（V?E/V?O2）。呼吸通过分析呼吸曲线的峰值检测进行分析。我们在基线（手术前记录的最后 2 分钟）和给药后分析和绘制了 V?E、V?O2 和 V?E/V?O2。

统计分析
采用双因素重复测量方差分析（ANOVA）来检验基因型、GABAA 阻断及其相互作用对常氧 V?E、V?O2 和 V?E/V?O2 的任何影响。采用配对 t 检验来检验 A1 和 A2A 阻断对 Pet-1-/- 动物 V?E、V?O2 和 V?E/V?O2 的影响，以及检验 5-HT2A 阻断对野生型动物 V?E、V?O2 和 V?E/V?O2 的影响。采用双向 ANOVA 来揭示基因型和 GABAA 阻断对喘息潜伏期和结果的显著影响。

结果
本研究的主要目标是确定拮抗 GABAA 或腺苷受体是否能挽救 5-HT 缺乏的新生啮齿类动物在严重缺氧期间的自动复苏缺陷及其最终失败。针对严重缺氧，Pet-1-/- 动物与野生型相比，喘息呼吸显著延迟且喘息频率降低，这符合预期（基因型 x 药物：p<0.001; 图 1 和图 2a）。一旦喘息呼吸出现，心率和正常呼吸的恢复被...

讨论
利用广泛的动物模型，我们小组和其他人进行的研究表明，新生儿期血清素驱动降低会导致自动复苏的灾难性失败。最初报道的是，缺乏约 70% 脑干 5-HT 神经元的幼龄 Pet-1-/- 小鼠中，喘息呼吸的启动以及随后心率和正常呼吸的恢复均延迟（Cummings 等，2011a, Erickson 和 Sposato, 2009）。随后，我们使用新生大鼠表明，一种...

新生动物对缺氧的适应性反应：腺苷和 GABA 活动的作用
在有意识动物中，中度缺氧引起初始的过度通气，这一效应归因于外周化学反射的激活以及对其充分表达至关重要的相关中枢神经回路。如果没有脱离缺氧，尤其是如果缺氧变得严重，代谢和心肺运动输出会受到抑制。不断升高的 GABA 和腺苷浓度有助于这一反应（Hagberg 等，1985, Wood 等，1968）。由此产生的下降...

5-HT 缺失背景下腺苷和 GABA 能活动增加导致自动复苏失败的可能细胞机制
如上所述，在缺氧期间，GABAA 和腺苷在多个神经回路的整体抑制中起着重要作用，抑制体温生成、心率和呼吸等稳态过程。虽然这种抑制对婴儿在短期内是适应性的，但最终存活取决于其逆转。关键部位的血清素活动对于介导自动复苏的关键过程的正常执行是必要的。前包钦格复合体和交感节前 RVLM...

方法学考虑和注意事项
由于动物数量有限、个体反应存在变异性以及缺乏假手术组，评估腺苷受体阻断对常氧通气和 V?O2 影响的实验数据应谨慎解释。V?O2 在所有实验的手术后期均下降，这表明麻醉或手术的其他方面可能对 V?O2 产生了抑制作用。虽然这是可能的，但应强调两个观察结果。首先，...

结论和临床相关性
我们小组还发表了咖啡因可逆转 5-HT 缺乏动物的自动复苏失败的研究。这项后续研究的结果强烈表明，咖啡因通过减少抑制性 GABA 能（可能还有腺苷能）驱动，改善了这些动物在严重缺氧后的自动复苏和存活。一些以归类为 SIDS 的方式死亡的婴儿表现出自动复苏失败。死亡前获得的心肺记录表明明显的...

伦理声明
本研究按照 ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究已获得达特茅斯学院机构动物护理和使用委员会批准。

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明
在本工作准备期间，作者利用 ChatGPT 增强了图 7 的外观，该图最初是用 Microsoft PowerPoint 制作的。作者已审阅图 7 的内容，并对此发表文章内的该内容承担全部责任。100% 的手稿文本由 KJC 生成，无 AI 协助。

致谢
本研究的资助由 NIH 方案项目拨款 HD036370（项目负责人：Hannah Kinney; 项目主要研究者：E.E. Nattie）、Parker B. Francis 奖学金（KJC）以及 NIH 拨款 HL17913-01 (KJC) 提供。

Kevin J. Cummings