Perifera kemoreceptorer - Peripheral chemoreceptors

Perifera kemoreceptorer (av halspulsådern och aortakroppar ) heter så för att de är sensoriska förlängningar av det perifera nervsystemet till blodkärlen där de upptäcker förändringar i kemiska koncentrationer. Som omvandlare av variabilitetsmönster i den omgivande miljön räknas hals- och aortakroppar som kemosensorer på samma sätt som smaklökar och fotoreceptorer . Men eftersom halspulsådern och aortakroppar upptäcker variation inom kroppens inre organ, anses de vara interoceptorer . Smakslökar , luktlökar , fotoreceptorer och andra receptorer associerade med de fem traditionella sensoriska metoderna är däremot exteroceptorer genom att de svarar på stimuli utanför kroppen. Kroppen innehåller också proprioceptorer , som svarar på mängden stretch i organet , vanligtvis muskler , som de upptar.

När det gäller deras speciella funktion hjälper perifera kemoreceptorer till att upprätthålla homeostas i hjärt-andningssystemet genom att övervaka koncentrationer av blodburna kemikalier. Dessa polymodala sensorer svarar på variationer i ett antal blodegenskaper, inklusive låg syre ( hypoxi ), hög koldioxid ( hyperkapni ) och låg glukos ( hypoglykemi ). Hypoxi och hyperkapni är de mest studerade och förståda tillstånd som upptäcks av de perifera kemoreceptorerna. Glukos diskuteras i ett senare avsnitt. Afferenta nerver bär signaler tillbaka från hals- och aortakropparna till hjärnstammen , vilket svarar därefter (t.ex. ökad ventilation ).

Strukturera

Både halspulver och aortakroppar ökar sensorisk urladdning under hypoxi. Halspulver anses vara den primära perifera kemoreceptorn och har visat sig bidra mer till ett hypoxiskt svar. I den kroniska frånvaron av karotidkroppen kan dock aortakroppen utföra en liknande andningsreglerande roll, vilket tyder på att den också har effektiva mekanismer för signalöverföring . De två olika kropparnas olika platser placerar dem idealiskt för att dra nytta av olika informationer; halsorgan, som ligger på en av de viktigaste artärer i halsen , övervaka partialtryck inom arteriella kärl medan aorta kropp, som ligger på aortabågen , övervakar syrekoncentrationen närmare hjärtat . Var och en av dessa kroppar består av en liknande samling av celler, och det är signalbehandling efter transduktion som skiljer deras svar. Det är dock lite känt om detaljerna i någon av dessa signalmekanismer.

Mikroanatomi

Hals- och aortakroppar är kluster av celler som ligger på den gemensamma halspulsådern respektive aortabågen . Var och en av dessa perifera kemoreceptorer består av typ I glomusceller och glia-liknande typ II-celler. Typ-I-cellerna transducerar signalerna från blodomloppet och är innerverade av afferenta nervfibrer som leder tillbaka till (i halshinnan) sinusnerven och sedan vidare till den glukofaryngeale nerven och medulla i hjärnstammen . Aortakroppen är däremot ansluten till medulla via vagusnerven .

De får också input från efferenta nervfibrer som leder tillbaka till samma uppsättning nerver. Hela klustret av celler infiltreras med kapillärer för att ge tillgång till blodomloppet; den höga kapillärdensiteten gör detta till ett av de områden i kroppen som har störst blodflöde. Typ I-celler är tätt packade med vesiklar som innehåller olika neurotransmittorer, inklusive dopamin , ATP , serotonin , katekolamin , som frigörs under transduktion . Typ I-celler är ofta anslutna via gap-korsningar , vilket kan möjliggöra snabb kommunikation mellan celler när de överför signaler.

Typ II-celler förekommer i ett förhållande av cirka 1 till 4 med typ I-celler. Deras långa kroppar uppträder vanligtvis i nära samband med typ I-celler, även om de inte helt omsluter typ I-celler. De saknar blåsorna av typ I celler som används i signalsubstans kommunikation, men studier tyder på att de fungerar som chemoreceptor stamceller och kan svara på långvarig exponering för hypoxi genom förökar i typ celler I själva. De kan också stärka snabb kommunikation mellan typ I-celler genom att förstärka frisättningen av en av de primära neurotransmittorerna vid kemoreceptiv signalering, ATP.

Utveckling

Känslighet och fysiologi hos perifera kemoreceptorer förändras under hela livslängden.

Barndom

Andning hos nyfödda är mycket oregelbunden, utsatt för periodisk andning och apné . I livmodern och vid födseln är inte halspulverkroppens svar på hypoxi inte fullt utvecklat; det tar några dagar till några veckor för att öka känsligheten för en vuxen halshals kropp. Under denna utvecklingsperiod föreslås att nyfödda starkt är beroende av andra syreavkännande kemoreceptorer, såsom aortakroppen eller centrala kemoreceptorer . Emellertid räcker det ibland inte med att vara karotiska kroppsreceptorer för att säkerställa lämpligt ventilationssvar; SIDS- dödsfall inträffar oftast under de dagar eller veckor då halspulverkroppen fortfarande utvecklas, och det föreslås att brist på lämplig karotidkroppsaktivitet är inblandad i detta tillstånd. SIDS-offer rapporteras ofta ha visat några av de karaktäristiska problemen vid halsutveckling, inklusive periodisk andning , mycket sömnapné , nedsatt upphetsning under sömnen och låg känslighet för hypoxi. Karotidkropparna hos SIDS-offer uppvisar också ofta fysiologiska abnormiteter, såsom hypo- och hypertrofi . Många av fynden till karotidkroppens förhållande till SIDS rapporterar att karotidkroppsutvecklingen försämras av miljöfaktorer som redan var kända för att öka risken för SIDS, såsom för tidig födsel och exponering för rök, missbruk, hyperoxi och hypoxi, så det kan verka från början som om halsstudier bara utvidgar det vi vet om SIDS till ett annat område. Att förstå de mekanismer som försämrar karotis kroppsutveckling kan dock hjälpa till att belysa hur vissa aspekter av nyfödda , särskilt för tidig , vård kan förbättras. Exempelvis kan syrebehandling vara ett exempel på en teknik som utsätter för tidigt födda barn för så höga syrenivåer att det hindrar dem från att få lämplig känslighet för normala syrenivåer.

Graviditet

Ökad bashastighet för ventilation och känslighet för både hypoxi och hyperkapni förekommer hos gravida kvinnor efter graviditetsvecka 20, och studier tyder på att detta åtminstone delvis beror på förändringar i perifer kemoreceptorkänslighet. Liknande förändringar i känslighet har påträffats hos kvinnor som administreras nivåer av hormoner som efterliknar graviditetsstadiet där dessa effekter ska uppträda, vilket tyder på att hals- och aortakroppskänslighet moduleras av neuroendokrina processer. Men fynd som binder perifera kemoreceptorer till graviditetsinducerade andningsvariationer kan bara vara korrelerande, så ytterligare studier behövs för att identifiera orsaken bakom detta förhållande.

Fysiologi

Signaltransduktion

Perifera kemoreceptorer identifierades som nödvändiga för andningsreglering mycket tidigare än deras mekanismer för att skaffa information från blodomloppet började förstås. Både hals- och aortakroppar är sammansatta av typ I- och typ II-celler och antas överföra signaler från blodkemikalier på samma sätt, även om kommunikation efter transduktion kan skilja sig åt. Kemosensorisk transduktion i dessa receptorer är fortfarande ett aktivt forskningsområde, och inte alla studier är överens, men det finns ett växande stöd för en transduktionsmekanism beroende på mitokondriell konsumtion av syre som påverkar AMPK- enzymet.

Överföring av signalen till medulla kräver att signalsubstans frigöras från vesiklarna i typ I-celler, och som med många andra neurala celler är detta utlöses av ett inflöde av kalcium in i cellen efter membran depolarisation . Processen för att identifiera signaltransduktion i interoceptorer, såsom de perifera kemoreceptorerna, kräver att man rör sig bakåt från membranavpolarisering för att upptäcka de tidigare stegen, ofta inre i cellen, som överför blodkemikalier till en nervsignal. Fram till denna punkt är de flesta undersökningar överens om att membranavpolarisering orsakas av inhibering av kaliumkanaler som annars bibehåller vilopotentialen . När det gäller steget före hämning av kaliumkanaler föreslås många mekanismer, varav ingen får enhälligt stöd från forskarsamhället. Flera typer av kaliumkanaler svarar på hypoxi , med signifikanta skillnader mellan olika arter, och ett antal olika typer för varje art. Uttrycket av kaliumkanaler förändras också under hela livstiden. Vissa studier föreslår att heme-oxygenas 2 är givaren ; emellertid, eftersom dess strykning hos möss inte påverkar kemoreceptors syrekänslighet, kan denna hypotes vara ifrågasatt. Ett annat enzym, AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK), tillhandahåller en mekanism som inte bara kan tillämpas på alla typer av kaliumkanaler utan även andra syrekänsliga vävnader i kroppen, såsom lungkärl och nyfödda kromaffinceller . AMPK är ett enzym som aktiveras av en ökning av AMP : ATP- förhållandet till följd av ökad cellulär andning . En gång aktiverat, främjar enzymet produktion av ATP och undertrycker reaktioner som konsumerar det. AMPK-aktivering är också en mer tilltalande kandidat eftersom den kan aktivera båda de två vanligaste typerna av kaliumkanaler. En annan studie identifierade att AMPK öppnar och stänger kaliumkanaler via fosforylering , vilket ytterligare understryker länken mellan de två. AMPK: s roll vid syreavkänning i typ 1-celler har emellertid nyligen ifrågasatts.

Detta enzyms funktion positionerar typ I-celler för att unikt dra nytta av deras mitokondrier. AMPK är dock ett enzym som finns i många fler typer av celler än kemoreceptorer eftersom det hjälper till att reglera ämnesomsättningen . Skillnaden kan faktiskt ligga i cellens ämnesomsättning snarare än AMPK-enzymet; perifera kemoreceptorer uppvisar mycket höga syreförbrukningshastigheter, stöds av dess täta kapillärnätverk . Eftersom dess basfrekvens för cellulär andning är så hög, skulle dess AMPK vara mer känslig för minskningar av blodburet syre, vilket gör att den kan svara på små variationer i syreinnehållet innan andra celler börjar känna effekterna av dess frånvaro. På detta sätt är transduktion i perifera kemoreceptorceller relativt unik. Det kräver inga specialiserade proteiner som ändrar form i närvaro av ljus eller ett specifikt receptorsäte för en viss smak. Dess nödvändiga komponenter inkluderar bara mitokondrier och ett enzym som används för att reglera dess gemensamma aktivitet för alla aeroba celler, en serie kalium- och kalciumkanaler och neurotransmittorer som är gemensamma för många typer av nervceller, och en välutrustad version av kärlsystemet som stöder alla aeroba celler. Ytterligare forskning bör identifiera varför typ I-celler uppvisar en så hög metabolisk hastighet jämfört med andra celltyper, eftersom detta kan vara den verkligt unika egenskapen hos receptorn. Och därmed består en receptor för en aerob organisms mest grundläggande energikälla av insamling av cellstrukturer som är vanliga i hela kroppen.

Svar på hypoxi

Perifera kemoreceptorer utsätts för stress i ett antal situationer som involverar låg tillgång till syre, inklusive träning och exponering för hög höjd. Under ihållande hypoxisk stress, oavsett orsak, visar perifera kemoreceptorer mycket plasticitet ; de kommer båda att svälla ut storleken på kemosenseringsceller och öka antalet. Även om forskare tidigare var osäkra på hur halspulsådern och aortakroppar kom att öka antalet så snabbt, pekar de senaste fynden på typ II-celler, som tidigare ansågs ha en stödjande roll och nu tros behålla stamcellernas egenskaper och kan skilja in i transducerceller av typ I.

Flera studier tyder på att perifera kemoreceptorer spelar en roll i ventilation under träning. Det finns dock oenighet om huruvida de spelar en exciterande eller hämmande roll. Flera studier pekar på ökad cirkulation av katekolamin eller kalium under träning som en potentiell effektor på perifera kemoreceptorer; specifikationerna för denna effekt är dock ännu inte förstådda. Alla förslag om perifer kemoreceptorinvolvering drar slutsatsen att de inte enbart är ansvariga för detta svar och betonar att dessa receptorer bara är en i en serie syrekänsliga celler som kan svara i tider av stress. Att samla information om halspulsådern och aortakroppsaktivitet i levande, träna människor är fylld med svårigheter och indikerar ofta bara indirekta bevis, så det är svårt att dra expansiva slutsatser tills mer bevis har samlats in, och förhoppningsvis med mer avancerade tekniker.

Förutom ventilationseffekter kan perifera kemoreceptorer påverka neuroendokrina svar på träning som kan påverka andra aktiviteter än ventilation. Cirkulation av glukos -Främja hormon , glukagon och en neurotransmittor, norepinefrin , ökas i carotid- och aorta-kropps-kraftlös hundar, vilket tyder på att perifera kemoreceptorer reagerar på låga glukosnivåer i och kan svara på andra neuroendokrina signaler utöver vad som är traditionellt anses vara deras enda roll för ventilationsreglering.

Rollen för centrala kemoreceptorer

Huvudartikel: Centrala kemoreceptorer

Perifera kemoreceptorer fungerar tillsammans med centrala kemoreceptorer , som också övervakar koldioxid i blodet men gör det i cerebrospinalvätskan som omger hjärnan . En hög koncentration av centrala kemoreceptorer finns i den ventrala medulla , hjärnstamområdet som tar emot input från perifera kemoreceptorer. Sammantaget bidrar dessa blodsyreövervakare till nervsignaler till vasulmotorns centrum i medulla som kan modulera flera processer, inklusive andning, luftvägsmotstånd , blodtryck och upphetsning , med central kemoformation om medullära syrenivåer och perifera kemoreceptorer om arteriellt syre. På en evolutionsnivå var denna stabilisering av syrenivåer, vilket också resulterar i en mer konstant koldioxidkoncentration och pH , viktigt för att hantera syreflödet i luft-mot-vattenandning, sömn och för att upprätthålla ett idealiskt pH för proteinstruktur. , eftersom fluktuationer i pH kan denaturera cellens enzymer.

Se även

Referenser

externa länkar