Cell：为何呛水时会立刻咳嗽？Taruno团队揭示喉部化学感应细胞通过通道突触触发保护性反射机制

喉咙中的化学物质引发的神经反射保护气道免受误吸和感染。这些反射的机制理解仍然不成熟。

基于此，2025年4月5日，日本京都府立医科大学分子细胞生理学系Akiyuki Taruno研究团队在Cell杂志发表了“Channel synapse mediates neurotransmission of airway protective chemoreflexes”揭示了通道突触介导气道保护性化学反射的神经传递。

在本研究中，作者发现了喉咙中Pou2f3+化学感应细胞（PCCs）家族的亚类，它们通过这种突触与迷走神经元通信。这些细胞表达对有害化学物质敏感的G蛋白偶联受体（GPCRs）：T2Rs，刺激后分别触发下咽部的吞咽反射和喉部的类似咳嗽的排异反射。Calhm3和Pou2f3基因敲除消除了这些反射，而通过靶向光遗传学刺激可以触发这些反射。此外，气源性过敏原暴露增强了依赖于CALHM3的排异反射。结果表明，具有通道突触的Pou2f3+上皮细胞是气道保护性反射的化学感受器及其高反应性的发生部位，该研究推动了对气道防御机制的理解，并展现出独特的治疗潜力。

图一 下咽部和喉部的PCC与迷走神经传入纤维形成了通道突触

作者首先在44个器官中筛选了基因小鼠中的报告基因共表达情况，这些小鼠分别在Calhm1和Calhm3启动子下表达GCaMP3和tdTomato。发现同时表达两种Reporter++的细胞是罕见的EpCAM+上皮细胞，存在于犁鼻器、喉咙、气管和胸腺中。在喉咙中，Reporter++细胞聚集在下咽部杓状软骨背侧表面的味蕾中（简称下咽部味蕾），或分散在喉部表面，包括声门上和声门下的上皮组织中。其次，大多数Reporter++细胞表达PCC标记物PLCB2和TRPM5。Reporter++细胞在PLCB2+细胞中的比例因组织而异，这表明PCC家族在不同组织内存在异质性。通过可视化表达Vglut2的神经纤维，显示传入神经元与PLCB2+ PCC之间可能存在接触，其中CALHM1蛋白集中分布，表明喉部PCC受到迷走神经支配。在Calhm3Tom/+小鼠的NJP超神经节中注射编码EGFP的腺相关病毒，这些小鼠在Calhm3启动子下表达tdTomato，标记了与tdTomato+细胞接触的上皮内神经纤维；而在迷走神经切断的动物中未观察到这种标记，证明标记的传入神经为迷走神经。与Reporter++细胞接触的传入神经表达ATP受体P2X2和P2X3。此外，在P2X2Cre小鼠的NJP超神经节中注射依赖Cre的病毒标记了与PLCB2+ PCC接触的神经纤维，表明PCC受到嘌呤能迷走神经传入的支配。下咽部tdTomato+味觉细胞显示出II型味觉细胞的形态特征，包括透明的胞质、顶端微绒毛以及具有少量凹陷的椭圆形核。喉部tdTomato+细胞表现出簇状细胞的形态特征，如顶端微绒毛、密集的管状囊泡器官和贯穿胞质的丝状结构。这些细胞也被神经纤维接触，接触点在其胞质中具有次表面囊泡。因此，这些突触前元件的存在以及突触前囊泡的显著缺失，表明PCC和传入神经之间存在一种称为通道突触的特殊细胞连接。在对喉上神经（SLN）进行体内全神经记录时，光遗传学激活下咽部和喉部PCC引发了Calhm1-ChR2或Pou2f3-ChR2小鼠的反应。气管PCC激活或SLN光照并未引发SLN活动，证实反应来源于SLN支配区域内的ChR2+ PCC。光学诱发的SLN活动被AF-353（P2X3和P2X2/P2X3的拮抗剂）抑制，但不受乙酰胆碱受体抑制剂影响，表明PCC-迷走神经的嘌呤能信号传导。Calhm3敲除选择性消除了变苦精引发的反应，证明了CALHM3（以及可能的CALHM1/3通道突触）在PCC-迷走神经通信中的关键作用。这些多方面的证据表明，迷走神经元与下咽部味觉细胞和喉部簇状细胞之间存在通道突触。

图二 下咽味蕾中的Ⅱ型味觉细胞介导吞咽反射

为了探究下咽部味觉细胞与舌部味蕾的蛋白质表达共性，对下咽部味蕾进行了单细胞RNA测序共鉴定了12种细胞类型，并发现下咽部和舌部味蕾在细胞组成上既有共同点也有差异。这些细胞表达Calhm1和Calhm3，以及将受体激活与CALHM1/3激活连接的所有必要成分，类似于舌部II型味觉细胞。通过原位杂交确认了Calhm1和Calhm3在Plcb2+ II型细胞中的共表达。膜片钳记录显示下咽部II型味觉细胞具有自发电活动和电压门控Na+电流，表明其电兴奋性。T2R激动剂能引发这些细胞的去极化反应，而这些反应可被TTX抑制。进一步实验表明，下咽部II型味觉细胞不仅能够感知腔面T2R激动剂并被激活，还能通过嘌呤能CALHM1/3通道突触向迷走神经传递信息。此外，研究还揭示下咽部II型味觉细胞在触发吞咽反射中的作用，即它们能够响应化学刺激物（如水、高盐、柠檬酸及T2R激动剂）并通过这种机制启动吞咽过程。最后证实了TRPM5在这一信号传导路径中的重要角色。这些结果揭示了下咽部II型味觉细胞通过激活T2R、TRPM5和通道突触来触发吞咽的模式和机制。

图三 小鼠对施加于喉部的有害刺激所产生的呼吸性排出反射

作者同时监测了麻醉小鼠的呼吸活动，同时将化学物质喷洒到喉腔中。柠檬酸在小鼠中始终引发一种特征性反应，这种反应不同于正常呼吸和吞咽。该反应包括通过扩张的声门深吸气以及随后在狭窄的声门下进行强烈而持久的呼气（呼气努力），且不伴随二腹肌活动。尽管小鼠无法发出可听的咳嗽声，但这种小鼠反应具有上述特征性的呼吸和声门动作，其表型与其他物种的咳嗽相似，并共享类似的神经机制。这种反应可以通过对喉部施加典型的咳嗽刺激物来诱发，例如酸、热和触觉刺激。在双侧切断SLN后，这种反应显著减弱，而SLN在其他物种中是介导咳嗽的关键神经通路。该反应涉及腹外斜肌（EO）的激活，突出了呼气阶段的主动性，这是咳嗽反射的核心特征。在咳嗽过程中，声门内收与吸气和呼气努力的协调作用有助于加速气流。小鼠的这种反射显示出效应肌肉的时间激活模式，即吸气肌（膈肌，DIA）、EO和TA的依次激活（DIA/TA/EO），这与其他物种典型的咳嗽效应序列相似，表明可能存在类似的中枢模式发生器。此外，小鼠的这种反射还与其他呼吸反应（如呼气、吸入反射和增强呼吸）不同，后者缺乏明显的吸气或呼气努力。因此，这种小鼠的排异反射在机制上与其他物种的咳嗽相关；作者将称之为“类似咳嗽反射”。这种反射可以通过其特征性的呼吸模式或声门运动识别。

总结

本研究旨在识别小鼠气道保护性反射（包括吞咽和呼吸排异）的通路，这些反射由下咽部和喉部中稀有的化学感应上皮细胞亚群驱动。这些细胞通过通道突触与迷走神经进行神经传递，同时这些通路还参与了过敏性高反应性的形成。

图四 全文摘要图示

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.007