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末梢化学受容器（頸動脈小体と大動脈小体）は、末梢神経系の感覚拡張であり、血管内で化学物質の濃度の変化を感知するため、このように呼ばれています。[ 1]頸動脈小体と大動脈小体は、周囲の環境の変化のパターンを変換器として、味蕾や光受容器と同様に化学センサーとして数えられます。 [2]しかし、頸動脈小体と大動脈小体は体の内臓内の変化を感知するため、内受容器と見なされます。[3]対照的に、味蕾、嗅球、光受容器、および5つの従来の感覚様式に関連する他の受容器は、体外の刺激に反応するという点で外受容器です。[3]体には固有受容器もあり、これは、通常は筋肉である臓器内の伸縮量に反応します。 [3]
末梢化学受容器の具体的な機能は、血液中の化学物質の濃度をモニターすることで、心肺系の恒常性を維持することです。 [4]これらのポリモーダルセンサーは、低酸素（低酸素症）、高二酸化炭素（高炭酸ガス血症）、低グルコース（低血糖）など、さまざまな血液特性の変化に反応します。[4]低酸素症と高炭酸ガス血症は、末梢化学受容器によって検出される状態の中で最も研究され、理解されているものです。グルコースについては後のセクションで説明します。求心性神経は、頸動脈小体と大動脈小体から脳幹に信号を送り返し、脳幹はそれに応じて反応します（例：換気の増加）。[3]
構造
頸動脈小体と大動脈小体はどちらも低酸素症時に感覚放電を増加させる。[5]頸動脈小体は主要な末梢化学受容器と考えられており、低酸素反応により大きく寄与することが示されている。しかし、頸動脈小体が慢性的に欠損している場合、大動脈小体は同様の呼吸調節の役割を果たすことができ、これは大動脈小体にも有効なシグナル伝達機構があることを示唆している。 [5] 2 つの小体の位置が異なるため、異なる情報を利用するのに理想的な位置にある。首の主要動脈の 1 つに位置する頸動脈小体は動脈血管内の分圧を監視し、大動脈弓に位置する大動脈小体は心臓に近い酸素濃度を監視する。[3]これらの小体はいずれも同様の細胞集団で構成されており、それらの応答を区別するのは伝達後のシグナル処理である。しかし、これらのシグナル伝達機構の詳細についてはほとんどわかっていない。[6]
微細解剖学
頸動脈小体と大動脈小体は、それぞれ総頸動脈と大動脈弓に位置する細胞の集まりです。[6]これらの末梢化学受容器はそれぞれ、I型グロムス細胞とグリア様II型細胞で構成されています。[6] I型細胞は血流からの信号を変換し、求心性神経線維によって支配され、求心性神経線維は頸動脈小体で頸動脈洞神経に戻り、さらに舌咽神経と脳幹の延髄につながります。対照的に、大動脈小体は迷走神経を介して延髄に接続されています。[3]
I型細胞は、同じ神経群につながる遠心性神経線維からの入力も受け取ります。細胞クラスター全体に毛細血管が浸透し、血流へのアクセスを提供します。毛細血管密度が高いため、この部分は体内で最も血流が豊富な部位の1つとなっています。[6] I型細胞には、伝達時に放出されるドーパミン、ATP、セロトニン、カテコールアミンなどのさまざまな神経伝達物質を含む小胞が密集しています。[1] I型細胞はギャップ結合を介して接続されていることが多く、これにより、信号を伝達する際に細胞間の迅速な通信が可能になる場合があります。[6]
II 型細胞は I 型細胞と約 1 対 4 の比率で存在します。II 型細胞の長い細胞体は通常 I 型細胞と密接に関連していますが、I 型細胞を完全に包んでいるわけではありません。[6] II 型細胞には神経伝達物質の伝達に使用される I 型細胞の小胞がありませんが[1]、研究によると化学受容体幹細胞として機能し、低酸素への長期曝露に反応して I 型細胞自体に増殖することができます。[7]また、化学受容シグナル伝達の主要な神経伝達物質の1 つである ATP の放出を増幅することで、I 型細胞間の迅速なコミュニケーションを強化する可能性があります。[6]
発達
末梢化学受容器の感度と生理機能は生涯を通じて変化する。[8]
幼少期
新生児の呼吸は不規則で、周期的な呼吸や無呼吸になりやすい。[8]子宮内および出生時には、低酸素に対する頸動脈小体の反応は完全には発達しておらず、成人の頸動脈小体と同程度の感受性になるには数日から数週間かかる。この発達期間中、新生児は大動脈小体や中枢化学受容器など、他の酸素感知化学受容器に大きく依存していると考えられている。[5]しかし、頸動脈小体以外の化学受容器だけでは適切な換気反応を確保できない場合があり、SIDSによる死亡は頸動脈小体がまだ発達している数日または数週間に最も多く発生しており、適切な頸動脈小体の活動の欠如がこの病状に関係していることが示唆されている。 SIDS の被害者は、周期呼吸、睡眠時無呼吸、睡眠中の覚醒障害、低酸素に対する感受性の低下など、頸動脈小体の発達に特徴的な問題のいくつかを示していることがしばしば報告されています。 SIDS 被害者の頸動脈小体は、低成長や肥大などの生理学的異常もしばしば示しています。 頸動脈小体と SIDS の関係に関する多くの研究結果では、頸動脈小体の発達は、早産や煙、乱用物質、高酸素症、低酸素症など、SIDS のリスクを高めることがすでに知られている環境要因によって阻害されると報告されているため、頸動脈小体の研究は SIDS に関する知識を別の領域に拡張しているだけのように最初は思えるかもしれません。 しかし、頸動脈小体の発達を阻害するメカニズムを理解することは、新生児、特に未熟児のケアの特定の側面をどのように改善できるかを明らかにするのに役立つ可能性があります。例えば、酸素療法は、未熟児を非常に高い酸素レベルにさらすことで、正常な酸素レベルに対する適切な感受性を獲得することを妨げる技術の一例である。[9]
妊娠
妊娠20週以降、妊婦では換気の基本速度と低酸素症および高炭酸ガス血症に対する感受性が上昇しますが、研究では、これは少なくとも部分的には末梢化学受容器の感受性の変化によるものであると示唆されています。同様の感受性の変化は、これらの影響が現れ始める妊娠段階を模倣したレベルのホルモンを投与された女性でも確認されており、頸動脈および大動脈小体の感受性は神経内分泌プロセスによって調整されていることを示唆しています。 [5]ただし、末梢化学受容器と妊娠による呼吸の変化を結び付ける知見は単なる相関関係である可能性があり、この関係の背後にある原因を特定するにはさらなる研究が必要です。
生理
シグナル伝達
末梢化学受容器は、血流から情報を取得するメカニズムが理解され始めるよりずっと早く、呼吸調節に必要であると特定されました。 [4]頸動脈小体と大動脈小体は両方ともI型細胞とII型細胞で構成されており、血液化学物質からの信号を同じように伝達すると考えられていますが、伝達後の信号伝達は異なる場合があります。 [6]これらの受容体における化学感覚伝達は依然として活発な研究分野であり、すべての研究が一致しているわけではありませんが、 AMPK酵素に影響を与えるミトコンドリアの酸素消費に依存する伝達メカニズムを支持する意見が増えています。[4]
シグナルを髄質に伝達するには、I 型細胞の小胞から神経伝達物質が放出される必要があり、他の多くの神経細胞と同様に、これは膜の脱分極後の細胞内へのカルシウムの流入によって引き起こされます。[6]末梢化学受容器などの間受容器におけるシグナル伝達を特定するプロセスでは、膜の脱分極から遡って、血液化学物質を神経シグナルに変換する、多くの場合細胞内部の、その前のステップを発見する必要があります。 ここまでのところ、ほとんどの研究は、膜の脱分極は、静止電位を維持するカリウムチャネルの阻害によって引き起こされることに同意しています。[4] カリウムチャネル阻害の前のステップに関しては、多くのメカニズムが提案されていますが、研究コミュニティから満場一致で支持されているものはありません。[7]複数のタイプのカリウムチャネルが低酸素症に反応しますが、種によって大きく異なり、種ごとにいくつかの異なるタイプがあります。[4] カリウムチャネルの発現も生涯を通じて変化します。[8]いくつかの研究では、ヘムオキシゲナーゼ2がトランスデューサーであると提案されていますが、マウスでそれを欠失しても化学受容器の酸素感受性には影響がないため、[10]この仮説は疑問視されています。別の酵素であるAMP活性化タンパク質キナーゼ（AMPK）は、すべてのタイプのカリウムチャネルだけでなく、肺血管系や新生児のクロマフィン細胞などの体内の他の酸素感知組織にも適用できるメカニズムを提供します。AMPKは、細胞呼吸の増加に伴うAMP：ATP比の増加によって活性化される酵素です。活性化されると、酵素はATPの生成を促進し、それを消費する反応を抑制します。AMPK活性化は、最も一般的な2つのタイプのカリウムチャネルの両方を活性化できるため、より魅力的な候補でもあります。別の研究では、AMPKがリン酸化を介してカリウムチャネルを開閉することを確認しており、2つの間のつながりをさらに強調しています。しかし、1型細胞の酸素感知におけるAMPKの役割も最近疑問視されています。[11]
この酵素の機能により、I 型細胞はミトコンドリアを独自に活用できるようになっています。しかし、AMPK は代謝の調節に役立つため、化学受容器よりも多くの種類の細胞に見られる酵素です。違いは実際には AMPK 酵素ではなく細胞の代謝にあるのかもしれません。末梢化学受容器は、密集した毛細血管のネットワークに支えられて、非常に高い酸素消費率を示します。細胞呼吸の基本速度が非常に高いため、AMPK は血液中の酸素の減少に対してより敏感であり、他の細胞がその不在の影響を感じ始める前に、酸素含有量の小さな変化に反応することができます。[4]このように、末梢化学受容器細胞における伝達は比較的独特です。光の存在下で形を変える特殊なタンパク質や、特定の味物質に対する特定の受容器部位は 必要ありません。必要な構成要素は、好気性細胞すべてに共通するミトコンドリアとその活性を調節する酵素、多くの種類の神経細胞に共通する一連のカリウムおよびカルシウムチャネルと神経伝達物質、そして好気性細胞すべてを支える充実した血管系だけです。[4] さらなる研究により、I 型細胞が他の細胞タイプと比較してなぜこれほど高い代謝率を示すのかが明らかになるはずです。これが受容体の真にユニークな特徴である可能性があるからです。したがって、好気性生物の最も基本的なエネルギー源の受容体は、体全体に共通する細胞構造の集合体で構成されています。
低酸素症への反応
末梢化学受容器は、運動や高地への曝露など、酸素へのアクセスが少ない多くの状況でストレスを受けます。[5]原因に関係なく、持続的な低酸素ストレス下では、末梢化学受容器は大きな可塑性を示します。化学受容細胞のサイズが大きくなり、数も増加します。[5]研究者はこれまで、頸動脈小体と大動脈小体の数が急速に増加する理由が不明でしたが、最近の研究結果では、以前は補助的な役割しか持たないと考えられていたタイプII細胞が、幹細胞の特性を保持し、タイプIトランスデューサー細胞に分化できると考えられていることが示されています。[7]
いくつかの研究は、末梢化学受容器が運動中の換気に役割を果たしていることを示唆している。しかし、それらが興奮性の役割を果たすのか、それとも抑制性の役割を果たすのかについては意見が分かれている。いくつかの研究は、運動中のカテコールアミンまたはカリウムの循環増加が末梢化学受容器に対する潜在的な効果因子であると指摘しているが、この効果の詳細はまだ解明されていない。末梢化学受容器の関与を示唆するすべての示唆は、これらの受容器がこの反応を単独で説明するものではないと結論付けており、これらの受容器はストレス時に反応できる一連の酸素感知細胞のうちの1つにすぎないことを強調している。生きた運動中の人間の頸動脈および大動脈小体の活動に関する情報を収集することは困難を伴い、多くの場合、間接的な証拠しか示さないため、より多くの証拠が蓄積され、できればより高度な技術が開発されるまで、広範な結論を導き出すことは困難である。[5]
換気効果に加えて、末梢化学受容器は運動に対する神経内分泌反応に影響を及ぼす可能性があり、それが換気以外の活動にも影響を及ぼす可能性があります。[5]頸動脈および大動脈小体が麻痺したイヌでは、ブドウ糖促進ホルモンであるグルカゴンと神経伝達物質であるノルエピネフリンの循環が増加します。これは、末梢化学受容器が、従来換気調節の唯一の役割と考えられてきたものに加えて、低ブドウ糖レベルに反応し、他の神経内分泌シグナルにも反応する可能性があることを示唆しています。[5]
中枢化学受容器の役割
末梢化学受容器は中枢化学受容器と協調して働き、中枢化学受容器も血中CO2をモニターしますが、モニターは脳を取り囲む脳脊髄液内で行われます。末梢化学受容器からの入力を受け取る脳幹領域である腹側延髄には、中枢化学受容器が集中しています。 [12]これらの血中酸素モニターは、呼吸、気道抵抗、血圧、覚醒など、いくつかのプロセスを調節できる延髄の血管運動中枢に神経信号を送ります。[3]進化論的レベルでは、酸素レベルのこの安定化は、二酸化炭素濃度とpHの一定化にもつながり、空気呼吸と水中呼吸の酸素流量の管理、睡眠、およびタンパク質構造に理想的なpHの維持に重要でした。なぜなら、pHの変動は細胞の酵素を変性させる可能性があるからです。 [3] [13]
参照
参考文献
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外部リンク
- Nosek, Thomas M. 「セクション 4/4ch6/s4ch6_20」。人間生理学の基礎。2016 年 3 月 24 日のオリジナルからアーカイブ。
- cvphysiology.com の概要
- 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)の Paraganglia、+Nonchromaffin