淀粉样β斑块病理 induces 化学感觉缺陷并增加 5XFAD 阿尔茨海默病小鼠模型中的呼吸暂停

《The Journal of Physiology》：Amyloid beta plaque pathology induces chemosensory deficits and increases apnoeas in the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease

　　

睡眠呼吸障碍（SDB）通常与阿尔茨海默病（AD）患者的其他通气功能障碍并存。SDB在AD患者中通常被报告为阻塞性（OSA）或复杂性睡眠呼吸暂停，其结果是通气不足导致反复发作的低氧和高碳酸血症。研究人员认为，不仅这些反复发作的低氧事件会加剧AD，而且SDB和其他通气功能障碍可能是神经退行性疾病的前驱表现。尽管AD患者中SDB的病因尚不清楚，但化学感觉驱动功能障碍——这一对维持体内氧和二氧化碳稳态平衡至关重要的反应——可能发挥作用。研究人员检测了5XFAD小鼠（一种β淀粉样变性AD模型，在8月龄时表现出进行性淀粉样β（Aβ）斑块沉积）的基础通气、SDB和化学感觉功能。研究发现，雄性和雌性5XFAD小鼠每小时的自发性呼吸暂停次数几乎是野生型（WT）小鼠的两倍。清醒状态下的基础通气（V?_E）和空气对流需求（ACR）无变化，但5XFAD小鼠的低氧通气反应和高碳酸通气反应均受损。WT小鼠对急性低氧的反应为预期的V?_E增加约150%，而5XFAD小鼠仅出现约70%的迟钝性增加，高碳酸反应同样减弱（5XFAD小鼠增加约100%，WT小鼠增加约200%）。此外，研究人员在腹外侧延髓（VLM）——一个重要的呼吸节律发生和化学感受位点——发现了大量Aβ沉积。综上所述，这些数据表明5XFAD小鼠的SDB、Aβ沉积和化学感觉缺陷之间存在相关性。

**论文解读：5XFAD小鼠模型中淀粉样β斑块病理与化学感觉缺陷及呼吸暂停的关系**

**研究背景与目的**
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是全球最常见的痴呆病因，其发病与年龄密切相关。除衰老外，反复间歇性低氧暴露被认为是AD发生和发展的重要危险因素。临床统计显示，约70%的住院AD患者存在呼吸功能异常，其中45%表现出包括呼吸暂停、睡眠期通气不足和呼吸困难在内的睡眠障碍。阻塞性睡眠呼吸暂停（obstructive sleep apnoea, OSA）是最常见的睡眠呼吸障碍（sleep disordered breathing, SDB）形式，源于气道通畅性丧失和代偿性呼吸驱动不足；中枢性睡眠呼吸暂停（central sleep apnoea, CSA）则主要由化学感觉反馈异常和中枢呼吸功能紊乱所致。临床上OSA和CSA常同时存在，称为复杂性睡眠呼吸暂停。反复间歇性低氧可加剧AD病理进展，但AD中SDB的确切机制尚不清楚。化学感觉驱动是维持机体氧和二氧化碳稳态的关键环节，其功能障碍可能导致SDB发生，进而加重AD病理。为此，研究人员利用5XFAD小鼠（一种以β淀粉样蛋白（amyloid beta, Aβ）沉积为核心的早发AD模型），在8月龄（相当于中年期）时检测其基础通气、SDB发生频率及化学感觉功能，并观察脑干呼吸相关核团的Aβ斑块沉积情况，旨在验证化学感觉功能障碍与呼吸暂停在AD样病理早期共存的假说。

**主要技术方法**
研究人员从Jackson Laboratory获取野生型（WT; C57BL/6J）和5XFAD（Tg6799）小鼠，在AAALAC认证的动物设施中饲养。使用全身体积描记法（whole-body plethysmography）连续测量小鼠的通气模式（包括潮气量VT、呼吸频率f、分钟通气量V?_E）及代谢变量（O₂消耗量和CO₂产生量）；通过植入式射频识别芯片（ITPP-300）周期性记录体温。实验依次进行急性低氧（5% O₂）、低氧+5% CO₂、阶梯式高碳酸（1%、3%、5% CO₂）及低氧高碳酸联合刺激，评估低氧通气反应（HVR）和高碳酸通气反应（HCVR）。睡眠相关呼吸暂停通过体积描记图分析，定义为连续跳过两次或以上呼吸。脑干切片经methoxy-X04染色标记Aβ斑块，并用抗酪氨酸羟化酶抗体鉴定蓝斑（locus coeruleus, LC）位置，在延髓和脑桥多个呼吸相关区域进行斑块定量。

**研究结果**
**1. 5XFAD小鼠睡眠期间呼吸暂停增加**
通过体积描记法记录推定睡眠期的呼吸事件，发现雄性和雌性5XFAD小鼠的总呼吸暂停次数均显著高于WT小鼠（雄性121.6±35.4次/小时 vs. 51.6±26.6次/小时；雌性133.8±39.4次/小时 vs. 72.1±18.9次/小时）。其中自发性呼吸暂停频率在5XFAD雄性中几乎是WT的3倍（85.3±24.4 vs. 28.4±18次/小时），雌性中超过WT的2倍（96.5±29.2 vs. 42.5±19次/小时）。自发性呼吸暂停持续时间在雄性5XFAD中略短于WT，而雌性5XFAD中略长。两组间叹息次数无差异，但5XFAD小鼠的叹息后呼吸暂停后周期持续时间显著延长（雄性P=0.0011，雌性P=0.0001）。

**2. 5XFAD小鼠表现出化学感觉缺陷**
静息状态下，5XFAD基因型对V?_E、空气对流需求（ACR）和体温均无影响。急性低氧（5% O₂）挑战时，WT小鼠V?_E增加约150%，而5XFAD小鼠仅增加约70%，表现为低氧通气反应减弱。雄性5XFAD小鼠的V?_E、呼吸频率和ACR反应均受抑，雌性则所有HVR指标均显著受损。在低氧+5% CO₂联合刺激下，雄性5XFAD的V?_E、VT和ACR反应仍低于WT，而雌性仅在VT和ACR上表现缺陷。高碳酸通气反应测试中，3%和5% CO₂刺激时WT动物的V?_E增幅显著大于5XFAD，且5XFAD的VT反应受损，但呼吸频率反应未受影响。5% CO₂条件下，5XFAD小鼠ACR增幅约100%，而WT约200%。即使给予低氧高碳酸最大刺激，5XFAD的V?_E、VT和ACR反应仍显著低于WT。

**3. 脑干Aβ斑块沉积与化学感觉缺陷相关**
免疫染色显示，5XFAD小鼠延髓和脑桥区域存在大量Aβ斑块，雄性和雌性间无显著差异。腹外侧延髓（VLM）——含有呼吸节律发生部位——斑块数量较多（雄性32.0±12.74，雌性19.2±3.04），而舌下神经核和孤束核（NTS）区域斑块较少。蓝斑（LC）区域斑块极为稀少，多数样本甚至无斑块，而靠近LC的内侧臂旁核（mPBC）则有较多沉积。相关分析表明，延髓、VLM、脑桥和LC中的Aβ斑块数量与低氧通气反应（HVR）的百分比变化呈显著负相关；同时，所有检测区域（延髓、VLM、NTS/舌下核、脑桥、LC）的斑块数量均与高碳酸通气反应（HCVR）呈显著负相关。

**讨论与结论**
本研究表明，5XFAD小鼠在8月龄时出现明显的睡眠期呼吸暂停增加，主要是自发性呼吸暂停，同时伴有低氧和高碳酸通气反应减弱。这种化学感觉驱动降低提示存在低环路增益（low-loop gain）状态，即化学感受器对血气变化的反应不足，而非CSA常见的敏感性增高的高环路增益。脑干Aβ斑块沉积集中于VLM等呼吸节律发生和化学感受整合区域，而LC很少受累，提示化学感觉缺陷可能主要源于VLM而非LC的病理变化。斑块负荷与HCVR的显著相关性进一步支持Aβ沉积直接损害高碳酸通气反应。这些发现表明，在AD样病理早期，β淀粉样变性即可导致脑干化学感觉功能障碍，进而促成SDB的发生。该研究为理解AD患者中呼吸暂停的机制提供了动物模型证据，提示Aβ沉积是化学感觉损伤及SDB的潜在风险因素，可能通过间歇性低氧加剧AD进展。然而，关于淀粉样变性与化学感觉功能之间的因果关系，以及不同AD模型中环路增益模式差异（高环路增益、无影响或低环路增益）仍需进一步探究。未来研究应关注化学感觉失败、SDB发生与AD病理进展之间的时间顺序和机制关联，以及睡眠分期和睡眠结构的影响。