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第二节
胎儿脑RAS的功能发育(一)
——AngⅡ受体的早期功能发育

二十多年前,为了探讨中枢神经系统对胎儿血压调控是否具有作用,Macdonald和同事们用猪进行实验研究。他们在猪怀孕40~43天时对其胎儿实施断头术,并另其在子宫内存活。然后对这些断头的胎猪和正常胎猪在孕35~112天(总孕程114天)期间进行血压监测并比较。实验发现,完整胎儿动脉血压从35天的0.8±0.1 KPa显著增加到112天时的5.8±0.2 KPa,而断头的胎儿动脉血压在孕70天的时候与完整对照组并无显著差异(分别为2.7±0.4 KPa和2.5±0.1 KPa),但是后来随胎龄增长就变化不大了。因此,在孕晚期(90~100天)断头胎儿的动脉血压比完整胎儿要低很多。这证实猪的血压调控随胎龄的变化而变化,且在孕程100天后胎儿血压的调控需要脑机制的参与。尽管实验中将猪胎儿在子宫内断头会引起起诸多其他反应,但毕竟是在心血管中枢调控机制的研究方面中迈出了可贵的一步。

在心血管中枢调控机制中,研究发现脑RAS和外周系统的RAS都能对心血管和体液平衡产生重要的调控作用。因此,在胎儿研究领域,脑RAS也受到了极大关注。而且,近年来的研究发现,胎儿时期的RAS的发育关系到子代出生后乃至成年的血压调控。

一、胎儿脑AT 1 R和AT 2 R的发育

研究发现,AngⅡ受体在胎儿主要分布与下丘脑、丘脑、小脑及皮层等部位。从出现的时间上可以看出脑RAS的建立应当是在孕后期的。如果胎儿下丘脑部位AngⅡ受体受到破坏,将导致胎儿组织成熟障碍且显著影响出生后的健康。

(一)胎儿脑AT 1 R和AT 2 R的蛋白表达

以往对胎脑中的AngⅡ受体研究的实验,多采用大鼠胎儿为标本,但是由于胎鼠脑组织太小,对于脑不同区域的AT 1 R和AT 2 R分布和表达检测存在困难。近期,Hu等(2004)选用绵羊模型,运用蛋白免疫印迹分析、RT-PCR和免疫组化三种方法分析了不同孕期、不同脑区的AT 1 R和AT 2 R的表达和分布。研究发现,从孕中晚期(preterm,~95天)到孕晚期(near term,~130天),再到足月(term,~95天)阶段,绵羊胎儿脑中AT 1 R和AT 2 R在心血管和体液平衡调控相关中枢中的中表达呈递增趋势,证实了在孕后1/3阶段胎脑中的AngⅡ受体已经发育到相当的水平,这可能为AngⅡ的作用提供了很好的结构基础。

AT 1 R和AT 2 R蛋白分子量分别为44kDa和41kDa,在孕中晚期的时候均在脑中可被检测到。在OVLT、MnPO、SFO、SON和PVN中,AT 1 R蛋白的表达随胎龄增加而呈现明显的增长趋势(图3-3),而AT 2 R蛋白则从孕中晚期至足月的表达均较AT 1 R蛋白为低(图3-4)。在后脑,AT 2 R蛋白在臂旁侧核(lateral parabrachial nucleus,LPBN)、孤束核(nucleus of tractus solitarius,NTS)、AP和腹外侧核(ventrolateral medulla,VLM)的表达水平相对AT 1 R蛋白较高。

图3-3 蛋白免疫印迹分析测定的绵羊胎儿脑内不同区域AT 1 R的表达

(a)不同孕期的AT 1 R蛋白在脑内的表达,经β-actin 标准化,A:孕中晚期(Preterm);B:孕晚期(Near term);C,足月(Term)。(1)皮层;(2)嗅球;(3)终板血管器(OVLT),穹隆下器(SFO),视前正中核(MnPO);(4)室旁核(PVN),视上核(SON);(5)纹状体;(6)杏仁核;(7)小脑;(8)孤束核(NTS),臂旁侧核(LPBN),最后区(AP);(9)腹外侧核(VLM)。(b)不同孕期绵羊胎儿AT 1 R蛋白在脑内相对密度比较(孕中晚期,孕晚期,和足月)。* P < 0.05:term vs . preterm;# P < 0.05:term vs . near term;** P < 0.01:term vs . preterm。(Hu et al.,2004)

图3-4 蛋白免疫印迹分析测定的绵羊胎儿脑内不同区域AT 2 R的表达

(a)不同孕期的AT 2 R蛋白在脑内的表达,经β-actin 标准化,A:孕中晚期(Preterm);B:孕晚期(Near term);C,足月(Term)。1-9所代表脑区同图3-3。(b)不同孕期绵羊胎儿AT 2 R蛋白在脑内相对密度比较(孕中晚期,孕晚期,和足月)。* P < 0.05:term vs .preterm和near term. ** P < 0.01:term vs . preterm 和near term。

(二)胎儿脑AT 1 R和AT 2 R的免疫组化

选用AT 1 R和AT 2 R的特异性抗体进行免疫组化实验,结果显示在near term的绵羊胎儿脑中均表现出免疫染色阳性。在CVO和下丘脑,AT 1 R的免疫活性很高。在OVLT、MnPO、SFO、SON和PVN中,AT 1 R的分布较多(图3-5 A-F)。后脑中LPBN、NTS、AP的分布也较多,VLM和杏仁核则相对较弱些(图3-5 G-J)。AT 2 R在SON、PVN和OVLT呈现出中等强度的免疫活性,而在NTS和VLM则表现出强免疫活性,在SFO和MnPO则相对较弱(图3-6)。

图3-5 AT 1 R在孕晚期绵羊胎儿脑内不同区域的蛋白免疫活性

A-F:前脑;G-J:后脑。D–MnPO,背侧MnPO;OV–MnPO,腹侧MnPO。AC:前连合;OC:视交叉;3rd V:第三脑室。

图3-6 AT 2 R在孕晚期绵羊胎儿脑内不同区域的蛋白免疫活性

(三)胎儿脑AT 1 R和AT 2 R的mRNA

RT-PCR结果显示,在足月绵羊胎儿的SON、PVN、SFO、MnPO、OVLT、NTS、LPBN、AP、VLM、皮层、嗅球、杏仁核、纹状体和小脑均可以检测到AT 1 R和AT 2 R的mRNA(图3-7)。

图3-7 AT 1 R和AT 2 R在孕晚期绵羊胎儿脑内不同区域的mRNA

(1)皮层;(2)嗅球;(3)终板血管器(OVLT),穹隆下器(SFO),视前正中核(MnPO);(4)室旁核(PVN),视上核(SON);(5)纹状体;(6)杏仁核;(7)小脑;(8)孤束核(NTS),臂旁侧核(LPBN),最后区(AP);(9)腹外侧核(VLM)。

二、胎儿脑RAS对心血管功能的调节

(一)侧脑室注射AngⅡ对胎儿血压的调控作用

以上实验证实AT 1 R和AT 2 R至少在70%孕程时在胎脑中不同区域有所表达。随之而来的问题是即使受体有表达、也能检测出免疫活性,但是受体是否具备功能及何时开始具备功能的呢?给孕晚期(~130天)或孕中晚期(~95天)的绵羊胎儿侧脑室注射AngⅡ,进行心血管功能监测。实验发现侧脑室注射AngⅡ均可引起胎儿收缩压、舒张压和MAP的显著升高。孕中晚期时,给予不同剂量的AngⅡ引起的胎儿升压反应呈现出剂量依赖关系(图3-8)。提示胎儿脑局部RAS已经发育,AngⅡ受体至少在70%孕程时已经开始具备功能,能对外源性AngⅡ发生反应,从而调控胎儿血压。

图3-8 侧脑室注射AngⅡ对孕中晚期绵羊胎儿平均动脉压及心率的影响

i.c.v.:侧脑室注射;MAP:平均动脉压。0min:i.c.v.时间点。#,* P < 0.05:与基础水平比。

为研究中枢AngⅡ激活的中枢通路,我们采用了即刻早期基因 c-fos 检测方法。研究表明,胎儿前脑的SON、PVN、SFO、OVLT、MnPO、AP、NTS和LPBN都有强FOS蛋白免疫活性。免疫组化双重染色表明侧脑室注射AngⅡ可以激活胎儿下丘脑AVP神经元,使FOS蛋白表达增加(图3-9和图3-10)。

图3-9 侧脑室注射AngⅡ对孕中晚期绵羊胎儿脑FOS-ir的影响(统计图)

图3-10 侧脑室注射AngⅡ对孕中晚期绵羊胎儿脑FOS-ir的影响(照片)

A,B:SFO;C,D:OVLT;E,F:LPBN;G,H:AP;A,C,E,G:i.c.v.0.9%NaCl;B,D,F,H:i.c.v. AngⅡ(1.5μg/kg)。标尺=50um。

(二)中(二枢)和中外枢和周外A周ngAⅡng致Ⅱ致胎胎儿儿升压效应应的的比较比较

近期研究表明在孕晚期,静脉注射AngⅡ也可以诱发升压反应,但是和侧脑室注射AngⅡ导致的升压反应不同(图3-11),机制也不同。外周给予AngⅡ导致的胎儿血压升高潜伏期很短,且升压效果非常显著,血压恢复在30min内基本完成。伴随着急剧的升压反应,胎儿心率呈一过性显著下降,提示胎儿的减压反射产生了效应。而侧脑室注射AngⅡ导致的升压反应较为缓和,潜伏期较长,升压幅度显著低于外周静脉注射AngⅡ,但是维持时间长,可以在1h内一直保持高水平。由于AngⅡ是强烈的缩血管药物,它引起的胎儿血压升高可能更多的是源于血管平滑肌收缩,导致的外周阻力增加。

图3-11侧脑室注射AngⅡ和静脉注射AngⅡ对孕晚期绵羊胎儿心血管功能的影响

A,i.v.:静脉注射AngⅡ(3.5μg/kg);i.c.v.:AngⅡ(1.5μg/kg)。* P <0.05与基础水平比较。

图3-12 侧脑室注射AngⅡ和静脉注射AngⅡ对孕晚期绵羊胎儿脑中FOS-ir的影响

A-D:PVN;E/F:NTS;G/H:LPBN。A/B、E/F、G/H:i.v. AngⅡ(3.5μg/kg);C/D:i.c.v.AngⅡ(1.5μg/kg)。A/C/E/G:0.9% NaCl;B/D/F/H:Ang Ⅱ。标尺=200um。

图3-13 侧脑室注射AngⅡ和静脉注射AngⅡ对胎脑中FOS-ir影响的比较图

在孕晚期外周给予AngⅡ也可以在脑内诱发 c-fos 表达,主要表现在下丘脑的PVN及后脑的AP、NTS和LPBN(如图3-12和图3-13)。如前所述,血脑屏障在60%孕程时已经形成,可以限制外周循环中AngⅡ进入脑内。然而,胎儿脑中仍然有神经元被激动的表现,提示外周AngⅡ可以通过血脑屏障缺如的CVO发挥中枢作用,而前期实验已经证实CVO上是富含AngⅡ受体的。这也很好地证实了在孕后期,胎儿CVO(如SFO/OVLT/AP)向其他脑区(如下丘脑PVN核团)的神经投射通路已经形成。

中枢侧脑室给予AngⅡ引起的胎儿脑中 c-fos 表达比外周给予AngⅡ要强烈许多(图3-13)。成年动物研究表明,动脉血压升高可以直接诱发后脑的减压反射相关中枢NTS的激活,但是实验中外周AngⅡ引起的胎儿升压反应比侧脑室注射的要显著许多,而后脑NTS的 c-fos 表达却不如后者多,提示侧脑室注射AngⅡ引起的胎儿后脑 c-fos 表达增多并不主要源于血压升高的继发反应,而是中枢AngⅡ对核团上AngⅡ受体的直接作用。PVN/AP/NTS/LPBN都是交感激活的主要部位,之间也有神经通路的复杂联系。孕晚期侧脑室注射AngⅡ引起的升压效应中交感激活可能起着重要作用。

通过比较中枢与外周给予AngⅡ后引起的升压效应的差异,不难发现孕晚期中枢与外周AngⅡ可以通过不同的机制进行胎儿心血管功能的调控。

(三)中枢AngⅡ致胎儿升压作用中的加压素机制

成年动物,中枢给予AngⅡ引起的升压反应机制涉及自主神经机制(交感激活)、神经内分泌的激素作用以及行为改变(饮水)。在孕后1/3期的胎儿,中枢给予外源性AngⅡ也可导致升压反应,并可导致下丘脑PVN和SON神经元的大量激活,表现为 c-fos 表达增多。由于PVN和SON是AVP的主要分泌部位,同时测定血浆中的AVP也表现出显著增加,见后文。为探讨AVP分泌是否在升压反应中起作用,我们选用AVP受体拮抗剂进行了以下实验,结果提示在胎儿中枢AngⅡ诱导的升压效应中,AVP确实发挥着重要作用。

胎儿AVP受体至少分为两个亚型(V1亚型受体和V2亚型受体)。V1亚型受体主要分布于血管平滑肌细胞,引起血管收缩效应;V2亚型受体主要分布于肾脏,调节水的重吸收。实验发现,静脉灌流V1亚型受体拮抗剂([deamino-Pen 1 ,O-Me-Tyr 2 ,Arg 8 ]-vasopressin)或V2亚型受体拮抗剂([Adamantaneacetyl 1 ,O-Et-D-Tyr 2 ,Val4,Aminobutyryl 6 ,Arg 8 ,9 ]-Vasopressin)都不影响胎儿基础血压,但V1亚型受体拮抗剂可以部分抑制中枢AngⅡ引起的胎儿血压升高,提示侧脑室注射AngⅡ在胎儿引起的升压效应中,部分由神经内分泌机制即下丘脑释放AVP介导。V2亚型受体拮抗剂则无显著影响(图3-14)。

图3-14 静脉注射V1-或V2-受体阻断剂对中枢AngⅡ致胎儿升压反应的影响

i.c.v. Ang II(1.5μg/kg);i.v. infusion:静脉灌流V1-B或V2-B的时间。*/# p <0.01,与基础水平比较。V1-B:V1-受体拮抗剂;V2-B:V2-受体拮抗剂。

(四)胎儿脑AngⅡ受体与心血管活动的调控

如前所述,近年来我们及其他实验室对胎儿中枢RAS通路中的AT 1 R和AT 2 R的mRNA和蛋白表达进行了研究,发现在至少在孕中晚期以后在胎儿脑的不同部位,如前脑的SFO、OVLT、MnPO、PVN、SON及后脑NTS、AP、LPBN等处都有丰富的AT 1 R和AT 2 R表达。但是,胎儿侧脑室注射Ang Ⅱ引起的升压效应是究竟是由何种受体介导的呢?因此,我们选用AT 1 R和AT 2 R特异性阻断剂进行了以下实验,实验中发现了很有趣的现象。

1. 静脉注射losartan对胎儿的血压的影响

图3-15静脉注射losartan对胎儿平均动脉压的影响

给孕晚期绵羊胎儿静脉注射AT 1 R特异性阻断剂losartan(10 mg/kg),引起胎儿持久的动脉血压下降。* P <0.01,与对照组比较。0 min:i.v.注射losartan的开始时间,持续15min。

Losartan 是一种非肽类的AT 1 R高效能特异性阻断剂,临床上多用于治疗原发性高血压和充血性心衰,但是以往有关的losartan药理作用的报道基本来自成年动物实验。我们近期研究发现,给孕晚期的绵羊胎儿静脉注射losartan(10 mg/kg)也可引起长时程的降压反应,在2个小时的监测过程中一直保持持续的血压下降(图3-15)。这提示外周内源性Ang Ⅱ在维持胎儿正常血压上起到重要作用,而且主要是通过AT 1 R发挥效应的。

2. 侧脑室注射losartan 对胎儿血压影响的多样性

中枢给予losartan引起的效应与外周给药明显不同(图3-16)。

图3-16 侧脑室注射不同浓度losartan对胎儿平均动脉压和心率的影响

给孕晚期绵羊胎儿侧脑室注射不同浓度losartan(0.5mg/kg,1mg/kg,5mg/kg),胎儿动脉血压和心率呈现多样性的变化。** P <0.01,* P <0.05,与基础水平比较。0 min:i.c.v.注射losartan的时间。

给孕晚期绵羊胎儿侧脑室注射不同浓度losartan(0.5mg/kg,1mg/kg,5mg/kg),胎儿动脉血压和心率呈现多样性的变化。中等和高剂量losartan(15mg/kg)引起浓度依赖性的血压升高,表现为迅速而短暂,losartan(0.5mg/kg)则不影响动脉血压。中等浓度losartan(1mg/kg)侧脑室注射时表现为心率加快,而小剂量和大剂量losartan(0.5mg/kg和5mg/kg)均对心率无显著影响。

3. 侧脑室注射losartan 对胎儿脑 c-fos 表达的影响

胎儿侧脑室注射中等剂量losartan(1mg/kg)不但可以升高血压和心率,而且在脑中心血管调控中枢中也表现出神经元的活动增强(图3-17)。胎儿中枢给予losartan为什么会引起这样的心血管反应和中枢神经元反应,我们还无法解释,但这的确与成年动物的表现不一致。

图3-17 侧脑室注射losartan(1mg/kg)对胎儿脑 c-fos 表达的影响

A:前脑;B:后脑。* P <0.05,与对照组比较。

4. 侧脑室注射PD123319对胎儿血压的影响

侧脑室注射AT 2 R特异性阻断剂PD123319(0.8 mg/kg)并不影响孕晚期胎儿动脉血压和心率。说明基础状态下胎儿的动脉血压的维持与中枢AT 2 R无关。

5. 侧脑室注射losartan 对胎儿中枢Ang Ⅱ诱导升压反应的影响

在成年动物已经证实,尽管中枢存在AT 1 R和AT 2 R,但是中枢Ang Ⅱ引起的升压反应是由AT 1 R介导的。胎儿中枢给予Ang Ⅱ可引起的升压反应是由哪种受体介导的呢?另外losartan本身也会对胎儿血压产生不同的影响,那么中枢给予losartan究竟会对对AngⅡ诱导的升压反应产生怎样的影响呢?

图3-18 侧脑室注射不同浓度losartan对胎儿中枢AngⅡ诱发升压反应的影响

losartan低浓度为0.5mg/kg(A),高浓度为5 mg/kg(B)。 **/ ## P < 0.01;*/#: P < 0.05,与基础水平比较。虚箭头代表i.c.v. losartan的时间;实箭头代表i.c.v. losartan+ AngⅡ的时间。

实验中先给孕晚期绵羊胎儿侧脑室注射losartan(低浓度0.5mg/kg、高浓度5mg/kg),观察记录 20min后再给予相应浓度losartan+ AngⅡ(1.5μg/kg)。可以发现,低浓度losartan本身不影响胎儿基础血压,但能抑制AngⅡ诱发的升压反应,对心率无影响;而高浓度losartan自身可引起胎儿血压短暂升高,20min内即可恢复,但它使AngⅡ诱发的升压反应更加显著,且持续时间长,同时还伴有心率的下降(图3-18和图3-19)。

图3-19 侧脑室注射不同浓度losartan对胎儿中枢AngⅡ诱发心率变化的影响

6. 侧脑室注射PD123319对胎儿中枢Ang Ⅱ诱导升压反应的影响

侧脑室注射AT 2 R阻断剂PD123319对胎儿中枢Ang Ⅱ诱导的升压反应没有显著影响(图3-20)。

图3-20 侧脑室注射PD123319对胎儿中枢AngⅡ诱发心血管反应的影响

PD123319:0.8mg/kg。A,胎儿血压;B:胎儿心率。* P < 0.05,与基础水平比较。虚线箭头代表i.c.v. PD的时间;实线箭头代表i.c.v. PD + AngⅡ的时间。

结合上述低浓度AT 1 R阻断实验,可以知道孕晚期胎儿AngⅡ诱发的升压反应主要也是由AT 1 R介导的。而且也可以看出胎儿内源性AngⅡ对其基础血压并不起主要调控作用,和成年是一致的。但是高浓度losartan自身的升压作用,以及它增强AngⅡ诱发的升压反应的作用,无论是在胎儿和成年,都是从未见报道的,这是一个新的发现。

多数报道认为中枢AngⅡ可引起升压效应,但是也有少数报道AngⅡ有降压效应。这可能与AngⅡ与中枢的降压相关受体结合有关。有人认为可能作用于后脑的CVLM和RVLM,使交感活性下降,从而降压。那么高浓度losartan的升压作用我们考虑是否有以下两种可能:一是高浓度losartan有更多的机会进入后脑,阻断后脑的CVLM等降压区,使血压升高;二是高浓度losartan本身是一个AT 1 R激动剂。以往曾有报道Ang Ⅱ受体拮抗剂如saralasin可以诱发短暂的、剂量依赖的升压效应;内侧隔核-内侧视前区离子电渗losartan可以引起类似与AngⅡ样的神经元激活作用。但这仍需要进一步研究。

图3-21 侧脑室注射losartan对胎儿中枢AngⅡ诱发的 c-fos 表达的影响

A,B:低浓度losartan(0.5mg/kg);C,D:高浓度losartan(5 mg/kg);A,C:前脑;B,D:后脑。* P < 0.01,与对照水平(i.c.v. AngⅡ)比较。

7. 侧脑室注射losartan对中枢Ang Ⅱ诱导 c-fos 表达的影响

我们还观察了losartan对中枢AngⅡ诱发的胎儿脑神经元激活的影响。发现低浓度和高浓度losartan的作用也截然不同,这也是从未见报道的。如图3-21、图3-22和图3-23所示,孕晚期胎儿侧脑室给予AngⅡ可诱发心血管调控相关区域 c-fos 表达增加,表现在SFO、MnPO、OVLT、PVN、SON、NTS、LPBN、AP和VLM等,低浓度losartan可以显著抑制这里的FOS-ir,而高浓度losartan则使这些区域的FOS-ir大大增强。但是,值得注意的是在脑室周围和中央管周边特定的区域,是一“无FOS区”,这种现象亦为首次报道,说明在脑内不同区域,同样的高浓度losartan可以引起不同的反应,部分表现为抑制,部分又表现为兴奋,原因尚需进一步探讨。

图3-22 侧脑室注射高浓度losartan对胎儿中枢AngⅡ诱发的 c-fos 表达的影响

A,C,E:i.c.v. AngⅡ诱发的脑 c-fos 表达;B,D,F:i.c.v. losartan(5 mg/kg)+ AngⅡ(1.5 g/kg)诱发的脑 c-fos 表达。A,B:SFO;C,D:PVN;E,F:NTS。CC:中央管。注意:在脑室周围和中央管周围有一“无FOS区”,完全没有 c-fos 表达,而在其临近区域为 c-fos 高表达区。标尺=50μm。

图3-23 侧脑室注射低或高浓度losartan对胎儿中枢AngⅡ诱发的 c-fos 表达的影响

A,MnPO;B,OVLT;C:SON。A1,B1,C1:i.c.v. Ang Ⅱ(1.5μg/kg);A2,B2,C2:i.c.v. losartan(0.5 mg/kg)+Ang Ⅱ;A3,B3,C3:i.c.v. losartan(5 mg/kg)+ Ang Ⅱ。标尺=50μm。

相关AT 1 R和AT 2 R拮抗剂的实验证实,中枢AngⅡ诱发的升压效应以及中枢神经网络的激活都是由AT 1 R介导的。侧脑室注射AT 1 R拮抗剂losartan能抑制中枢AngⅡ引起升压效应,而AT 2 R拮抗剂PD123319则无此作用。但是非常有趣的是,我们发现侧脑室注射高剂量losartan本身可以升高胎儿动脉血压,这与成年动物上的研究结果截然不同。尽管我们目前还不清楚其内在机制,但是胎儿脑组织中AT2R的丰富表达也可能与胎儿与成年动物上的losartan的不同实验结果有关。

有报道,破坏小鼠AT 2 R的基因,同样可以引起显著的升压效应,并增加AngⅡ升压作用的敏感性。提示AT 2 R可能介导降压反应,并可以拮抗AngⅡ诱发的由AT 1 R介导的升压作用。在胎儿脑组织中,AT 1 R和AT 2 R都广泛分布,特别是到孕晚期。这与成年脑局部RAS不同。尽管对中枢RAS介导的胎儿的心血管功能调节已经有一系列研究,但是仍然存在很多问题。例如,为什么侧脑室注射losartan在高剂量时,胎儿与成年会有不同的反应?为什么在胎儿仅仅是脑室周围和中央管周围出现无FOS区,而其他部位是高表达?这些问题还有待于进一步研究。

三、胎儿脑RAS对体液平衡的调节

(一)胎儿吞咽活动

胎儿通过吞咽可以自发地摄取羊水。实际上,吞咽所摄入的液体是羊水、肺液和唾液的混合物。羊水量的净平衡取决于胎儿体液的生成和吸收,前者主要是尿和肺液的生成,后者主要是胎儿吞咽和羊膜对液体的吸收。许多有关胎儿吞咽的研究都是在绵羊胎儿模型上进行的。1973年,Bradley and Mistretta首次在孕晚期的绵羊胎儿食管平滑肌上安装了电磁流体探头,并且记录到胎儿羊水日摄入量是44 ml/kg/day。研究发现胎儿吞咽和神经行为有关,因此,凡是影响胎儿神经行为的因素均会影响胎儿的吞咽活动。现已证实孕期后三分之一阶段,胎儿吞咽伴随着呼吸运动,并且主要发生在低压高频的皮层电活动时相。现在较为成熟的吞咽研究模型是在手术中于胎羊食道平滑肌的上、中、下段各埋设三对电极,并将一超声流体探头放置在胎儿胸段食道周边,以测定肌电活动和食道液体流。此技术使人们对胎儿吞咽行为和“渴”的研究成为可能。

(二)胎儿脑RAS与体液平衡

中枢RAS介导的行为和内分泌是体液平衡调节的两条主要途径,包括水、盐的摄入,肾脏排泌和重吸收。在成年人或成年动物的脑内存在渴中枢。渴中枢中有对AngⅡ的感受器。尽管在成年对此方面的研究已经很多,但是在胎儿,有关脑RAS对体液平衡调节作用的功能发育方面的研究成果还主要来自近些年的工作。对孕后1/3期绵羊胎儿进行置管手术,侧脑室注射AngⅡ可导致胎儿吞咽频率明显增加(图3-24);侧脑室注射Ang 受体拮抗剂可以阻断AngⅡ诱发的胎儿吞咽活动,提示胎儿脑RAS在刺激调控吞咽功能方面在妊娠后1/3期已基本出现。

进一步的研究表明至少在孕晚期,AngⅡ作用的相关中枢神经网络已经基本完整。我们前期的绵羊胎儿实验提示,侧脑室注射AngⅡ激活的神经核团包括前脑的SFO、MnPO、OVLT、SON、PVN,以及后脑的NTS和LPBN。值得注意的是,这些区域都是已知的AngⅡ作用的关键部位。基于侧脑室注射AngⅡ能刺激胎儿吞咽活动并伴随上述核团的激活,我们可以有以下两个推论:第一,脑AngⅡ对胎儿体液平衡调节的行为发育具有重要作用;第二,胎儿脑RAS相关的中枢通路在出生前已基本完整。

图3-24 侧脑室注射AngⅡ诱发的胎羊吞咽活动

图中所示为食管上、中、下段的肌电图EMG信号,由上而下依次出现,表示是典型的吞咽活动。A,i.c.v. 0.9%NaCl所观察到的胎羊吞咽频率,平均1次/min,与人胎儿吞咽频率相近;B,i.c.v. Ang Ⅱ(1.5ug/kg)后所观察到的胎羊吞咽频率,可达到4~5次/min。A和B所示时间为1min。

四、胎儿脑RAS对神经内分泌的调节

(一)血管加压素和催产素

1. 下丘脑SON和PVN的加压素能和催产素能神经元的结构发育

下丘脑SON和PVN是AVP和OT的主要合成部位,合成的激素通过神经垂体束运送到神经垂体贮存,在受到适当刺激如高渗、失血等刺激时诱发神经垂体激素释放。在成年动物有关下丘脑的结构和功能的研究报道很多,但是在胎儿时期,AVP能和OT能神经元何时出现、分布情况如何、与成年有何差异等都没有报道。我们采用免疫组化实验方法,于不同胎龄的绵羊胎儿的下丘脑组织切片上进行染色,观察了SON和PVN的AVP能和OT能神经元的发育情况。实验发现,孕中晚期(~95GD)、孕晚期(~130GD)和足月胎儿(~140GD)三个时期,SON和PVN部位均有清晰的AVP和OT免疫活性细胞,且分布有相同的特征。在PVN部位,AVP-ir主要分布在大细胞区的中央部分,OT-ir则散在于周边。在SON部位,AVP-ir主要集中在腹侧区域,而OT-ir主要散在分布在背侧区域(图3-25和图3-26)。这提示至少在孕后1/3期,胎儿下丘脑SON和PVN的AVP能和OT能神经元已经具备类似与成年的结构分布模式,为神经激素的正常分泌无疑奠定了结构基础。

图3-25 孕95天绵羊胎儿下丘脑PVN和SON部位的AVP-能及OT-能神经元免疫活性

A,C:AVP-ir;B,:OT-ir。3V:第三脑室。标尺= 200 μm。黑点代表AVP或OT免疫阳性的细胞。

图3-26 绵羊胎儿下丘脑PVN和SON部位的AVP-及OT-能神经元分布示意图

2. 侧脑室注射Ang Ⅱ对胎儿AVP分泌的影响

在成年动物模型上已经证实下丘脑的SON和PVN对体液平衡的维持非常重要,很多刺激包括中枢给予AngⅡ都可以诱发SON和PVN的AVP和OT释放。近期的胎儿研究证实,侧脑室注射AngⅡ能引起孕中晚(~95GD)或晚期(~130GD)绵羊胎儿血浆中AVP水平显著增加(图3-27),但是不改变胎儿血浆渗透压、钠离子浓度和血细胞容积。如上所述,血浆AVP的增加,还部分参与AngⅡ诱发的升压反应。

图3-27 孕中晚期绵羊胎儿侧脑室注射AngⅡ对其血浆AVP浓度的影响

侧脑室注射AngⅡ(0.5 和1.5 μg/kg)使其血浆AVP浓度升高,且呈浓度依赖性。* P <0.01,与基础水平对比。

图3-28 侧脑室注射losartan对孕晚期绵羊胎儿AngⅡ诱发的血浆AVP浓度升高的影响

低浓度和高浓度losartan分别为0.5和5mg/kg;Ang Ⅱ:1.5 μg/kg。虚箭头:i.c.v. losartan的时间;实箭头:losartan + AngⅡ。

侧脑室注射不同浓度AT 1 R拮抗剂losartan对胎儿AngⅡ诱发的血浆AVP浓度升高产生不同的效应(图3-28)。低浓度losartan(0.5mg/kg)可引起AngⅡ诱发的AVP释放反应;而高浓度losartan(5mg/kg)则增强了AngⅡ诱发的AVP释放增多。侧脑室给予PD123319并不影响AngⅡ诱发的AVP释放反应。这提示孕晚期胎儿中枢Ang Ⅱ可诱发加压素释放反应,而且是通过AT 1 R介导的。

3. 侧脑室注射Ang Ⅱ对胎儿下丘脑AVP神经元的作用

进一步研究发现,胎儿中枢AngⅡ在引起AVP释放的同时,还伴随着下丘脑SON和PVN内的 c-fos 表达增加。由于下丘脑有很多功能各异的神经元,为确定AVP能神经元是否真正被激动,我们进行了AVP免疫(AVP-ir)和FOS免疫(FOS-ir)双重染色。结果发现,孕中晚期胎儿下丘脑SON和PVN中有许多AVP-ir(+)的细胞,但是很少表现为FOS-ir(+)(图3-29)。而侧脑室注射AngⅡ后,有大约50~60%左右的AVP-ir(+)的细胞同时表现出FOS-ir(+)。提示中枢给予AngⅡ可直接刺激下丘脑AVP神经元的生理活动,这种中枢AngⅡ对AVP释放的调控功能在妊娠后期已基本建立。

图3-29 绵羊胎儿下丘脑SON和PVN部位的AVP和FOS的双重免疫染色

A,C:对照组,i.c.v. 0.9% NaCl;B,D:i.c.v. AngⅡ(1.5 μg/kg)。A,B:SON;C,D:PVN。箭头代表双重免疫阳性的细胞,即AVP-ir(+)和FOS-ir(+)。标尺=50μm.

另外,来自外周血液循环中的AngⅡ也能使胎羊脑内的CVO,MnPO和SON的 c-fos 表达增多。而且,SON相当部分AVP神经元中的 c-fos 表达也增多。来自外周血循环的AngⅡ是通过CVO作用于胎羊下丘脑的AVP神经元参与体液平衡的调节。

尽管近年来,已经有一些研究探讨了中枢AngⅡ对胎儿AVP释放的影响,但是胎儿中枢AngⅡ对OT的影响以及OT在体液平衡中的作用还有待进一步阐明。

(二)下丘脑-垂体-肾上腺轴

在成年,除了AngⅡ介导的AVP和OT反应外,AngⅡ在脑内也可以刺激ACTH的释放。Ganong证实了循环中的AngⅡ也可以作用于CVO增加ACTH的分泌,提示AngⅡ可能对下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)具有重要调节作用。

随着胎儿发育,其HPA轴逐渐成熟。在绵羊,胎儿逐渐增加的血浆ACTH和皮质醇浓度可以始动分娩。孕后期的胎儿HPA轴在母亲应激时也有所反应。但是有关孕后期的胎儿脑RAS和HPA轴之间的功能联系还缺乏确切的实验依据。

有研究发现在胚胎小鼠的脑中存在Ⅰ型促肾上腺皮质激素释放因子(CRF-R1)。Keiger等证实在绵羊胎脑中的CRFmRNA水平受到皮质醇的调节,且表现出区域特异性。胎儿血浆皮质醇水平从70%GD至90%GD缓慢升高,说明HPA轴的逐渐成熟。70%GD时,皮质醇处理可以导致胎儿延髓CRF mRNA水平升高3.5倍,提示此时,皮质醇可以使绵羊胎儿脑干CRF基因表达上调。

Keller-Wood等分析了第二妊娠阶段的绵羊胎儿HPA轴中的关键组分的基因表达情况。他们从妊娠80、100、120、130和145天的绵羊胎儿的垂体、下丘脑、海马及脑干中分离出CRFmRNA。他们证实了在垂体和海马部位,糖皮质激素和盐皮质激素受体呈高表达,下丘脑的CRF表达在妊娠后期表达增多。胎脑中糖皮质激素受体和盐皮质激素受体的表达对HPA轴的调控十分重要。

我们近期也尝试观察胎儿在中枢给予AngⅡ后对下丘脑CRF神经元的激动情况,采用135GD的绵羊胎儿侧脑室注射AngⅡ(1.5μg/kg)。实验发现中枢给予外源性AngⅡ引起下丘脑PVN部位大量神经元被激动,其中有部分是CRF神经元,表现为CRF免疫阳性。这些CRF神经元中确实部分被激活,表现为FOS免疫阳性(图3-30)。这也初步证实了在妊娠后期胎儿脑RAS和HPA轴之间的功能联系,但仍需要进一步的实验依据。

图3-30 绵羊胎儿侧脑室注射AngⅡ对下丘脑PVN部位的CRF神经元的激活作用

A,D:对照组,i.c.v. 0.9% NaCl;B,E:i.c.v. AngⅡ(1.5 μg/kg)。A,B,C:PVN的c-fos表达。实箭头代表双重免疫阳性的细胞,即CRF-ir(+)和FOS-ir(+),虚箭头代表仅CRF-ir(+)。标尺=50um。

(三)其他激素

在成年动物,有大量实验证实了中枢血管紧张素和其他激素系统之间的相互作用。侧脑室注射AngⅡ对催乳素(prolactin,PRL)、生长激素(growth hormone,GH)和促甲状腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH)有抑制作用。为确定内源性AngⅡ在对下丘脑-垂体激素释放中的作用,Franci等给清醒、去卵巢大鼠第三脑室微注射特异性AngⅡ抗血清,发现PRL、GH和TSH水平升高,提示脑内源性AngⅡ对那些下丘脑神经激素有抑制作用。

体外有实验发现在成年和新生动物,AngⅡ能引起PRL从腺垂体释放。在罗非鱼的培养腺垂体中,也发现AngⅡ能引起快而短暂的PRL释放。在培养于地塞米松的垂体前叶细胞集落中,AngⅡ对GH表现出双重作用,即可以刺激2周龄大鼠的细胞集落释放GH,又抑制成年大鼠细胞集落释放GH。这提示AngⅡ对GH释放的调控作用有糖皮质激素依赖性,在未成熟细胞表现为刺激作用,而在成熟细胞主要表现为抑制效应。

由于上述的RAS和HPA的联系,我们知道RAS在妊娠后期的胎儿脑中已发育到相当的程度,且PRL、GH和TSH也相对完整。虽然成年动物脑RAS和其他激素之间表现出完整成熟的相互作用,但是在发育中的胎儿是怎样的情况还不甚明了,这需要进一步的研究。我们将AngⅡ对成年和胎儿下丘脑的生理作用总结如图3-31。

图3-31 AngⅡ对成年和胎儿的下丘脑生理作用比较 vfuphn+2ouF5oL12DoEgXym3pXzf/uqmU7GDvAUr99AkxdH/QjcMgg38e3HxGiM6

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