冷應(yīng)激的神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)

冷應(yīng)激的神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)

1936年，加拿大的病理學(xué)家漢斯塞利發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到各種傷害的動(dòng)物身上和神經(jīng)刺激時(shí)，腎上腺會(huì)增加，腎上腺皮膚的分泌會(huì)增加，這意味著非特異性的抗御反應(yīng)。這種反應(yīng)過(guò)度或不足都將導(dǎo)致疾病。Selye將機(jī)體的這種狀態(tài)稱為應(yīng)激,這種反應(yīng)稱為應(yīng)激反應(yīng)(楊剛,1994)。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),應(yīng)激研究在廣度和深度上都有較大的進(jìn)展,但應(yīng)激的基本概念仍沒(méi)有超越Selye當(dāng)年提出的應(yīng)激學(xué)說(shuō)的范疇,即應(yīng)激(stress)是指內(nèi)環(huán)境的平衡或穩(wěn)定被內(nèi)部或外部傷害性刺激所擾亂的狀態(tài)。這些刺激統(tǒng)稱為應(yīng)激刺激或應(yīng)激源(stressor)。機(jī)體對(duì)這些刺激所產(chǎn)生的非特異性應(yīng)答反應(yīng)的總和稱為應(yīng)激反應(yīng)(stressresponse)。應(yīng)激刺激種類很多,如創(chuàng)傷、過(guò)冷、過(guò)熱、電離輻射、毒物、急性感染、驚恐、憂傷、緊張等。不同的應(yīng)激刺激產(chǎn)生的神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)模式和對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)不同,但所有應(yīng)激都激活HPA軸。HPA軸是應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)者,將神經(jīng)、內(nèi)分泌、Cytokine信息轉(zhuǎn)化成生理反應(yīng)。1代謝及激素代謝roini-releasingmort應(yīng)激反應(yīng)的原型為:草食動(dòng)物受到捕食者的攻擊、追捕,最后捕食者放棄。其激素分泌有2個(gè)高峰:第1高峰發(fā)生在幾秒鐘之內(nèi),包括交感神經(jīng)系統(tǒng)腎上腺素(epinephrine,E)和去甲腎上腺素(norepinephrine,NE)分泌增強(qiáng);下丘腦釋放促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin-releasinghormone,CRH)進(jìn)入門脈循環(huán),幾秒鐘后垂體促腎上腺皮質(zhì)激素(adrenocorticotrophic,ACTH)分泌加強(qiáng);下丘腦促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasinghormone,GnRH)的釋放降低,隨后垂體促性腺激素降低;垂體分泌催乳激素(prolactin,PRL)和生長(zhǎng)激素(GH)(在靈長(zhǎng)類)、胰腺分泌胰高血糖素(glucagon)增強(qiáng)。在失血反應(yīng)中,這一分泌高峰還包括垂體分泌大量的精氨酸加壓素(argininevasopressin,AVP)以及腎臟分泌大量的腎素。激素反應(yīng)的第2個(gè)高峰——慢峰,主要是類固醇激素的變化,發(fā)生在幾分鐘之后:包括糖皮質(zhì)激素(glucocorticoid,GC)分泌受到刺激;性固醇激素分泌降低(Sapolskyetal.,2000)。由此可見,以神經(jīng)遞質(zhì)為媒介的自主神經(jīng)系統(tǒng)、以神經(jīng)肽和激素為媒介的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)二者共同參與應(yīng)激反應(yīng)。2不同低溫處理的對(duì)象北方野生動(dòng)物經(jīng)常遇到冷環(huán)境的應(yīng)激刺激。為研究冷應(yīng)激對(duì)動(dòng)物的影響以及動(dòng)物對(duì)冷環(huán)境的適應(yīng)機(jī)理,通常采取在實(shí)驗(yàn)室對(duì)動(dòng)物進(jìn)行冷暴露處理。根據(jù)低溫作用時(shí)間的長(zhǎng)短,通常分為急性冷應(yīng)激(acutecoldstress)和長(zhǎng)期冷應(yīng)激(chroniccoldstress)。急性冷應(yīng)激研究中,冷暴露時(shí)間從幾十分鐘至1d不等(Wittertetal.,1992;Xieetal.,1999;Kizkaietal.,1995);而長(zhǎng)期冷應(yīng)激冷暴露時(shí)間從1d到幾周不等,但多采用5~7d。由于研究目的不同,研究者對(duì)研究對(duì)象低溫處理方式也不同,如相對(duì)于整體冷暴露的局部冷應(yīng)激(localcoldstress)(Kanayamaetal.,1999)、相對(duì)于連續(xù)冷應(yīng)激的間歇重復(fù)冷應(yīng)激(intermittentcoldstress)(Bhatnagar&Meaney,1995;Bhatnagaretal.,1995)等。哺乳動(dòng)物在冷應(yīng)激中應(yīng)激激素和神經(jīng)遞質(zhì)分泌水平所發(fā)生的變化,對(duì)于低溫引起動(dòng)物熱量才喪失后,增加動(dòng)物產(chǎn)熱、維持恒定體溫有重要意義;對(duì)低溫引起的其他生理反應(yīng)也起到調(diào)節(jié)作用。動(dòng)物在冷環(huán)境下長(zhǎng)期暴露后,應(yīng)激激素水平和其他生理反應(yīng)達(dá)到適應(yīng)于低溫的新的平衡狀態(tài),此時(shí)通常稱為冷適應(yīng)(coldadaptation)。而哺乳動(dòng)物冷適應(yīng)研究通常采用3~6周的連續(xù)或間歇冷暴露(Kizakietal.,1995)。3冷刺激和神經(jīng)內(nèi)源性反應(yīng)3.1冷應(yīng)激反應(yīng)作用哺乳動(dòng)物在冷應(yīng)激下的主要生理反應(yīng)是增加產(chǎn)熱,維持恒定的體溫。冷暴露下的產(chǎn)熱變化,受自主神經(jīng)和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的雙重調(diào)節(jié)。與之相關(guān)的中樞部位分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的廣泛區(qū)域,但下丘腦是控制冷應(yīng)激反應(yīng)的主要中樞,其中最主要的又是室旁核(paraventricularnucleus,PVN)。此外,視前核(PON)、視交叉上核(SCN)、視前區(qū)中部(MPA)、背中核(DMH)等多個(gè)核團(tuán)在冷應(yīng)激反應(yīng)中起中樞調(diào)節(jié)作用(Arancibiaetal.,1996;Bamshadetal.,1999)。以往的研究認(rèn)為,下丘腦腹內(nèi)側(cè)核(VMH)也參與控制褐色脂肪組織(brownadiposetissue,BAT,冷暴露小哺乳動(dòng)物產(chǎn)熱的主要器官)的產(chǎn)熱(Kelly&Bielajew,1996)。但神經(jīng)解剖學(xué)研究表明,VMH與BAT之間無(wú)直接的神經(jīng)聯(lián)系(Bamshadetal.,1999)。下丘腦PVN發(fā)出的神經(jīng)纖維投射到腦干的許多自主節(jié)前神經(jīng)元細(xì)胞群。冷應(yīng)激下,中樞腎上腺素能神經(jīng)元被激活,進(jìn)一步調(diào)節(jié)外周自主神經(jīng)(主要是交感神經(jīng))活動(dòng),使外周交感神經(jīng)和交感—腎上腺髓質(zhì)(sympatheticadrenomedullary,SAM)系統(tǒng)持續(xù)處于高度激活狀態(tài),E和NE的合成、釋放和周轉(zhuǎn)增強(qiáng)(Fukuharaetal.,1996;孫久榮等,1998)。此外,PVN中還有直接投射到正中隆起的促甲狀腺激素釋放激素(thyrotropin-releasinghormone,TRH)神經(jīng)元、CRH神經(jīng)元等,PVN是HPA軸和HPT軸活動(dòng)的直接控制部位。3.2pomc相關(guān)肽在冷應(yīng)激中的作用對(duì)應(yīng)激的共同神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)是激活HPA軸,引起腎上腺分泌類固醇激素。受到冷應(yīng)激刺激時(shí),PVN的小細(xì)胞神經(jīng)元CRH合成和分泌增加(此外,腦內(nèi)其他部位也產(chǎn)生CRH)(Hatalskietal.,1998)。CRH是應(yīng)激反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)者,經(jīng)垂體門脈血流到達(dá)垂體,激活垂體促皮質(zhì)區(qū)(corticotrophes)的CRH受體(Hashimoto,2001),刺激ACTH的分泌。該作用是由cAMP介導(dǎo)的,并主要依賴通過(guò)L-型Ca2+通道的電壓開關(guān)控制的Ca2+內(nèi)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。30min的冷應(yīng)激,使大鼠垂體前葉促皮質(zhì)細(xì)胞L-型Ca2+通道的α(1C)亞單位mRNA表達(dá)增強(qiáng)(Xieetal.,1999)。ACTH是由大分子的阿黑皮素原(pro-opio-melano-cortin,POMC)產(chǎn)生的。POMC也是β-內(nèi)啡肽、促脂解激素(lipotropin)和黑素細(xì)胞刺激素(MSH)的前體,POMC相關(guān)肽是由垂體前葉特殊的促皮質(zhì)區(qū)細(xì)胞合成的。雄性大鼠冷暴露30min,血漿ACTH水平上升。同時(shí)促皮質(zhì)區(qū)細(xì)胞ACTH分泌顆粒增加;垂體前葉含分子量為16kDa阿黑皮素原片段的細(xì)胞和儲(chǔ)存ACTH和β-內(nèi)啡肽的細(xì)胞比例均增加(Sasakietal.,1990)。ACTH經(jīng)血液循環(huán),作用于腎上腺皮質(zhì),促進(jìn)膽固醇的攝取并向皮質(zhì)醇以及皮質(zhì)酮轉(zhuǎn)化,刺激腎上腺GC的合成和釋放。GC在應(yīng)激中的作用可分為2類:一類是調(diào)節(jié)作用(modulatingactions),即改變有機(jī)體對(duì)應(yīng)激刺激的反應(yīng);另一類是預(yù)備作用(preparativeactions),即改變生物體對(duì)后繼應(yīng)激刺激的反應(yīng),或有助于適應(yīng)長(zhǎng)期的應(yīng)激刺激(Sapolskyetal.,2000)。GC通過(guò)負(fù)反饋下調(diào)下丘腦CRH和垂體ACTH。下丘腦和杏仁核CRH的合成對(duì)GC的反饋很敏感,由此構(gòu)成了激素應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)閉機(jī)制。皮質(zhì)酮在冷應(yīng)激中對(duì)產(chǎn)熱的調(diào)節(jié)作用為抑制產(chǎn)熱增加,如抑制冷暴露大鼠褐色脂肪組織(brownadiposetissue,BAT)(小哺乳動(dòng)物適應(yīng)性產(chǎn)熱的主要部位)線粒體解偶聯(lián)蛋白(uncouplingprotein1,UCP1)(產(chǎn)熱的關(guān)鍵分子)的基因表達(dá)(Moriscotetal.,1993),抑制BAT線粒體UCP的GDP結(jié)合(Stracketal.,1995),從而抑制BAT產(chǎn)熱,其意義在于防止冷應(yīng)激引起產(chǎn)熱過(guò)度增加而造成能量浪費(fèi)。而預(yù)備作用表現(xiàn)為冷暴露改變動(dòng)物對(duì)后繼應(yīng)激的反應(yīng),如冷適應(yīng)小鼠支配BAT的交感神經(jīng)對(duì)后繼冷應(yīng)激的反應(yīng)加強(qiáng)(Kawateetal.,1994),冷適應(yīng)大鼠在后繼固定應(yīng)激中,血漿皮質(zhì)酮水平增加幅度明顯提高(Bhatnagar&Meaney,1995)等。冷應(yīng)激過(guò)程中HPA軸和SAM系統(tǒng)相互作用,CRH增加SAM活力,使血漿兒茶酚胺水平增加;冷應(yīng)激激活的SAM系統(tǒng),通過(guò)增加腎上腺髓質(zhì)兒茶酚胺的合成和釋放,促進(jìn)HPA軸激活,在應(yīng)激反應(yīng)中形成CRH-NE-CRH正反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Asakuraetal.,2000)。但內(nèi)源GC抑制冷應(yīng)激動(dòng)物交感神經(jīng)系統(tǒng)兒茶酚胺的合成、釋放、再攝取和代謝反應(yīng)(Fukuharaetal.,1996),由此可見,GC不僅反饋抑制冷應(yīng)激激活的CRH、ACTH,也抑制冷應(yīng)激激活的SAM功能。GC和NE相拮抗,使冷應(yīng)激引起的一系列生理反應(yīng)處于最適狀態(tài)。3.3兩組保肝作用的比較冷應(yīng)激激活下丘腦PVN和下丘腦前部視前區(qū)(POA-AH)等部位TRH的合成和釋放,進(jìn)一步導(dǎo)致血漿中促甲狀腺激素(TSH)濃度升高,隨后甲狀腺激素含量增高,表明低溫激活了HPT軸(Arancibiaetal.,1996)。冷應(yīng)激在激活HPT軸分泌的同時(shí),也激活了甲狀腺以外組織中的甲狀腺素5′脫碘酶(T45′-D),加速T4脫碘轉(zhuǎn)化為活性更強(qiáng)的T3(侯建軍,1999;Liuetal.,2001;楊明等,2002)。T3一方面與交感神經(jīng)協(xié)同作用刺激產(chǎn)熱增加,另一方面又刺激UCP1的基因表達(dá)。最近對(duì)Ⅱ型甲狀腺素脫碘酶(T45′-DⅡ)的研究發(fā)現(xiàn),T3的這2方面作用是通過(guò)不同機(jī)制實(shí)現(xiàn)的:前者經(jīng)歷了高濃度的T3通過(guò)作用于α型甲狀腺激素受體(TRα),增進(jìn)細(xì)胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶催化cAMP形成的過(guò)程,從而增加冷應(yīng)激或交感神經(jīng)刺激的產(chǎn)熱反應(yīng);后者可能是通過(guò)T3作用于β型受體(TRβ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。大鼠TRα對(duì)T3的親和力比TRβ對(duì)T3的親和力低約4倍,這就有可能需要BAT內(nèi)T45′-DⅡ發(fā)揮持續(xù)作用,產(chǎn)生T3以保持較高的細(xì)胞內(nèi)T3濃度,來(lái)占據(jù)TRα(Jesusetal.,2001)。此外,T3也可作用于細(xì)胞膜或線粒體。因?yàn)榧?xì)胞膜上的Na+/K+-ATPase通常被認(rèn)為是T3作用的靶位點(diǎn),在冷應(yīng)激下,T3水平的升高可增強(qiáng)Na+/K+-ATPase活性,促進(jìn)Na+、K+的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn),進(jìn)而增加ATP的消耗,從而使基礎(chǔ)代謝率增加(侯建軍等,1999)。T45′-DⅡ在冷應(yīng)激反應(yīng)中的另一作用是反饋調(diào)節(jié)TSH(Schneideretal.,2001)。HPT軸功能不足或受到抑制,將使產(chǎn)熱受到抑制。進(jìn)而推測(cè)冷應(yīng)激下血漿GC對(duì)產(chǎn)熱的抑制,是通過(guò)抑制交感神經(jīng)活性進(jìn)而抑制HPT軸活性實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槲匆奊C對(duì)甲狀腺軸有直接作用的報(bào)道,而且內(nèi)源GC抑制冷應(yīng)激動(dòng)物交感神經(jīng)系統(tǒng)兒茶酚胺的合成、釋放、再攝取和代謝反應(yīng)(Fukuharaetal.,1996)。我們的研究表明,中樞注射CRH使急性冷暴露長(zhǎng)爪沙鼠下丘腦(包括正中隆起)的TRH含量減少,同時(shí)血漿T3、T4含量也減少,由此推測(cè)CRH抑制急性冷應(yīng)激條件下TRH的合成和釋放;而中樞注射α-helicalCRH9-41阻斷內(nèi)源CRH的作用,能促進(jìn)冷應(yīng)激條件下下丘腦TRH的合成(下丘腦含量增加)。盡管亞顯微結(jié)構(gòu)研究曾表明在PVN中,CRH和TRH神經(jīng)元突觸可以相互作用(Hisanoetal.,1993),但尚不清楚在冷應(yīng)激下,CRH是通過(guò)抑制交感神經(jīng)活力進(jìn)而抑制TRH,還是直接作用于下丘腦TRH的合成部位。HPT軸的激活幾乎是冷應(yīng)激所特有的,也是最重要的反應(yīng)之一。但有學(xué)者提出HPT軸的激活是低溫環(huán)境引起熱量丟失后,機(jī)體所產(chǎn)生的特殊代償機(jī)制,不屬于應(yīng)激的范疇(楊剛,1994)。3.4冷應(yīng)激對(duì)大鼠松果體和大鼠的藥代動(dòng)力學(xué)變化影響冷應(yīng)激還導(dǎo)致促生長(zhǎng)激素軸(somatotrophicaxia)、促性腺軸、催乳激素軸(lactotrophicaxis)的分泌受到抑制,這是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性反應(yīng)。低溫條件下,消耗能量維持恒定的體溫比生長(zhǎng)、生殖更重要。因?yàn)檫@些內(nèi)分泌反應(yīng)使能量分配從生長(zhǎng)、生殖轉(zhuǎn)向生存。但這些反應(yīng)與應(yīng)激的強(qiáng)度和時(shí)間、動(dòng)物的種類和發(fā)育狀態(tài)有關(guān),如小豬飼養(yǎng)在略低于熱中性溫度區(qū)的溫度范圍內(nèi),GH的分泌和垂體促生長(zhǎng)區(qū)的功能不受影響,循環(huán)中類胰島素生長(zhǎng)因子(IGF)Ⅰ水平不變,但I(xiàn)GF-Ⅰ、IGF-Ⅱ和GH受體mRNA的水平較低。這可能與有些動(dòng)物(如非嚙齒類)營(yíng)養(yǎng)應(yīng)激(如營(yíng)養(yǎng)不足、禁食)中GH分泌增加,但肝GH受體減少和/或GH受體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用降低相似,最終都使生長(zhǎng)激素軸受到抑制(Moberg&Mench,2000)。3.5.1褪黑激素(melatonin,MLT)哺乳動(dòng)物松果體分泌的MLT參與生殖、產(chǎn)熱、冬眠等許多季節(jié)性節(jié)律的調(diào)節(jié)。環(huán)境溫度的變化亦可作為季節(jié)變化的信號(hào)。不同物種冷應(yīng)激下松果體MLT的合成和分泌反應(yīng)不一,如冷暴露不改變實(shí)驗(yàn)大鼠松果體N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(NAT,是松果體MLT合成的限速酶)活性和MLT含量(Guerreroetal.,1990),但增加敘利亞倉(cāng)鼠(Mesocricetusauratus)夜間相應(yīng)酶活性和MLT水平(Stokkanetal.,1991),并削弱黑線毛足鼠(Phodopussungorus)松果體夜間對(duì)光的敏感性和阻止NAT的滅活(Stieglitzetal.,1991)。外源MLT可以模擬冷暴露,誘導(dǎo)一些動(dòng)物產(chǎn)熱增加。目前還不清楚冷應(yīng)激下MLT對(duì)產(chǎn)熱作用的機(jī)制,但有人推測(cè)MLT參與控制外周交感神經(jīng)活力(Saarela&Reiter,1994)。多數(shù)哺乳動(dòng)物高親和力的MLT受體存在于垂體結(jié)節(jié)部和下丘腦SCN,SCN背中部的加壓素能神經(jīng)元可能是對(duì)MLT作出反應(yīng)的細(xì)胞(Vanecek,1998)。外源MLT能減弱HPA軸對(duì)急性和長(zhǎng)期應(yīng)激的反應(yīng),阻止長(zhǎng)期應(yīng)激導(dǎo)致的ACTH釋放的減少,加強(qiáng)地塞米松對(duì)CRH和AVP釋放的抑制作用(Konakchievaetal.,1997,1998)?？梢?MLT和HPA軸之間有相互抑制作用。但在冷應(yīng)激條件下,被激活的HPA軸與松果體MLT的合成和分泌之間如何相互作用,如何影響產(chǎn)熱等其他生理反應(yīng),仍不清楚。3.5.2瘦素(leptin)瘦素是一種主要由脂肪細(xì)胞分泌的激素,能抑制攝食,增加能量消耗。冷應(yīng)激動(dòng)物的瘦素分泌減少(Houseknechtetal,1998)。外源瘦素能中度激活基礎(chǔ)條件下大鼠的HPA軸,增強(qiáng)急性冷應(yīng)激時(shí)的ACTH反應(yīng),但不改變?nèi)┕掏推べ|(zhì)酮的反應(yīng)。說(shuō)明急性冷應(yīng)激時(shí)瘦素引起的血液ACTH改變與腎上腺皮質(zhì)分泌活力沒(méi)有平行關(guān)系(Hocholetal.,2000)。瘦素似乎是GnRH和促性腺激素分泌所必需的。冷應(yīng)激中瘦素分泌減少,可能會(huì)抑制生殖神經(jīng)內(nèi)分泌軸激素的分泌。對(duì)基礎(chǔ)條件下UCP1基因缺陷小鼠的研究表明,外源瘦素通過(guò)激活外周交感神經(jīng)減少野生型小鼠白色脂肪的重量,并伴隨BAT中UCP1含量和其mRNA含量增加。而UCP1基因缺陷小鼠無(wú)此反應(yīng)(Comminsetal.,2001),但冷應(yīng)激條件下內(nèi)源瘦素的減少對(duì)產(chǎn)熱及其他反應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)理仍不清楚。3.5.3增食欲素(orexin)增食欲素是新近發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)肽。研究表明它在增加攝食、飲水,調(diào)節(jié)睡眠覺醒周期、生殖、體溫和血壓等方面有著廣泛作用。急性冷應(yīng)激大鼠下丘腦側(cè)區(qū)(lateralhypothalamicarea)增食欲素mRNA表達(dá)增加,表明增食欲素可能在冷應(yīng)激反應(yīng)中起重要作用(Idaetal.,2000)。冷應(yīng)激動(dòng)物攝食量明顯增加可能與瘦素分泌減少,以及增食欲素合成和分泌的增加有直接關(guān)系。連續(xù)7d腹腔注射瘦素,導(dǎo)致下丘腦增食欲素含量顯著降低,因而推測(cè)冷應(yīng)激中瘦素和增食欲素之間可能存在相互作用。3.5.4神經(jīng)肽Y(NPY)下丘腦神經(jīng)肽Y是攝食的有效刺激因子。腦室內(nèi)注射NPY2d后,基礎(chǔ)條件下血漿ACTH和皮質(zhì)酮水平上升,冷應(yīng)激誘導(dǎo)的血漿ACTH濃度增加;但連續(xù)注射6d后,血漿ACTH和皮質(zhì)酮水平與對(duì)照相比無(wú)差異,并且不受冷應(yīng)激的影響(Sainsburyetal.,1997),表明長(zhǎng)期外源NPY作用抑制了HPA軸對(duì)冷應(yīng)激的反應(yīng)。3.6長(zhǎng)期冷應(yīng)激對(duì)hpa軸激素水平的影響對(duì)冷應(yīng)激大鼠的研究表明,一次冷應(yīng)激,PVN的CRHmRNA表達(dá)增強(qiáng);而多次重復(fù)的冷應(yīng)激,PVN的CRHm