心力衰竭诱导的大鼠下丘脑盐诱发神经血管耦合重编程

《The Journal of Physiology》：Heart failure-induced reprogramming of salt-evoked neurovascular coupling in the rat hypothalamus

　　

神经血管耦合（Neurovascular coupling, NVC）对于将脑血流与神经元活动相匹配至关重要。虽然NVC已在 cerebral cortex 中得到广泛研究，但对其在 deep brain regions（如下丘脑）中的调控知之甚少，尤其是在病理条件下。心力衰竭（Heart failure, HF）与皮层NVC受损和认知功能障碍相关，但其对下丘脑NVC的影响仍不清楚。在此，研究人员调查了HF大鼠下丘脑视上核（supraoptic nucleus, SON）中盐诱发的NVC。采用 in vivo 双光子成像结合实时组织氧测量，在HF大鼠模型中评估系统性高渗盐水刺激期间SON实质小动脉直径和局部组织氧分压（tissue partial pressure of oxygen, PO2）。采用药理学干预和生物传感器方法剖析关键血管活性信号通路的贡献。在基线条件下，与假手术动物相比，HF大鼠表现出SON PO2降低。出乎意料的是，HF大鼠的盐负荷诱发了血管舒张性NVC反应，伴随SON PO2的进行性增加，将氧水平恢复至接近假手术大鼠所观察到的水平。这种极性转变由腺苷通过A2A受体介导的信号传导所介导，并依赖于完整的加压素（vasopressin, AVP）信号传导。值得注意的是，A2A受体阻断揭示了一种潜在的AVP依赖性血管收缩，表明盐刺激期间存在相互竞争的血管活性机制共存。这些发现证明了HF中下丘脑NVC的状态依赖性重组，其中腺苷依赖性血管舒张在盐负荷期间优于AVP介导的血管收缩。这种适应性转变凸显了下丘脑神经血管信号传导的动态调控，并可能对心血管疾病中的神经体液控制具有更广泛的意义。

论文解读：心力衰竭诱导的大鼠下丘脑盐诱发神经血管耦合重编程

一、研究背景与科学问题

神经血管耦合（Neurovascular coupling, NVC）是大脑中将神经元活动与脑血流（cerebral blood flow, CBF）增加紧密耦合的关键生理过程，确保向代谢需求增加的脑区提供充足的葡萄糖和氧气。传统观点认为NVC在大脑各区域是统一的过程，通常由突触活动的副产物介导。然而，研究人员此前在 hypothalamic supraoptic nucleus（SON）中发现了一种独特的NVC形式：由系统性盐刺激触发的神经分泌性加压素（vasopressin, AVP）神经元活动增加，诱导了活动依赖性血管收缩（称为反向NVC，inverse NVC, iNVC），导致局部组织缺氧并进一步增强AVP神经元兴奋性，形成正反馈环路。该iNVC由局部 somatodendritic 释放的AVP介导。

NVC功能受损常见于多种神经退行性疾病，如阿尔茨海默病和其他类型痴呆，导致认知缺陷。值得注意的是，NVC在心血管疾病中也受到损害，包括心力衰竭（heart failure, HF）、高血压和中风。近期在HF小鼠模型中的研究表明，躯体感觉皮层对 whisker 刺激的NVC反应受损，这导致了认知障碍和痴呆。HF患者中，无论射血分数（ejection fraction, EF）降低还是保留，均观察到大脑皮层NVC受损。然而，与HF病理相关的其他脑区（如下丘脑）是否也发生NVC反应改变，此前尚不清楚。

HF的一个标志是神经体液激活，其特征是向心脏、肾脏和血管的交感兴奋输出增加，以及包括AVP在内的神经激素系统性释放。神经体液激活与HF的发病率、死亡率和生存率直接相关。多种下丘脑机制已被证明有助于HF中神经体液驱动的增强，包括AVP内在神经元兴奋性增加、兴奋/抑制平衡改变、AVP表达和释放增加，以及一氧化氮（nitric oxide, NO）可用性和作用减弱。然而，HF中下丘脑NVC反应是否改变，从而促成该疾病中夸大的神经激素流出，仍未探索。膳食盐是HF中容量超负荷和充血的关键因素，过量膳食盐摄入与HF和高血压中额外的神经体液激活有关。因此，评估HF中盐诱发的NVC反应是否改变，可能揭示盐在该常见心血管疾病中促成并发症的替代机制。

基于HF中血管收缩/血管舒张信号的不平衡（NO减少、AVP增加）有利于血管收缩，以及此前证明盐诱发iNVC由AVP介导，研究人员假设HF大鼠SON中血管收缩/血管舒张信号的失衡导致盐诱发iNVC反应加剧，从而引起缺氧。然而，实验结果出乎意料地揭示了相反的反应模式。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员采用多种关键技术方法开展研究：使用冠状动脉结扎手术建立HF大鼠模型（EF < 40%），并通过超声心动图确认；采用改良经咽手术入路暴露腹侧脑表面，结合 in vivo 双光子成像技术实时监测SON实质小动脉（parenchymal arteriole, PA）直径变化；通过光学荧光探针（OxyLite系统）实时测量SON组织氧分压（PO₂）；使用微透析（microdialysis, MD）探针局部递送药物至SON区域；采用Sniffer^AVP生物传感器细胞检测局部AVP释放；通过药理学干预（A_2A受体拮抗剂ZM 241385、V_1A受体拮抗剂、P₂Y₁₂受体拮抗剂PSB0739等）剖析关键血管活性信号通路的贡献。实验使用雄性及雌性杂合转基因eGFP-AVP Wistar大鼠（250–400 g）。

三、研究结果

1. HF大鼠SON中持续缺氧环境

通过 in vivo 双光子成像，研究人员发现HF与假手术大鼠之间SON不同血管类型（PA、ICA、MCA）的基线直径无差异。然而，HF大鼠PA中基线血流速度显著降低（sham: 30.01 ± 1.78 μm/ms; HF: 20.27 ± 3.18 μm/ms; P = 0.007）。SON实质PO₂饱和度在HF大鼠中显著降低（sham: 22.87 ± 4.16 mmHg; HF: 16.66 ± 2.73 mmHg; P = 0.019）。这些结果支持HF大鼠SON在基线条件下存在持续的组织缺氧。

2. HF大鼠中盐诱发NVC反应极性反转

在假手术大鼠中，系统性高渗盐水刺激（2 M NaCl，静脉输注30分钟）诱发SON PA血管收缩（one-way RM ANOVA; F = 37.5, P < 0.001），与先前研究一致。相反，相同操作在HF大鼠中诱发了显著的血管舒张（one-way RM ANOVA; F = 102.8, P < 0.001）。两种反应均在盐输注开始后约10分钟出现，并持续整个盐刺激过程。与血管收缩反应一致，假手术大鼠中急性盐刺激显著降低了SON PO₂饱和度（基线: 22.99 ± 4.35 mmHg; 盐负荷后: 15.47 ± 3.75 mmHg; P = 0.022）。相反，HF大鼠中盐刺激显著增加了SON PO₂饱和度（基线: 18.84 ± 5.19 mmHg; 盐负荷后: 25.93 ± 5.01 mmHg; P = 0.033），将基线缺氧状态恢复至与假手术大鼠观察到的水平相当。这些结果支持HF大鼠盐诱发NVC反应极性从血管收缩向血管舒张转变，有效增加并使SON内PO₂饱和度正常化。

3. HF大鼠中盐诱发血管舒张由腺苷作用于A_2A受体介导

研究人员首先证明AVP在HF大鼠中仍保留其血管收缩作用：将AVP直接微透析至SON（1 mM）诱发了PA进行性血管收缩（one-way RM ANOVA, F = 20.8, P = 0.005）。选择性A_2A受体激动剂CGS21680微透析至HF大鼠SON诱发了进行性血管舒张（one-way RM ANOVA, F = 21.0, P = 0.011）。A_2A受体拮抗剂、V_1A受体拮抗剂或aCSF（载体）单独输注均不改变基线血管直径。在HF大鼠中，将选择性A_2A受体拮抗剂ZM 241385微透析至SON后，盐刺激不仅阻止了血管舒张，还揭示了一种潜在的血管收缩（one-way RM ANOVA: F = 35.9, P < 0.001）。当A_2A受体拮抗剂与V_1A受体拮抗剂共输注时，这种被揭示的血管收缩被消除（one-way RM ANOVA: F = 1.4, P = 0.6）。当单独阻断V_1A受体时，盐输注未能诱导任何可检测的血管直径变化，既无血管收缩也无血管舒张（one-way RM ANOVA: F = 1.68, P = 0.4）。这些结果表明，盐负荷在HF大鼠SON中招募了相反的血管活性影响：AVP/V_1AR依赖性血管收缩成分和腺苷/A_2AR介导的血管舒张成分。净血管舒张反应在功能上依赖于完整的AVP/V_1AR信号传导。

4. 微胶质细胞促成HF大鼠中腺苷介导的盐诱发血管舒张反应

研究人员使用选择性P₂Y₁₂嘌呤能受体拮抗剂PSB0739（该受体在CNS中仅在微胶质细胞上表达）微透析至SON，以探究微胶质细胞是否可能是促成HF大鼠盐诱发血管舒张的腺苷来源。与A_2A受体拮抗剂观察到的结果类似，PSB0739不仅阻止了盐诱发血管舒张，还在HF大鼠中揭示了潜在的血管收缩（one-way RM ANOVA; F = 77.8, P < 0.001）。这些结果提示微胶质细胞可能是促成HF大鼠SON PA盐诱发血管舒张的腺苷来源之一。

5. HF大鼠中活动依赖性somatodendritic AVP释放增加可能促成增强的AVP介导血管收缩（iNVC）

研究人员发现，HF大鼠中被“掩盖”的盐诱发AVP介导血管收缩幅度显著大于假手术大鼠（HF-A_2AR拮抗剂: -29.0% ± 5.37%, HF-P₂Y₁₂R拮抗剂: -28.12% ± 6.44%; sham: -11.62% ± 3.67%; one-way ANOVA, F = 11.3, P < 0.001）。使用Sniffer^AVP生物传感器细胞检测局部AVP释放，研究人员发现HF大鼠切片中响应性Sniffer^AVP生物传感器的百分比显著高于假手术大鼠（HF: ~57%, 38/67; sham: ~37%, 46/124; P < 0.05）。然而，响应性生物传感器中Ca²⁺反应的峰值和面积在两组之间相似（P = 0.7和0.1）。这些结果支持HF大鼠中活动依赖性somatodendritic AVP释放增强。

四、讨论与结论

本研究的主要发现可总结为：（1）在基线条件下，HF大鼠SON中PO₂水平较低；（2）尽管存在这种初始基线SON缺氧状态，盐刺激诱导了实质小动脉血管舒张和PO₂进行性增加，将其恢复至与假手术大鼠相当的水平；（3）HF中盐诱发血管舒张由腺苷通过A_2A受体介导，推测来源于微胶质细胞；（4）仍观察到被掩盖的AVP介导血管收缩，其幅度甚至大于假手术大鼠，可能归因于活动依赖性somatodendritic AVP释放增强。

研究人员讨论了HF中血管活性信号平衡的转变如何影响盐诱发NVC的极性。在正常条件下，盐刺激激活血管舒张和血管收缩信号的混合，AVP介导信号占主导，导致总体血管收缩反应。被掩盖的血管舒张可能限制血管收缩反应的持续时间和幅度，防止持续盐刺激期间过度血管收缩，确保动态血管稳态。在HF中，腺苷诱导的血管舒张在SON中掩盖了潜在的AVP介导血管收缩，仅在A_2A受体信号被局部阻断时才变得明显。尽管存在主导的腺苷/A_2A介导血管舒张，HF大鼠中被掩盖的AVP介导血管收缩幅度大于假手术大鼠，表明该条件下活动依赖性somatodendritic AVP释放增强。研究人员排除了内在微血管自动调节机制作为主要驱动因素的可能性，因为相同的盐刺激在假手术和HF大鼠中诱发相反血管反应，且药理学阻断实验表明血管舒张反映的是主动的、受体介导的过程而非被动的肌源性调整。

关于微胶质细胞作为HF大鼠盐诱发血管舒张中腺苷的推定来源，研究人员指出微胶质细胞是CNS中细胞外腺苷的重要来源，激活后释放ATP，通过微胶质细胞表面表达的ectonucleotidases CD39和CD73快速转化为腺苷。P₂Y₁₂受体对微胶质细胞功能及其对各种信号的反应至关重要。在HF背景下，研究人员及他人已证明神经炎症（包括微胶质细胞激活增加）是HF期间下丘脑和其他脑区的主要病理生理特征，且HF大鼠多个脑区中血管相关微胶质细胞比例增加。在低灌注/缺氧条件下，血管相关微胶质细胞增加其突起运动性并促成对皮层CBF减少的适应性反应，这些作用也依赖于P₂Y₁₂受体。HF大鼠SON中持续的基础低灌注/缺氧状态可能作为功能启动因素，促进微胶质细胞在该条件下影响血管动力学并主导NVC反应极性。然而，研究人员也承认不能排除其他可能的细胞来源，如内皮细胞和/或神经元。

五、研究意义

本研究首次揭示了HF中下丘脑NVC的状态依赖性重组，其中腺苷依赖性血管舒张在盐负荷期间优于AVP介导血管收缩。这一发现挑战了NVC在大脑各区域统一过程的传统观点，强调了NVC调控的脑区特异性和状态依赖性。该研究为理解心血管疾病中下丘脑神经血管信号传导的动态调控提供了新视角，对神经体液控制具有更广泛的意义，可能为HF的病理生理机制和潜在治疗靶点提供新的见解。