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内源性阿片肽在呼吸调控中的作用

来源:论文汇编 作者:自动采集 2005-1-1
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摘要: 随着内源性阿片肽(EOP)及其受体的发现,阿片肽在各个系统的生理作用受到普遍关注,其在疼痛和胃肠动力方面的作用已基本明确。但是,关于阿片肽在呼吸调控中的作用研究尚不多,结论也颇有争议,我们仅就EOP在呼吸调控方面的有关研究作一综述。一、阿片肽的种类及其分布根据其前体不同可将EOP分为三大类:β内啡肽(β-endo......



  随着内源性阿片肽(EOP)及其受体的发现,阿片肽在各个系统的生理作用受到普遍关注,其在疼痛和胃肠动力方面的作用已基本明确;但是,关于阿片肽在呼吸调控中的作用研究尚不多,结论也颇有争议,我们仅就EOP在呼吸调控方面的有关研究作一综述。

  一、阿片肽的种类及其分布

  根据其前体不同可将EOP分为三大类:β内啡肽(β-endorphin)、脑啡肽(enkephalins)、强啡肽(dynorphins)。β内啡肽来源于前阿片黑皮素(POMC),由31个氨基酸组成,存在于垂体及脑内。垂体内的β内啡肽通过门脉系统进入体循环,并且同促肾上腺素皮质激素(ACTH)的释放一样具有生理节律。脑内的β内啡肽主要存在于下丘脑基底内侧的弓状核,传出纤维分布广泛。

  1975年Hughes等[1]分离鉴定了脑内甲硫脑啡肽和亮脑啡肽及几个类似结构的肽,它们均源于一个大的前体分子——前-脑啡肽。细胞免疫观察证明脑啡肽神经元分布极广泛,其中甲硫脑啡肽在延髓呼吸中枢区浓度较高,在肾上腺髓质也有合成并释放入血液循环。

  EOP的第三族强啡肽,其主干前体是前强啡肽。由此主干前体产生α新内啡肽、β新内啡肽、强啡肽A及强啡肽B,所有这些肽都已从哺乳动物脑组织中分离成功。

  据EOP的分布可知,在脑脊液和血液中都存在阿片肽,但它们来源不同,其中β内啡肽在呼吸调控中的作用研究最多。

  二、EOP受体及其分布

  EOP受体于EOP发现2年之后由Lord等[2]发现,共分为三类,并分别存在亚型。大多数EOP在受体的亲和力方面没有严格的选择性。一般来说,β内啡肽与μ受体亲和力较高,脑啡肽与δ受体亲和力较高,强啡肽则与κ受体有较高的亲和力,但它们之间又有所重叠。

  β内啡肽对μ、δ受体有较高亲和力,但在较高浓度情况下也可和κ受体结合。在体内、体外实验中,β内啡肽和三种受体都可以结合并产生效应。脑啡肽则与δ受体亲和力最高,在高浓度时与μ、κ受体也能结合。强啡肽与κ受体有较高亲和力,但对呼吸调控作用很小。

  EOP受体广泛存在于脑、脊髓及外周组织中,脑内EOP受体的分布与三类阿片肽的分布基本平行。

  三、EOP与呼吸调控的关系

  自从1975年首先发现脑啡肽以来,EOP在全身各系统功能的调节作用得到广泛研究。早期在呼吸调控方面的研究表明,以β内啡肽为主的EOP是强有力的呼吸抑制剂。进一步的动物实验和人体研究产生了很多颇有争议的结论。

  1.动物实验的结果:Moss[3]将β内啡肽注入戊巴比妥麻醉的狗脑池中,可引起能被纳洛酮(阿片肽拮抗剂)逆转的低氧反应,表现为动脉血二氧化碳分压(PaCO2)升高,潮气容积(VT)、每分呼气量(E)及呼吸频率(RR)下降。对这一生理现象的仔细观察发现,β内啡肽先是引起VT、RR下降,以后RR的下降对低氧反应起着决定作用,而RR的下降则主要是由于呼气时间延长所致。更为直接的证据是,用放射免疫法测定低氧下内啡肽含量,发现猫脑脊液和兔脑室灌注液中β内啡肽含量于低氧下显著增高,并且与动脉氧分压和呼吸驱动存在着指数负相关,即低氧越严重,β内啡肽含量越高,呼吸抑制也越严重[4]。

  很多实验以中枢或外周给予纳洛酮后观察通气反应来了解EOP的作用,同时还可以借此回答EOP的作用究竟是一种“张力性”调节还是一种“应激性”调节,如果EOP对呼吸的调控是张力性的,那么纳洛酮对正常人或动物的呼吸也应该有影响,然而研究的结果众说不一。Ison等[5]给未麻醉的大鼠皮下注射纳洛酮,结果刺激了RR、VT、E的增加,表明EOP是张力性调控呼吸的;而Olson[6]的实验表明,纳洛酮可以增强大鼠急性低氧下的通气反应,而对正常血氧和未麻醉大鼠无此作用,提出EOP是一种低氧呼吸抑制的中枢调节剂。国内许铁等[7]在去双侧外周化学感受器传入的麻醉雄家兔上,给动物吸入低氧混合气导致通气抑制后,向其侧脑室注入纳洛酮可使抑制的通气被逆转,注入β内啡肽拟似剂羟甲芬太尼则可使抑制更加重。这样的结论引发出一个更难以回答的问题,即以β内啡肽为首的EOP究竟是呼吸调控的启动因子还是各种病理情况导致低氧后的一种继发改变。一般认为,机体在低氧和高二氧化碳时刺激颈动脉体的外周化学感受器,使传入冲动增强,引起呼吸驱动、通气增强。但是,早在30、40年代,就有人注意到在麻醉动物去外周化学感受器后有一个通气抑制现象,以后逐渐发现在大多数哺乳动物(包括人类)中都存在这一现象。因此,当低氧刺激外周化学感受器而调动了驱动反应时就会使通气增强而提高血氧,结果使中枢仅受到较小程度的低氧刺激,如果β内啡肽确是一种应急性调节,那么这种低水平的低氧尚不足以触发大量的β内啡肽释放,通气呈轻度抑制,纳洛酮的作用就不那么明显了。Schaeffer 等[8]给清醒狗造成中、重度低氧后,发现重度低氧时动脉血氧分压(PaO2)为28~35 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)的狗给予纳洛酮时通气反应增强,而在中度低氧(PaO2 40~47 mm Hg)却无此反应,说明只要足够低氧就可以抵销外周反射所致的通气增强,而刺激β内啡肽的释放。

  此外,EOP的分布、水平在种属间的差异,也是各种不同动物反应有异原因之一;同时,影响机体EOP释放原因复杂多样,疼痛、麻醉、外科手术、应激等都会引起β内啡肽释放,因此在实验中严格控制外在因素、防止其它干预十分重要。

  2.EOP与新生儿呼吸系统疾病:越来越多的实验证明,EOP与新生儿、婴儿的呼吸调控关系密切,特别是在婴儿窒息综合征(IAS)及婴儿猝死综合征(SIDS)的发生中起着重要的作用。

  一方面,健康新生儿血中β内啡肽含量就较成人显著增高,且与血pH值及PaO2呈负相关;因窒息而早产的新生儿出生后第1天其血中β内啡肽也显著高于无窒息的早产儿,而且这种β内啡肽的升高并非来源于母体,因为母血和脐带血的β内啡肽水平与新生儿β内啡肽水平并不相关。Orlowski[9]多次研究都表明,IAS患儿脑脊液中β内啡肽水平显著高于对照组患儿,他们还注意到血清β内啡肽水平的升高并不能反应脑脊液中水平的升高;由于EOP本身在应激时就会明显升高,因此为明确IAS患儿β内啡肽的升高是否因窒息的应激而产生,他们用纳洛酮10 ng.kg-1.h-1持续静脉滴注发现,纳洛酮可明显减少窒息及呼吸暂停的发生,但对脑脊液中β内啡肽水平正常的患儿则无此作用,提示脑脊液中β内啡肽的升高在IAS的发生学上起着重要作用,并推测其与IAS患儿睡眠时呼吸暂停时间延长、反复短暂呼吸暂停、过多周期性呼吸及睡眠中低通气、二氧化碳潴留、睡眠时对低氧和高二氧化碳的通气增强反应受抑制有关。在对SIDS患儿及曾有危及生命的呼吸失控史患儿的研究中也有类似发现。

  关于阿片肽对幼年动物呼吸调控作用的许多实验结果也有类似结论,而且年龄越小的动物,纳洛酮对β内啡肽引起的通气抑制逆转作用越强。Wardlaw等[10]将导管插入怀孕羊的子宫内胎体血管中,证实低氧[胎体PaO2从(21.0±0.8) mm Hg降至(11.0±0.6) mm Hg]可以引起内啡肽的显著增加,而同时母体[PaO2从(96.0±2.5) mm Hg降至(40.0±2.5) mm Hg]的β内啡肽水平则无显著升高,当严重低氧[母体PaO2降至(27.9±2.5) mm Hg]时母体β内啡肽也可显著升高,表明幼年动物的呼吸调控受β内啡肽的影响更大,而成年动物呼吸调节的改变程度与低氧刺激的严重程度相关。

  3. EOP与成人呼吸调控的关系:人们最早是在新生和幼年动物上及新生儿身上发现了低氧通气的双相反应,随后发现在成年动物和成人也有类似现象,只是成人的抑制反应相出现较新生儿迟,在低氧后5~10分钟才表现出来。

  外源性阿片肽无疑会引起呼吸抑制,并可被纳洛酮逆转。然而人们更感兴趣的是EOP在呼吸调控中的作用及其与呼吸系统疾病的关系;遗憾的是,很多实验结论仍是不一致的,使人们多次怀疑EOP对呼吸是否具有调控作用。

  早期很多研究结果显示,缺氧可以引起人EOP释放,使血中β内啡肽水平升高,而且缺氧和酸中毒程度与β内啡肽水平正相关。另一部分以纳洛酮作为拮抗剂的实验,对比了给药前后机体对低氧和高二氧化碳的反应,表明纳洛酮可使通气反应增强,包括ΔE/ΔPaO2、ΔE/ΔSaO2(血氧饱和度)、ΔP0.1(口腔阻断压)/ΔPaO2、ΔP0.1/ΔPaCO2等,提示EOP在低氧、高二氧化碳情况下有呼吸调控作用,这种作用可能在中枢要比外周影响更大。Tobin等[14]曾报告纳洛酮在一部分慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者可有明显刺激呼吸驱动的作用,但也有一部分患者无反应;关于纳洛酮在COPD患者呼吸调控中的作用各家结论不一,表明可能还有其它因素参与了呼吸调控[11-13]。最近,有人对另一呼吸驱动异常疾病——睡眠呼吸暂停综合征(SAS)患者进行研究发现,其血中EOP水平高于正常对照组,怀疑EOP在SAS的发生中是否具有一定作用[15,16]。但是,在人体上探讨阿片肽功能的研究会遇到更多困难和干扰。首先,不能排除外周化学感受器的影响,成人低氧通气抑制本身发生要延迟,这时如果已刺激到外周化学感受器,激发了通气增强效应,很容易掩盖这种抑制反应;其次,动物实验可以直接从中枢得到组织进行原位杂交或蛋白水平测定,并且发现在中枢的EOP对呼吸调节意义似乎更大,而到目前为止,只有很少一部分研究能在人体获得直接的结果;另外,影响EOP释放因素很多,实验表明,应激引起的EOP释放,无论是原发因素还是呼吸系统疾病的继发改变,都对呼吸有抑制调节,而人类活动的复杂性,使人们很难避免各种应激,因此,在机体的低氧或高二氧化碳反应中,EOP的释放究竟是因还是果,至今无一满意回答;但有一点是肯定的,即可能是一种恶性循环的中间环节,使低氧或高二氧化碳更趋严重。

  四、EOP调控呼吸的作用机制

  EOP抑制呼吸主要通过降低脑干神经元对二氧化碳的敏感性。延髓腹侧对EOP的作用尤其敏感,这些细胞对脑细胞外液pH和PaCO2的变化敏感,而EOP可降低它们对二氧化碳的反应。在外周,它们作用于颈动脉体的EOP受体,可抑制因缺氧引起的通气增强反应。

  通过分段灌注纳洛酮或吗啡的办法,发现EOP通过其纤维投射或通过脑脊液主要作用于低位脑干,包括延髓腹外侧核,导致呼吸抑制。低位脑干是基本呼吸中枢,其中结合臂旁核(NPB)被称为“调整中枢”,EOP受体密集。据实验推测,弓状核释放的EOP兴奋了NPB区的呼吸相关神经元,可导致呼吸抑制。即使常氧下,在去外周化学感受器的成年兔身上,用电刺激或微量注射胞体兴奋剂至NPB,都可使膈神经活动受抑制,一般认为NPB兴奋能切断吸气,使吸气相转入呼气相;其次,孤束核(NTS)是中枢呼吸活动的传出和多种反射传入的中继站,参与呼吸节律的形成和呼吸调控。NTS密集EOP受体和β内啡肽能神经元胞体,低氧下NTS吸气性神经元活动受到抑制,主要由EOP作用引起,EOP可能来自弓状核轴突释放,也可能是局部EOP的作用。另外,一些神经调质(如单胺类物质、腺苷等)也可以调节EOP受体的兴奋性,间接引起呼吸抑制[17,18]。

  近年发现,大部分EOP受体介导的功能通过G蛋白完成信号传导而发生作用[17],EOP受体与腺苷酸环化酶作用引起细胞内环腺苷酸/环鸟苷酸(cAMP/cGMP)含量变化及神经末梢摄取Ca2+能力降低,从而引起一系列生理效应。

  EOP与机体的各系统、各种功能都有关,作用十分复杂,有关其与呼吸调控详尽的机制尚有待于进一步阐明。

  参考文献

  1 Hughes J, Smith TW, Kosterlitz HW, et al. Identification of two related pentapeptides from the brain with potent opiate activity.Nature, 1975,258:577-579.

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  3 Moss IR, Scarpelli EM.β-endorphin:effects on respiratory regulation.Life Sci, 1978,23:1271-1276.

  4 许铁,胡旭初.中枢神经递质和神经调质对低氧通气抑制反应的影响. 生理科学进展, 1992,23:209-213.

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  8 Schaeffer JI, Hadded GG. Ventilatory response to moderate and severe hypoxia in adult dogs:role of endorphins.J Appl Physiol, 1988,65:1383-1388.

  9 Orlowski JP. Cerebrospinal fluid endorphins and the infant apnea syndrome.Pediatrics, 1986,9:301-309.

  10 Wardlaw SL, Stark RI, Daniel S, et al. Effects of hypoxia on β-endorphin and β-lipotropin release in fetal,newborn and maternal sheep.Endocrinology, 1981,108:1710-1715.

  11 Steinbrook RA, Weinberger SE, Carr EB, et al. Endogenous opioids and ventilatory responses to hypoxia in normal humans.Am Rev Respir Dis, 1985,131:588-591.

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  13 Simon PM, Alan P, Lahive K, et al. Naloxone does not alter response to hypercapnia or resistive loading in chronic obstructive pulmonary disease.Am Rev Respir Dis, 1989,139:134-138.

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  15 Gislason T, Almqvist M, Boman G, et al. Increased CSF opioid activity in sleep apnea syndrome.Chest, 1989,96:250-254.

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  18 Easton PA, Anthonisen NR.Ventilatory response to sustained hypoxia after pretreatment with aminophylline.J Appl Physiol, 1988,64:1445-1450.

 


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