新突破！Cell：通过小鼠模型，曹鹏团队揭示「恶心-呕吐」 ...

愛上石頭記

“恶心-呕吐”几乎是每个人都在日常生活中经历过的一种反应，最常见的就是在吃到变质的食物后。呕吐是一种非常不适的体验，但它也恰恰是包括人类在内许多哺乳动物进化过程中最重要的“保命”机制。

通过呕吐，人体将摄入的有毒食物排出消化道，避免病原进一步侵入身体；通过恶心这一厌恶性情绪，大脑对有毒食物的特征加深长期记忆，以免将来再次摄入有毒食物。

恶心和呕吐也是癌症化疗的主要副作用，具有重要的临床意义。化疗药物可以杀死快速分裂的肿瘤细胞，但对正常细胞也有很强的杀伤作用。摄入体内的化疗药物被机体识别为“毒素”，并启动恶心和呕吐的防御反应，帮助机体尽快排出这些“毒素”。因此，接受化疗的癌症患者不得不遭受极为痛苦的“恶心-呕吐”副作用，必须服用大剂量的止吐药才能勉强熬过化疗过程。

由于“恶心-呕吐”反应的具体机制不明，临床上可以使用的止吐药屈指可数。只有深度解析机体产生“恶心-呕吐”反应的精细机制，才有可能研发出更有效的化疗止吐药。

由于啮齿动物不会呕吐，使科学家们无法在小鼠或大鼠中研究这一过程。受限于技术手段和实验方法，过去三十多年里，人们对其机制的了解十分有限。

早期利用狗、雪貂等有呕吐行为的动物研究发现，切断迷走神经可以阻断呕吐反应，呕吐依赖于胃肠道与大脑之间的“肠-脑”轴，并鉴定出了参与呕吐反应的一些脑区，发现某些5-羟色胺受体或神经激肽受体拮抗剂能抑制呕吐反应。然而关于“恶心-呕吐”反应，其中的机制还有不少未解的谜团。


近期，来自北京生命科学研究所曹鹏研究员领导的研究团队取得新进展，研究团队成功建立了以小鼠为动物模型研究“恶心-呕吐”反应的新范式，并初步揭示了大脑感知病原入侵启动“恶心-呕吐”反应的分子细胞机制和神经环路机制。

相关研究内容于2022年11月1日于《Cell》上发表，题为“The gut-to-brain axis for toxin-induced defensive responses”。

北京生命科学研究所曹鹏实验室的谢志勇（现任复旦大学脑转化研究院独立PI）、张现营、赵淼，以及生物岛实验室的霍立芳为论文共同第一作者。曹鹏博士、谢志勇博士、王凤超博士和尚从平博士是研究论文的共同通讯作者。研究课题受到国家自然科学基金委、科技部和北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院的大力支持。链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01314-9

成功建立以小鼠为动物模型研究“恶心-呕吐”反应的新范式


在这项研究中，研究人员首先应用金黄色葡萄球菌产生的肠毒素诱导小鼠食物中毒。（葡萄球菌肠毒素A（SEA）是由金黄色葡萄球菌产生的一种常见细菌毒素，也会导致人类食物中毒。）

研究人员注意到，虽然小鼠不会呕吐（vomiting），但它们在感染了葡萄球菌肠毒素A后，会表现出不寻常的张开嘴行为（retching-like behavior），类似干呕。





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在呕吐动物模型中，干呕的生理特征是隔膜（吸气）和腹部（呼气）肌肉的同步激活。

研究人员发现，SEA诱导小鼠的张嘴动作伴随着膈肌和腹部外斜肌的同步爆发样肌电图 (EMG) 活动；而在对照小鼠中，正常通气与这些肌肉的交替EMG活动平行。

在SEA处理的小鼠中，张嘴阶段的膈肌EMG振幅和频率均显著高于对照组。



这些数据提供了生理学证据，表明葡萄球菌肠毒素A引起的小鼠异常张嘴动作是类似干呕的行为。

研究人员感到非常惊喜，这是因为，小鼠、大鼠等实验室常用的啮齿类动物，或许是因为消化道平滑肌不够发达，无法把胃里的食物吐出来，这种“呕吐缺陷”成为了“恶心-呕吐”研究领域长期缺乏合适的动物模型和研究范式的重要原因。

但现在，研究人员发现小鼠的干呕行为可以模拟人类食物中毒后的“呕吐”防御反应；此外，摄入肠毒素也会引起小鼠产生类似“恶心”的厌恶性情绪，形成对含有肠毒素的饮料的条件性味觉回避（conditioned flavor avoidance）。

小鼠的条件性味觉回避和干呕行为分别模拟了人类食物中毒后引发的“恶心”和“呕吐”防御反应，因此，可作为小鼠食物中毒的研究范式。


“恶心-呕吐”反应的分子细胞机制和神经环路机制

接下来，研究人员应用新建立的食物中毒研究范式，在分子和细胞水平上观察大脑对毒素的防御反应。

在肠道上皮中，存在一类被称为肠嗜铬细胞（enterochromaffin cell）的肠道内分泌细胞。利用这个新建立的模型，研究人员发现肠嗜铬细胞在“恶心-呕吐”反应中扮演重要角色，可能是帮助大脑感知病原体入侵的“情报员”。

这类细胞合成了占机体90%的5-羟色胺（5-HT）。当敲除肠嗜铬细胞中合成五羟色胺的限速酶基因Tph1后，肠毒素引发的“恶心-呕吐”反应大大下降。

当胃肠道遭受肠毒素入侵后，肠嗜铬细胞可能被激活并大量释放5-HT。
释放的5-HT与位于肠道迷走神经感觉神经元上的受体结合，它将信号从肠道沿着迷走神经传递到脑干背侧迷走神经复合体（dorsal vagal complex，DVC）中的表达速激肽基因（Tac1+）神经元。

Tac1+ DVC神经元分别通过向腹侧呼吸组和外侧臂旁核的发散投射，来驱动类似干呕的行为和条件性味觉回避。



大脑感知毒素并启动“恶心-呕吐”反应的神经生物学机制

研究者通过光遗传学和化学遗传学的方法激活这些Tac1+ DVC神经元，可以直接引发小鼠的干呕行为和条件性味觉回避。而失活或敲除Tac1基因，可以阻止病原入侵引发的干呕行为和条件性味觉回避。



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此外，研究人员还调查了化疗药物是否激活了相同的神经回路。（通常，化疗药物也会在受体中引起恶心和呕吐等防御反应。）

他们给小鼠注射了常见化疗药物阿霉素（doxorubicin）后，引发小鼠的干呕行为；但当研究小组灭活它们的Tac1+神经元，或敲除肠嗜铬细胞中合成5-HT的限速酶基因Tph1后，动物的干呕行为显著减少。

目前，一些用于化疗患者的抗恶心药物（如格拉司琼）正是通过阻断5-HT受体来发挥作用。这项研究也解释这种药物为何有效。

这一发现表明，上述分子细胞和神经环路机制也参与了化疗药物阿霉素（doxorubicin）引发的“恶心-呕吐”副作用。“这一发现暗示，化疗药物引发的‘恶心-呕吐’副作用，可能是通过绑架进化上保守的食物中毒机制得以实现的。”研究人员总结说。



总之，该团队通过开发食物中毒引发“恶心-呕吐”的小鼠模型，并初步揭示了大脑感知病原入侵启动“恶心-呕吐”反应的分子细胞和神经环路机制，有望为开发出更好的抗恶心化疗药物提供了新的靶点。

一片大深林

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