外側腕橋核グルタミン酸作動性ニューロンにおけるナトリウム漏れチャネルがセボフルラン麻酔下の呼吸頻度を維持するのに役立つ

背景紹介

呼吸は生命活動を維持するための核心的な機能です。全身麻酔薬や/またはオピオイドは通常呼吸機能を抑制します。しかし、静脈麻酔薬のプロポフォールによる呼吸抑制はより深刻で、その分子メカニズムは完全には解明されていません。したがって、全身麻酔薬の呼吸機能への影響を研究することは重要です。本研究は、側脳橋核（lateral parabrachial nucleus, PBL）のグルタミン酸作動性ニューロンがセボフルラン麻酔下における呼吸頻度の調節で果たす役割を探求しました。

研究出典

この論文は、Lin Wu、Donghang Zhang、Yujie Wu、Jin Liu、Jingyao Jiang、およびCheng Zhouの6人の科学者によって書かれ、四川大学華西医院の麻酔科と国家-地方合同エンジニアリング研究センター麻酔転換医学実験室に所属しています。論文は2024年1月15日に《Neuroscience Bulletin》紙に受理されました。

研究の流れ

実験動物の選定

この研究では、8週齢、体重20-22グラムの雄性C57BL/6Jマウスを使用し、すべての動物は標準条件下で飼育され、動物実験報告ガイドライン（ARRIVE）に厳格に従いました。

ウイルス注射

マウスは無作為に実験群と対照群に分けられ、それぞれに化学遺伝学的活性化および抑制受容体を含むウイルスを注射しました。同時に、PBL領域に向けてウイルスを注射し、その後免疫蛍光染色技術でウイルスの発現状況を確認しました。

体内化学遺伝操作

ウイルス注射後の3週間後、CNO（クロザピンN-オキシド）を注射してグルタミン酸作動性ニューロンを活性化または抑制し、その後全身の呼吸活動を全身プレチスモグラフ法で記録しました。

全身プレチスモグラフ

マウスの呼吸活動は全身プレチスモグラフシステムで測定され、呼吸頻度、潮気量、および1分間換気量が記録されました。実験開始前に、すべてのマウスはテスト部屋に1時間適応させました。

組織採取および免疫蛍光染色

実験終了後、免疫蛍光染色技術でマウスの脳橋領域の組織切片を分析し、グルタミン酸作動性ニューロンおよびナトリウム漏れチャネル（NALCN）の発現状況を確認しました。

原位ハイブリダイゼーションおよび多チャンネル記録

原位ハイブリダイゼーション法を用いてグルタミン酸作動性ニューロンのNALCN遺伝子発現レベルを分析しました。同時に、多チャンネル記録技術を使用して、PBL領域のニューロンの放電頻度を異なる実験条件下で分析しました。

動物行動実験および血液ガス分析

さまざまな実験を通じてNALCN遺伝子のノックアウトがマウスの呼吸活動に与える影響を調べ、血液ガス分析を行ってマウスの酸素濃度と二酸化炭素分圧を評価しました。

痛み刺激

研究では急性炎症モデルおよび尾部挟みモデルを使用して痛み刺激を模倣し、NALCNが痛み刺激下の呼吸頻度の調節に果たす役割を検討しました。

主な研究結果

化学遺伝学によるPBLグルタミン酸作動性ニューロンの抑制が呼吸頻度を低下させる

PBLグルタミン酸作動性ニューロンの抑制後、C-Fos陽性細胞が著しく減少し、グルタミン酸作動性ニューロン活動が明らかに抑制されました。全身プレチスモグラフ法では、グルタミン酸作動性ニューロンの抑制がマウスの呼吸頻度を著しく低下させ、その伴いとして潮気量が補償的に増加していることが示されました。

化学遺伝学によるPBLグルタミン酸作動性ニューロンの活性化が呼吸頻度を増加させる

グルタミン酸作動性ニューロンの活性化後、C-Fosの数が顕著に増加し、グルタミン酸作動性ニューロンが成功裏に活性化されたことを示しました。全身プレチスモグラフ法により、グルタミン酸作動性ニューロンの活性化がマウスの呼吸頻度を著しく増加させ、潮気量はこれに応じて減少しました。

NALCNノックアウトがPBLグルタミン酸作動性ニューロンの呼吸調節機能を低下させる

遺伝子ノックアウト技術を用いて、特にPBLグルタミン酸作動性ニューロンのNALCNの発現レベルを低下させた後、マウスの呼吸頻度が著しく低下し、潮気量が増加し、1分間換気量には明らかな変化が見られませんでした。また、PBLグルタミン酸作動性ニューロンの放電頻度が顕著に下降しましたが、血液ガス分析ではマウスに低酸素症の症状は見られませんでした。

PBLのGABA作動性ニューロンのNALCNノックアウトには明らかな影響なし

PBLのGABA作動性ニューロンのNALCNノックアウトには顕著な影響が見られず、NALCNの調節機能がグルタミン酸作動性ニューロンに限定される可能性が示されました。

NALCNはセボフルラン麻酔下で呼吸頻度を調整するが、プロポフォールやモルヒネ下では明らかな影響なし

さらに研究では、NALCNノックアウトマウスがセボフルラン麻酔下で呼吸抑制がより深刻になるが、プロポフォールやモルヒネによる呼吸抑制には明らかな影響がないことが示され、同時に記録されたニューロン放電頻度の変化もこの結論を支持しました。

NALCNはセボフルラン麻酔下で痛み刺激に明らかな影響なし

セボフルラン麻酔下で尾部挟みモデルによる痛み刺激はすべて呼吸頻度の急速な増加を引き起こしますが、対照群およびNALCNノックアウト群のいずれにおいても、マウスの呼吸頻度の変化に顕著な差は見られず、NALCNは痛覚伝達および呼吸反応回路において顕著な役割を果たしていないことが示されました。

NALCNが呼吸調節において重要な役割を果たしていることの確認

さらに、実験では、NALCN遺伝子ノックアウトによる呼吸頻度の低下がPBLグルタミン酸作動性ニューロンを活性化することで逆転できることが確認されました。

研究結論と意義

この研究は、NALCNがPBLグルタミン酸作動性ニューロンにおいて呼吸頻度を調節する重要なイオンチャネルであり、セボフルラン麻酔下でその役割を果たすが、プロポフォールやモルヒネ麻酔下では顕著な影響を及ぼさないことを確認しました。本研究は、セボフルラン麻酔が呼吸機能に与える影響メカニズムをさらに理解するための新たな視点を提供し、同時に、NALCNがセボフルラン麻酔下で呼吸活動を制御するための潜在的なターゲットとして、新薬開発の基盤を築きました。

研究のハイライト

1. 重要な発見: NALCNがPBLグルタミン酸作動性ニューロンにおいて呼吸頻度を調節する重要なイオンチャネルであることを確認。
2. 新たな方法: 化学遺伝学操作および遺伝子ノックアウト技術を用い、全身プレチスモグラフ法、原位ハイブリダイゼーション、および多チャンネル記録などの方法を組み合わせてNALCNの役割を全面的に分析。
3. 実際の応用: 研究成果は、セボフルラン麻酔下の呼吸抑制問題を調整する新薬の開発に役立つ。

他の価値ある情報

この研究は中国国家自然科学基金などの機関の支援を受けており、すべてのデータは合理的な要求により通信著者から入手できます。研究結論は、呼吸調節メカニズムに対する理解を拡大し、臨床麻酔実践に対して指導的意義を持っています。