Physiology of the Carotid Body: From Molecules to Disease..

[문형철]

Annual Review of Physiology Volume 82, 2020

Review Article Free

Physiology of the Carotid Body: From Molecules to Disease

• Patricia Ortega-Sáenz1,2,3, and José López-Barneo1,2,3

•  View Affiliations

• Vol. 82:127-149 (Volume publication date February 2020) https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-020518-114427
• First published as a Review in Advance on October 16, 2019

• Copyright © 2020 by Annual Reviews. All rights reserved

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ABSTRACT

The carotid body (CB) is an arterial chemoreceptor organ located in the carotid bifurcation and has a well-recognized role in cardiorespiratory regulation. The CB contains neurosecretory sensory cells (glomus cells), which release transmitters in response to hypoxia, hypercapnia, and acidemia to activate afferent sensory fibers terminating in the respiratory and autonomic brainstem centers. Knowledge of the physiology of the CB has progressed enormously in recent years. Herein we review advances concerning the organization and function of the cellular elements of the CB, with emphasis on the molecular mechanisms of acute oxygen sensing by glomus cells. We introduce the modern view of the CB as a multimodal integrated metabolic sensor and describe the properties of the CB stem cell niche, which support CB growth during acclimatization to chronic hypoxia. Finally, we discuss the increasing medical relevance of CB dysfunction and its potential impact on the mechanisms of disease.

요약

경동맥체(CB)는 

경동맥 분지부에 위치한 동맥의 화학 수용기 기관으로, 

심폐 기능 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 

CB에는 

신경 분비 감각 세포(글로무스 세포)가 포함되어 있으며, 

이 세포는 저산소증, 고탄산증, 산증에 반응하여 전달 물질을 방출하여 

호흡 및 자율 신경의 뇌간 센터로 연결되는 구심성 감각 섬유를 활성화합니다. 

최근 몇 년간 CB의 생리학에 대한 이해는 크게 진전되었습니다. 본 논문에서는 CB의 세포 구성 요소의 조직과 기능에 대한 최신 연구 성과를 검토하며, 특히 글로무스 세포의 급성 산소 감지 분자 메커니즘에 중점을 두었습니다. 

CB를 다중 모달 통합 대사 센서로 보는 현대적 관점을 소개하고,

만성 저산소 환경 적응 과정에서 CB 성장에 기여하는

CB 줄기세포 미세환경의 특성을 설명합니다.

마지막으로,

B 기능 장애의 증가하는 의학적 중요성과 질병 메커니즘에 미치는

잠재적 영향을 논의합니다.

Keywords

• carotid body, 
• multimodal sensor, 
• acute oxygen sensing, 
• plasticity, 
• mechanisms of disease

INTRODUCTION: ONE HUNDRED YEARS OF CAROTID BODY RESEARCH

The carotid body (CB) is a small bilateral organ located in the carotid bifurcation ( Figure 1a ) that carries out essential functions in cardiorespiratory control, in particular during sojourns at high altitude or in patients with impaired gas exchange in the lungs. The CB was identified around 100 years ago as an arterial chemoreceptor. However, in recent decades the field of CB physiology has progressed enormously. It was Fernando de Castro (1), a young pupil of Santiago Ramón y Cajal, who carried out a detailed investigation of the innervation of the carotid region and suggested that the CB was a sensory organ that “tasted” the chemical composition of the blood. In parallel studies, Corneille Heymans and his group (2) demonstrated that the CB is the origin of respiratory reflexes (hyperventilation) induced by hypoxemia, hypercapnia, and acidosis. A significant milestone among the numerous classical studies that followed this seminal work (see 3) was the development of the in vitro CB/carotid sinus nerve preparation (4), which allowed the CB sensory output (action potential frequency in afferent fibers) to be monitored in response to changes in O2 and CO2 tension and of pH via altered composition of the extracellular solution. These studies also demonstrated the release of neurotransmitters, in particular acetylcholine and dopamine, from stimulated CB cells, which was inhibited by the removal of extracellular Ca2+ (5). Taken together, these findings suggested a neurosecretory role for CB glomus cells, in agreement with electron microscopy observations revealing the existence of numerous secretory vesicles in these cells (6, 7).

소개: 경동맥체 연구 100년

경동맥체(CB)는

경동맥 분기부( 그림 1a)에 위치한 작은 양측성 기관으로,

특히 고지대 체류 시나 폐 가스 교환 장애가 있는 환자에서 심폐 조절에 필수적인 기능을 수행합니다.

CB는 약 100년 전

동맥 화학수용체로 처음 식별되었습니다.

그러나

최근 수십 년간 CB 생리학 분야는 엄청난 발전을 이루었습니다.

산티아고 라몬 야 카잘의 제자였던 페르난도 데 카스트로(1)는 경동맥 지역의 신경 분포를 상세히 조사하고 CB가 혈액의 화학적 성분을 '감지'하는 감각 기관이라고 제안했습니다.

동시 연구에서 코르네일 헤이만스와 그의 연구팀(2)은

저산소혈증,

고이산화탄소혈증,

산혈증에 의해 유발되는 호흡 반사(과호흡)의 기원이

CB임을 입증했습니다.

이 획기적인 연구에 이어 진행된 수많은 고전적인 연구들(3 참조) 중 중요한 이정표는 CB/경동맥 신경의 체외 준비(4)의 개발로, 이를 통해 세포외 용액의 성분 변화를 통해 O2 및 CO2 긴장도와 pH의 변화에 대한 CB 감각 출력(구심성 섬유의 활동 전위 주파수)을 모니터링할 수 있게 되었습니다. 이 연구들은 자극받은 CB 세포에서 신경전달물질, 특히 아세틸콜린과 도파민의 방출을 보여주었으며, 이는 세포외 Ca2+ 제거에 의해 억제되었습니다(5). 이러한 결과들은 CB 글로무스 세포의 신경분비 역할을 시사했으며, 전자현미경 관찰에서 이 세포 내 수많은 분비 소포의 존재를 확인한 결과와 일치했습니다(6, 7).

Figure 1 Interactions between cellular elements in the carotid body.

(a) Carotid bifurcation and location of the carotid body.

(b) Schematic representation of a carotid body glomerulus. Chemosensory and chemoproliferative synapses are indicated.

(c) Schematic representation of the tripartite synapse.

그림 1. 경동맥체 내 세포 요소 간의 상호작용.
(a) 경동맥 분기부와 경동맥체의 위치.
(b) 경동맥체 글로머루스의 도식적 표현. 화학감각성 및 화학증식성 시냅스가 표시되어 있습니다.
(c) 삼분절 시냅스의 도식적 표현.

Abbreviations: AR, adenosine receptor; DR, dopamine receptor; Panx-1, pannexin-1 channel; P2XR, purinergic 2X ionotropic receptor; P2YR, purinergic 2Y metabotropic receptor. Panel b adapted with permission from Reference 23. Copyright 2007, Elsevier.

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A new era in CB physiology, and in the general field of peripheral chemoreception, started in the mid-1980s thanks to the development of enzymatically dispersed glomus cells and the application of modern techniques (patch clamp, microfluorimetry, and amperometry) to study single-cell physiology. It was shown that, in response to hypoxia, dispersed CB cells secrete catecholamines into the culture medium in an external Ca2+-dependent manner (8). Although these very small glomus cells (diameters of ∼10 μm) were initially considered to be nonexcitable, patch clamp experiments showed that they possess voltage-dependent Na+, Ca2+, and K+ currents typically found in neurons and other excitable cells and therefore were able to generate large, repetitive action potentials (9–11). López-Barneo et al. (10) showed that the K+ conductance in rabbit glomus cells is reversibly inhibited by hypoxia, thus explaining the O2-sensing properties of these cells and giving rise to the membrane model of CB chemotransduction. O2-regulated K+ channels/currents were found in glomus cells from several species and in various O2-sensitive tissues, thus forming the homeostatic acute O2-sensing system (12, 13). An O2 tension-dependent modulation of other relevant ion channel types, such as L-type Ca2+ channels in cardiac or vascular smooth muscle, was also seen (14–16). Microfluorimetric measurements performed on single, Fura 2–loaded glomus cells (17, 18), in conjunction with monitoring of catecholamine vesicle exocytosis by amperometry in dispersed cells and CB slices (18, 19), showed at the single-cell level the presynaptic-like nature of glomus cells. The neurosecretory function of glomus cells was also demonstrated in the in vitro glomus cell–petrosal neuron synapse (20). In parallel with the cellular studies, detailed pharmacological and functional systemic analyses defined the role of the CB in cardiorespiratory and metabolic regulation in humans and other mammals (21, 22).

The field of peripheral chemoreception has grown to such an extent that it is not possible to cover all of its features in a single, comprehensive publication. Noting that several excellent complementary reviews have appeared in recent years, we focus here on current advances in the cellular organization of the CB as well as the molecular mechanisms of acute O2 sensing. We also discuss the discovery of emerging functions of glomus cells as multimodal and integrated metabolic sensors and the contribution of stem cells to CB plasticity. Finally, we consider the impact of this basic knowledge on our understanding of the mechanisms of disease.

CB 생리학 및 말초 화학수용 분야의 새로운 시대는

1980년대 중반에 효소적으로 분산된

글로무스 세포의 개발과 단일 세포 생리학을 연구하기 위해

현대 기술(패치 클램프, 미세 형광 측정법, 암페로메트리)의 적용을 통해 시작되었습니다.

저산소 환경에 노출된 분산된 CB 세포가

외부 Ca2+ 의존적 방식으로 배양 매체에 카테콜아민을 분비한다는 것이 밝혀졌습니다(8).

이 매우 작은 글로무스 세포(지름 약 10 μm)는 초기에는 비흥분성 세포로 간주되었지만,

패치 클램프 실험을 통해 신경세포 및 기타 흥분성 세포에서 일반적으로 발견되는

전압 의존성 Na+, Ca2+, K+ 전류를 보유하고 있으며,

따라서 큰 반복적인 활동 전위를 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다(9–11).

López-Barneo 등(10)은 토끼 글로무스 세포의 K+ 전도도가 저산소 상태에서 가역적으로 억제됨을 보여주었으며, 이는 이러한 세포의 산소 감지 특성을 설명하고 CB 화학전달의 막 모델을 제시했습니다. 산소 조절 K+ 채널/전류는 여러 종의 글로무스 세포와 다양한 산소 민감 조직에서 발견되어 급성 산소 감지 시스템의 항상성 메커니즘을 형성했습니다(12, 13). 심장 또는 혈관 평활근의 L형 Ca2+ 채널과 같은 관련 이온 채널 유형의 산소 농도 의존적 조절도 관찰되었습니다(14–16). 단일 Fura 2로 로딩된 글로무스 세포(17, 18)에 대한 미세 형광 측정과 분산된 세포 및 CB 슬라이스에서 암페로메트리로 모니터링된 카테콜아민 소포 분비(18, 19)를 결합한 연구는 단일 세포 수준에서 글로무스 세포의 전신경말단 유사 특성을 보여주었습니다. 글로무스 세포의 신경분비 기능은 체외 글로무스 세포-페트로살 신경 시냅스에서도 입증되었습니다(20). 세포 연구와 병행하여, 상세한 약리학적 및 기능적 체계적 분석을 통해 CB가 인간 및 기타 포유류의 심폐 및 대사 조절에서扮演하는 역할이 정의되었습니다(21, 22).

주변 화학 수용체 분야의 연구는 매우 발전하여 단일 종합적 논문으로 모든 특징을 다루기 어려울 정도입니다. 최근 몇 년간 우수한 보완적 리뷰가 여러 편 발표되었음을 고려해, 본 논문에서는 CB의 세포 조직화 및 급성 산소 감지 분자 메커니즘 분야의 최신 진전에 초점을 맞춥니다. 또한 글로무스 세포의 다모달 및 통합 대사 센서로서의 신흥 기능 발견과 줄기 세포가 CB 가소성에 미치는 기여에 대해 논의합니다. 마지막으로, 이 기본 지식이 질병 메커니즘 이해에 미치는 영향을 고려합니다.

ORGANIZATION AND FUNCTION OF THE CAROTID BODY

The CB derives from neural crest progenitors of the sympathoadrenal lineage, which during embryogenesis migrate from the superior cervical ganglion to the carotid bifurcation (see 23). Besides the various cell types forming the parenchyma, the CB contains abundant vascular, connective, and fat tissues. The size of the CB in adult humans is highly variable, and in a recent study the estimated average volume was ∼20 mm3 without significant differences according to sex or age (24).

경동맥체의 조직과 기능

경동맥체(CB)는 교감신경-부신 축의 신경절 원시세포에서 유래하며, 배아 발생 과정에서 상부 경추 신경절에서 경동맥 분기부로 이동합니다(참고 23). 경동맥체의 실질 조직을 구성하는 다양한 세포 유형 외에도, CB에는 풍부한 혈관 조직, 결합 조직, 지방 조직이 포함되어 있습니다. 성인 인간의 CB 크기는 매우 변이가 크며, 최근 연구에서 추정된 평균 부피는 성별이나 연령에 따라 유의미한 차이를 보이지 않았으며 약 20 mm³입니다(24).

Structure of Carotid Body Glomeruli

The CB is anatomically organized in clusters of cells called glomeruli, which are also independent functional sensory units ( Figure 1a,b ). Each glomerulus is composed of approximately 4–8 chemosensitive, neuron-like glomus cells (also called type I or chief cells) of ovoid shape that are in close contact with a profuse network of fenestrated capillaries and richly innervated by afferent sensory fibers from the petrosal ganglion joining the carotid sinus nerve. Autonomic neuronal bodies and efferent fibers terminating on glomus cells and blood vessels are also frequently observed inside CB glomeruli. Glomus cells contain abundant clear and dense-core synaptic vesicles with dopamine and several other neurotransmitters, which allow these cells to be identified with antibodies against tyrosine hydroxylase (TH). Moreover, glomus cells are enveloped by interdigitating processes of less numerous glia-like, type II or sustentacular cells, which can be immunostained with glial fibrillary acidic protein (GFAP) antibodies. Type II cells, or a subpopulation of them, have been identified as multipotent stem cells that support CB growth under conditions of chronic hypoxia (23). Cells that stain positive to nestin (a marker of neural progenitor cells) can be seen in CB glomeruli from humans (24) and other species (25). Although the existence of glomus cell subclasses was suggested long ago (7, 26), recent studies have identified predifferentiated neuroblasts that express catecholaminergic markers (TH+). Unlike mature glomus cells, which are postmitotic, predifferentiated CB neuroblasts, which are smaller in size and located at the periphery of the glomerulus, can undergo mitotic divisions before final maturation (27). The CB glomerulus has an intricate, organoid-like structural organization that provides the basis for elaborate functional auto- and paracrine interactions among its various cell classes.

경동맥체 글로머루스의 구조

CB는 글로머루스라고 불리는 세포 군집으로 해부학적으로 조직되어 있으며, 이는 독립적인 기능적 감각 단위이기도 합니다( Figure 1a,b ). 각 사구체는 약 4~8개의 화학에 민감한 신경 세포와 유사한 난형 모양의 글로무스 세포(유형 I 또는 주 세포라고도 함)로 구성되어 있으며, 이 세포들은 구멍이 많은 모세혈관 네트워크와 밀접하게 접촉하고 있으며, 경동맥 신경과 연결된 암골 신경절에서 나오는 구심성 감각 섬유에 의해 풍부하게 신경 분포되어 있습니다. 글로무스 세포와 혈관에 종결되는 자율 신경 세포체와 원심성 섬유도 CB 사구체 내부에서 자주 관찰됩니다. 글로무스 세포는 도파민 및 여러 다른 신경 전달 물질을 포함하는 풍부하고 투명하며 조밀 한 시냅스 소포를 포함하고 있으며, 이로 인해 티로신 하이드록실라제 (TH)에 대한 항체로 이러한 세포를 식별할 수 있습니다. 또한 글로무스 세포는 덜 수 많은 글리아 유사 세포(형 II 또는 지지 세포)의 상호 얽힌 과정에 둘러싸여 있으며, 이는 글리아 섬유산성 단백질(GFAP) 항체로 면역 염색될 수 있습니다. 형 II 세포 또는 그 하위 집단은 만성 저산소 조건 하에서 CB의 성장을 지원하는 다능성 줄기 세포로 확인되었습니다(23). 네스틴(신경 전구 세포의 표지자)에 양성으로 염색되는 세포는 인간(24) 및 다른 종(25)의 CB 글로머루스에서 관찰됩니다. 글로무스 세포의 하위 분류 존재는 오래 전에 제안되었지만(7, 26), 최근 연구에서 카테콜아민 표지자(TH+)를 발현하는 전분화 신경 전구 세포가 식별되었습니다. 성숙한 글로무스 세포와 달리, 최종 성숙 전에 분열을 겪을 수 있는 CB 신경모세포는 크기가 작고 글로머루스 주변부에 위치합니다(27). CB 글로머루스는 복잡한 장기 유사 구조를 갖추고 있으며, 이는 다양한 세포 유형 간의 정교한 기능적 자가 및 파라크린 상호작용의 기반을 제공합니다.

Interactions Between Cellular Elements in the Carotid Body Glomerulus

Glomus cells, the sensory elements in the CB, establish reciprocal synapses with their neighbors and chemosensory synapses with afferent sensory fibers. These cells behave as presynaptic-like neurosecretory elements, containing a broad variety of neurotransmitters and neuromodulators (ATP, adenosine, dopamine, acetylcholine, serotonin, GABA, histamine, opioids, substance P, vasoactive intestinal peptide, endothelin-1, and angiotensin II, among others) stored primarily in secretory vesicles that are released by exocytosis (18, 19, 28). It is well established that ATP is the main excitatory neurotransmitter acting on postsynaptic ionotropic (P2X2/3) purinergic receptors in petrosal sensory nerve endings (29–31), although other transmitters and neuromodulators acting pre- or postsynaptically or in both terminals contribute to fine-tuning chemosensory afferent signals (32–36) ( Figure 1c ). For example, dopamine, one of the most abundant transmitters in glomus cells and known to inhibit ventilation in humans, exerts a negative feedback action by reducing Ca2+ current amplitude in glomus cells (37, 38). Dopamine also inhibits a depolarizing cationic current and excitation in the afferent petrosal fibers (34). Similar to dopamine, opioids have a strong inhibitory action on glomus cells (39). In contrast, adenosine, a breakdown product of ATP, is predominantly stimulatory at both pre- and postsynaptic levels (33, 34, 40). Some transmitters, such as ATP, have opposing pre- and postsynaptic effects; in parallel with its excitatory postsynaptic action, ATP binds to metabotropic P2Y receptors in glomus cells to antagonize hypoxia-induced cell depolarization (41, 42). In addition to chemically mediated auto- or paracrine effects, glomus cells appear to be electrically interconnected by gap junctions, although the physiological significance of these is not well understood.

A recent major breakthrough in CB physiology was the realization that type II cells are not simply supportive elements but play a crucial role in chemotransduction and CB plasticity. Electron microscope analyses have shown that secretory granules in glomus cells are not clustered in front of postsynaptic nerve terminals but are uniformly distributed over the entire glomus cell surface. Indeed, the vast majority of vesicles in glomus cells lay facing type II cell membranes, separated by just a small extracellular cleft (43). This morphological arrangement indicates that glomus and type II cells form chemical synapses that are distinct from the glomus cell–nerve ending chemosensory synapse. Type II cells are nonexcitable (i.e., they lack voltage-gated Na+ and Ca2+ channels) and exhibit only a small high-threshold outward K+ current (9, 11). However, they are activated by ATP released from glomus cells through P2Y metabotropic receptors, which in turn induces Ca2+ release from internal stores (44–46). Acetylcholine, serotonin, angiotensin II, and endothelin-1 acting on metabotropic receptors also increase cytosolic Ca2+ in type II cells (42, 47). Interestingly, the activation of type II cells by ATP triggers ATP release through pannexin-1 channels, a type of gap junction hemichannel highly expressed in these cells (45, 47). Therefore, it seems that the glomus cell–nerve ending synapse is indeed a tripartite synapse ( Figure 1c ), in which ATP-induced ATP release from type II cells could contribute to potentiation of the chemosensory response (35, 42). In parallel with this acute action, chemical agents released from glomus cells (e.g., endothelin-1, ATP, or acetylcholine) may also play central roles in the protracted activation of CB neuroblasts or quiescent multipotent CB stem cells (with a type II cell phenotype) and induce their proliferation and differentiation into mature glomus, smooth muscle, and endothelial cells (25, 27, 43).

Classical light and electron microscopy studies indicated that the CB contains efferent sympathetic and parasympathetic innervation by fibers originating in the superior cervical ganglion, small neuronal clusters in the petrosal ganglion, and by microganglia positioned along the glossopharyngeal and carotid sinus nerve. Parasympathetic neurons can also be found inside the CB (6, 48). In general, the participation of efferent fibers in CB function is poorly known, with the exception of an inhibitory pathway mediated by nitric oxide (NO)–producing neurons (48, 49). NO is released by CB efferent fibers during exposure to hypoxia (50), and this is potentiated by ATP released from glomus cells. In this way, freely diffusible NO exerts a counterregulatory glomus cell inhibition by reducing Ca2+ current amplitude and enhancing the maxi-K+ channel opening (48, 51). In addition to the synaptic and auto- or paracrine interactions within the CB glomerulus, CB chemoreceptor cells are responsive to numerous circulating agents such as leptin, insulin, angiotensin II, or proinflammatory cytokines (see next section).

경동맥체 글로머루스 내 세포 요소 간의 상호작용

CB의 감각 요소인 글로무스 세포는 주변 세포와 상호 시냅스를 형성하고 구심성 감각 섬유와 화학 감각 시냅스를 형성합니다. 이 세포들은 다양한 신경 전달 물질과 신경 조절 물질(ATP, 아데노신, 도파민, 아세틸콜린, 세로토닌, GABA, 히스타민, 오피오이드, 물질 P, 혈관활성 장 펩티드, 엔도테린-1, 안지오텐신 II 등)를 주로 분비 소체에 저장하며, 이 물질들은 엑소사이토시스(exocytosis)를 통해 방출됩니다(18, 19, 28). ATP가 페트로살 감각 신경 말단에서 포스트시냅스 이온 트로픽 (P2X2/3) 퓨리네르직 수용체에 작용하는 주요 흥분성 신경 전달 물질이라는 것은 잘 알려져 있습니다 (29–31). 그러나, 시냅스 전 또는 시냅스 후 또는 두 말단에서 작용하는 다른 전달 물질 및 신경 조절 물질도 화학 감각 구심성 신호의 미세 조정에 기여합니다 (32–36) ( 그림 1c). 예를 들어, 글로무스 세포에서 가장 풍부한 전달 물질 중 하나이며 인간의 호흡을 억제하는 것으로 알려진 도파민은 글로무스 세포에서 Ca2+ 전류 진폭을 감소시켜 부정적인 피드백 작용을 합니다 (37, 38). 도파민은 또한 구심성 페트로살 섬유에서 탈분극 양이온 전류와 흥분을 억제합니다 (34). 도파민과 유사하게, 오피오이드는 글로무스 세포에 대한 강력한 억제 작용을 합니다 (39). 반면, ATP의 분해산물인 아데노신은 전후신경 수준에서 주로 자극적입니다(33, 34, 40). 일부 신경전달물질은 전후신경 수준에서 반대 효과를 나타냅니다. ATP는 흥분성 후신경 작용과 병행하여 글로무스 세포의 대사성 P2Y 수용체에 결합하여 저산소증으로 인한 세포 탈분극을 억제합니다(41, 42). 화학적으로 매개된 자가 또는 파라크린 효과 외에도, 글로무스 세포는 간극 연결을 통해 전기적으로 상호 연결되어 있는 것으로 보이지만, 이러한 연결의 생리학적 의미는 아직 잘 이해되지 않고 있습니다.

CB 생리학의 최근 주요 돌파구는 유형 II 세포가 단순히 지원 요소일 뿐 아니라 화학전달과 CB 가소성에 중요한 역할을 한다는 인식입니다. 전자 현미경 분석 결과, 글로무스 세포의 분비 소체는 포스트시냅스 신경 말단 앞쪽에 집적되어 있지 않고 글로무스 세포 표면 전체에 균일하게 분포되어 있습니다. 실제로 글로무스 세포 내 대부분의 소포는 유형 II 세포막을 향해 배치되어 있으며, 이 사이에는 작은 세포외 틈새(43)만 존재합니다. 이 형태학적 배열은 글로무스 세포와 유형 II 세포가 글로무스 세포-신경 말단 화학감각 시냅스와 구분되는 화학 시냅스를 형성함을 나타냅니다. Type II 세포는 비흥분성(즉, 전압 의존성 Na+ 및 Ca2+ 채널이 결여됨)이며, 작은 고역치 외부 K+ 전류만을 나타냅니다(9, 11). 그러나 이들은 글로무스 세포에서 P2Y 대사성 수용체를 통해 방출되는 ATP에 의해 활성화되며, 이는 내부 저장고에서 Ca2+ 방출을 유도합니다(44–46). 아세틸콜린, 세로토닌, 안지오텐신 II, 엔도테린-1이 대사성 수용체에 작용하여 유형 II 세포의 세포질 Ca²⁺ 농도를 증가시킵니다(42, 47). 흥미롭게도 ATP에 의한 유형 II 세포의 활성화는 이 세포에서 고도로 발현되는 간극 연결 반채널인 pannexin-1 채널을 통해 ATP 방출을 유발합니다(45, 47). 따라서 글로무스 세포–신경 말단 시냅스는 실제로 삼원 시냅스( Figure 1c )로 보이며, 유형 II 세포에서 ATP에 의해 유발된 ATP 방출이 화학 감각 반응의 강화에 기여할 수 있습니다(35, 42). 이 급성 작용과 병행하여 글로무스 세포에서 방출되는 화학 물질(예: 엔도테린-1, ATP, 아세틸콜린)은 CB 신경모세포 또는 휴면 상태의 다능성 CB 줄기 세포(II형 세포 표현형을 가진)의 장기적 활성화에 중심적인 역할을 할 수 있으며, 이들의 증식과 성숙한 글로무스 세포, 평활근 세포, 내피 세포로의 분화를 유도할 수 있습니다(25, 27, 43).

고전적인 광학 및 전자 현미경 연구에 따르면 CB에는 상부 경추 신경절, 암석 신경절의 작은 신경 세포 군집, 설인 신경 및 경동맥 신경에 위치한 미세 신경절에서 시작되는 섬유에 의한 원심성 교감 및 부교감 신경이 포함되어 있습니다. 부교감 신경 세포도 CB 내부에서 발견될 수 있습니다 (6, 48). 일반적으로, CB 기능에 원심성 섬유가 관여하는 것은 잘 알려져 있지 않지만, 산화질소 (NO)를 생성하는 신경 세포에 의해 매개되는 억제 경로는 예외입니다 (48, 49). NO는 저산소증에 노출될 때 CB 원심성 섬유에 의해 방출되며 (50), 이는 글로무스 세포에서 방출되는 ATP에 의해 강화됩니다. 이처럼 자유롭게 확산되는 NO는 Ca2+ 전류 진폭을 감소시키고 maxi-K+ 채널 개방을 촉진함으로써 글로무스 세포의 억제를 조절합니다(48, 51). CB 글로머루스 내의 시냅스 및 자가 또는 파라크린 상호작용 외에도, CB 화학수용체 세포는 레프틴, 인슐린, 안지오텐신 II, 또는 염증성 사이토킨과 같은 다양한 순환 물질에 반응합니다(다음 절 참조).

Chemosensory Functions of the Carotid Body: Glomus Cells as Multimodal Sensors

Sensory transduction in the CB is an intrinsic, cell-autonomous process performed by glomus cells, with the organ output modulated by interactions between cellular elements in the glomerulus. The CB has been traditionally associated with the peripheral control of respiration due to its ability to detect changes in blood gas concentrations and pH. However, this view has changed in the last decades, as the CB is now considered a multimodal sensory organ that, in addition to hypoxia, hypercapnia, or acidosis, is also activated by changes in plasma levels of metabolites (e.g., glucose and lactate) and hormones (e.g., insulin and leptin) as well as by modifications in blood temperature, osmolality, or flow ( Figure 2 ).

경동맥체의 화학감각 기능: 글로무스 세포로서의 다모달 센서

경동맥체에서의 감각 전달은 글로무스 세포에 의해 수행되는 내재적, 세포 자율적 과정이며, 기관의 출력은 글로머루스 내 세포 요소 간의 상호작용에 의해 조절됩니다. 경동맥체는 혈액 가스 농도 및 pH 변화 감지 능력으로 인해 호흡의 말초 조절과 전통적으로 연관되어 왔습니다. 그러나 최근 수십 년간 이 관점은 변화했으며, CB는 저산소증, 고이산화탄소혈증, 또는 산혈증 외에도 혈장 내 대사산물(예: 글루코스 및 젖산) 및 호르몬(예: 인슐린 및 레프틴)의 농도 변화, 혈액 온도, 삼투압, 또는 유속의 변화에 의해 활성화되는 다중 모드 감각 기관으로 인식되고 있습니다( 그림 2 ).

Figure 2 Multimodal sensory function of neurosecretory glomus cells. (a) Activation of glomus cells by several independent stimuli with elevation of intracellular Ca2+ as the common final pathway. (b, top) Neurosecretory (catecholamine release) response of a glomus cell to low pH (switching from pH 7.4 to 6.5) and hypoxia monitored by amperometry using a carbon-fiber electrode placed near a glomerulus in a carotid body slice. Note the potentiation by low pH of the response to hypoxia. (b, bottom) Neurosecretory response of glomus cells to hypoglycemia, hypercapnia, and lactate. Panel b adapted with permission from Reference 65. Copyright 2010, Rockefeller Univ. Press.

그림 2 신경분비 글로무스 세포의 다중 감각 기능. (a) 여러 독립적인 자극에 의한 글로무스 세포의 활성화 및 세포 내 Ca2+ 농도 상승을 공통 최종 경로로 하는 반응. (b, 상단) 경동맥 체절편 내 글로머루스 근처에 탄소 섬유 전극을 배치하여 암페로메트리로 측정된 글로무스 세포의 신경분비(카테콜아민 분비) 반응. 저 pH(pH 7.4에서 6.5로 전환) 및 저산소증에 대한 반응. 저 pH에 의한 저산소증 반응의 증강을 주목하십시오. (b, 하단) 글로무스 세포의 저혈당, 고이산화탄소, 젖산에 대한 신경분비 반응. 패널 b는 참고문헌 65의 허가를 받아 수정되었습니다. 저작권 2010, Rockefeller Univ. Press.

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Among the organs of the homeostatic acute O2 sensing system (13), the CB is considered the main and prototypical O2 sensor, as it is required for immediate survival in conditions causing hypoxemia. Bilateral CB resection in humans and most mammals results in practical abolition of the hypoxic ventilatory response (HVR) (21, 52, 53). In addition, mice lacking CB due to developmental atrophy do not hyperventilate and cannot survive more than a few days in hypoxic environments (54, 55). The contribution of central respiratory neurons and glia to the HVR is a matter of debate (56). It is widely accepted that acute O2 sensing in the CB depends on the presence in glomus cells of O2-regulated K+ channels whose open probability decreases during hypoxia, thus leading to Ca2+ influx and exocytotic transmitter release (57). Glomus cells express several subtypes of O2-regulated K+ channels and low- and high-threshold Ca2+ channels. The expression‎ of Na+ channels in glomus cells varies among different species and even among cells in a single animal (12). In the membrane model of hypoxic chemotransduction, glomus cell depolarization and Ca2+ channel opening form a common final pathway shared by other stimuli (see below) ( Figure 2a ). The sensitivity of single glomus cells to hypoxia, as evidenced by changes in cytosolic Ca2+ or exocytotic transmitter release as a function of environmental PO2, follows a hyperbolic function similar to the curve relating ventilation and arterial O2 tension in whole animals (57).

가정적 급성 산소 감지 시스템(13)의 기관 중 CB는 저산소혈증 유발 조건에서 즉각적인 생존에 필수적이기 때문에 주요하고 원형적인 산소 감지기로 간주됩니다. 인간과 대부분의 포유류에서 양측 CB 절제술은 저산소성 호흡 반응(HVR)을 실질적으로 소멸시킵니다(21, 52, 53). 또한 발달성 위축으로 인해 CB가 결여된 쥐는 과호흡을 하지 않으며 저산소 환경에서 며칠 이상 생존할 수 없습니다(54, 55). 중추 호흡 신경세포와 글리아가 HVR에 기여하는 정도는 논쟁의 대상입니다(56). CB에서의 급성 산소 감지는 글로무스 세포에 존재하는 산소 조절 K+ 채널에 의존하며, 이 채널의 개방 확률은 저산소 상태에서 감소하여 Ca2+ 유입과 엑소토시틱 신경전달물질 방출을 유발한다는 것이 널리 인정됩니다(57). 글로무스 세포는 여러 유형의 산소 조절 K+ 채널과 저역치 및 고역치 Ca2+ 채널을 발현합니다. 글로무스 세포에서의 Na+ 채널 발현은 종 간 및 동일한 동물 내 세포 간에도 차이가 있습니다(12). 저산소 화학전달의 막 모델에서 글로무스 세포의 탈분극과 Ca2+ 채널 개방은 다른 자극과 공유되는 공통 최종 경로를 형성합니다(아래 참조)( Figure 2a ). 단일 글로무스 세포의 저산소증에 대한 감수성은 환경 PO₂에 따라 세포질 Ca²⁺ 변화나 엑소시토시스 전달물질 방출로 나타납니다. 이 감수성은 전체 동물에서 환기량과 동맥 O₂ 긴장도 사이의 관계와 유사한 쌍곡선 기능을 따릅니다(57).

Hypercapnia and, secondarily, acidemia occur in lung diseases that compromise gas exchange, although these parameters can appear dissociated in cases of metabolic acidosis. Both stimuli depolarize the glomus cell membrane and activate transmitter release in an extracellular Ca2+-dependent manner (58, 59) ( Figure 2b ). Glomus cell activation by high CO2 tension is due mainly to intracellular acidification, a process catalyzed by carbonic anhydrase. Several isoforms of this enzyme are localized in glomus cells (60). It was shown that pharmacological carbonic anhydrase inhibition reduces hypercapnic cellular responses (59, 61) and systemic ventilatory activation (62). Decreases in intracellular pH inhibit the activity of several classes of voltage-dependent and background K+ channels, which can contribute to cell depolarization to variable degrees (59). It was reported that CO2 might also increase L-type Ca2+ currents in glomus cells independently from changes in internal pH, although the underlying mechanisms are unknown (63). Although reductions in extracellular pH lead to similar changes in glomus cell intracellular pH, the transduction of extracellular acidosis also involves direct inhibition of background TASK-like (64, 65), maxi-K+ (66), and voltage-gated (67) K+ channels as well as activation of acid-activated cationic channels (68). An inwardly rectifying chloride current is also activated by extracellular acidification in glomus cells (69). Taken together, these data indicate that CO2/pH sensing by CB glomus cells results from the redundant modulation of several ion channel subtypes. This may explain why the abolition of genes encoding specific channel types may have little functional cellular or organismal effect. For example, mice lacking TASK1 and TASK3 channels, which have been postulated to play a major role in CO2 and acid sensing, have a normal ventilatory response and glomus cell responsiveness to hypercapnia (65). Normal ventilatory responses to CO2 have also been reported recently in mice lacking acid-activated cationic channels (70).

고이산화탄소혈증과, 이차적으로 산혈증은 가스 교환이 손상된 폐 질환에서 발생하지만, 대사성 산혈증 사례에서는 이러한 파라미터가 분리되어 나타날 수 있습니다. 두 자극은 글로무스 세포 막을 탈분극시키고 세포외 Ca2+에 의존적으로 전달물질 방출을 활성화합니다(58, 59) ( Figure 2b ). 고농도 CO₂에 의한 글로무스 세포 활성화는 주로 탄산안하이드라제 의해 촉매되는 세포 내 산성화에 기인합니다. 이 효소의 여러 이소형은 글로무스 세포에 국한되어 있습니다(60). 약리학적 탄산안하이드라제 억제가 고이산혈증 세포 반응(59, 61) 및 전신 환기 활성화(62)를 감소시킨다는 것이 입증되었습니다. 세포 내 pH 감소는 여러 종류의 전압 의존성 및 배경 K+ 채널의 활성을 억제하며, 이는 세포 탈분극에 다양한 정도로 기여할 수 있습니다(59). CO₂가 세포 내 pH 변화와 독립적으로 글로무스 세포의 L형 Ca²⁺ 유동을 증가시킬 수 있다는 보고가 있지만, 그 기전은 아직 알려지지 않았습니다(63). 세포외 pH 감소는 글로무스 세포의 세포 내 pH에 유사한 변화를 유발하지만, 세포외 산성화의 전달은 배경 TASK-like (64, 65), maxi-K+ (66), 및 전압 의존성 (67) K+ 채널의 직접적 억제와 산 활성화 양이온 채널 (68)의 활성화도 포함합니다. 글로무스 세포에서 세포외 산성화에 의해 내향 정류 염소 이온 전류도 활성화됩니다 (69). 이 데이터를 종합하면, CB 글로무스 세포에 의한 CO2/pH 감지는 여러 이온 채널 아형의 중복적인 조절에 기인한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 특정 채널 유형을 암호화하는 유전자의 제거가 세포 또는 유기체 기능에 거의 영향을 미치지 않는 이유를 설명할 수 있습니다. 예를 들어, CO₂ 및 산 감지에 주요 역할을 한다고 추정된 TASK1 및 TASK3 채널을 결여한 마우스는 과탄산혈증에 대한 정상적인 호흡 반응과 글로무스 세포 반응성을 나타냅니다(65). 산 활성화 양이온 채널을 결여한 마우스에서도 최근 CO₂에 대한 정상적인 호흡 반응이 보고되었습니다(70).

Although the role of the CB as a glucose sensor has been the subject of much debate over the last two decades (53, 71), there is mounting evidence that adult CB glomus cells (dispersed or in CB slices) from several species, including humans, can be activated by lowering glucose concentration in the physiological range to release neurotransmitters in an external Ca2+-dependent manner (24, 72–74) ( Figure 2b ). Low glucose induces K+ channel inhibition and activation of an Na+-dependent inward current, which results in depolarization and the opening of voltage-gated Ca2+ channels in glomus cells (72, 75). Activation by low glucose has been confirmed by experiments on the glomus cell–petrosal neuron synapse, in which it has also been demonstrated that, as seen with hypoxia, ATP and acetylcholine are the main postsynaptic excitatory neurotransmitters released by glomus cells (73). Hypoxia and hypoglycemia are stimuli that potentiate each other and therefore have a synergistic effect on glomus cell cytosolic Ca2+ and neurotransmitter release (72). Although they have a common final pathway, these two stimuli operate via different signaling mechanisms. Acute O2 sensing depends on mitochondrial activity, such that abolition of mitochondrial complex I (MCI) activity with either rotenone (75, 76) or genetic mutations (77) abolishes responsiveness to hypoxia (see the section titled An Integrated Mitochondria-to-Membrane Signaling Model of Acute Oxygen Sensing). Under these conditions, however, sensitivity to low glucose is maintained or even augmented (75, 77). In parallel with in vitro observations, animal studies have also demonstrated an association between the CB and glucose homeostasis. CB activity is inhibited by the intravascular administration of glucose, while CB denervation impairs the counterregulatory response to hypoglycemia (78). Participation of the CB in the control of glycemia has also been recently suggested by experiments in humans (22, 79). Hyperoxia (which blunts CB activity) inhibits the hypoglycemia-induced increase in counterregulatory hormones (80), and this effect is lost in CB-resected individuals (81). CB inhibition or resection also attenuates the neuroendocrine response to exercise in dogs (82) and humans (22). It was long ago suspected that lactate, the plasma levels of which increase during exposure to hypoxia, activates the CB given that blood lactate, independently from acidosis, can elicit hyperventilation (83). Lactate, which was classically considered to be a metabolic waste product, is now believed to play major roles in intercellular and interorgan fuel distribution. Recently, the direct activation of single CB glomus cells by extracellular lactate was demonstrated (84) ( Figure 2b ). In this way, the paracrine activation of glomus cells by lactate released from neighboring glomus or type II cells might potentiate the response to hypoxia (36).

CB가 포도당 센서로서의 역할은 지난 20년간 많은 논쟁의 대상이 되어왔습니다(53, 71), 그러나 인간을 포함한 여러 종의 성인 CB 글로무스 세포(분산된 상태나 CB 슬라이스 내)가 생리적 범위 내에서 포도당 농도를 낮추면 외부 Ca2+ 의존적 방식으로 신경전달물질을 방출한다는 증거가 점점 늘고 있습니다(24, 72–74) ( Figure 2b ). 저혈당은 K+ 채널 억제와 Na+-의존성 내향 전류 활성화를 유발하며, 이는 글로무스 세포에서 탈분극과 전압 의존성 Ca2+ 채널 개방을 초래합니다(72, 75). 저혈당에 의한 활성화는 글로무스 세포-페트로살 신경 시냅스 실험을 통해 확인되었으며, 여기서도 저산소증과 마찬가지로 ATP와 아세틸콜린이 글로무스 세포에서 방출되는 주요 포스트시냅스 흥분성 신경전달물질임이 입증되었습니다(73). 저산소증과 저혈당은 서로를 강화하는 자극으로, 따라서 글로무스 세포의 세포질 Ca²⁺ 및 신경전달물질 방출에 시너지 효과를 발휘합니다(72). 이 두 자극은 공통된 최종 경로를 공유하지만, 서로 다른 신호 전달 메커니즘을 통해 작용합니다. 급성 산소 감지는 미토콘드리아 활동에 의존하며, 미토콘드리아 복합체 I(MCI) 활동을 로테논(75, 76) 또는 유전적 변이(77)로 억제하면 저산소증에 대한 반응성이 소실됩니다(급성 산소 감지의 통합 미토콘드리아-막 신호 전달 모델 섹션 참조). 그러나 이러한 조건 하에서도 저혈당에 대한 감수성은 유지되거나 심지어 증가합니다(75, 77). 체외 관찰과 병행하여 동물 연구에서도 CB와 혈당 균형 사이의 연관성이 입증되었습니다. CB 활동은 혈관 내 포도당 투여에 의해 억제되며, CB 신경 절제는 저혈당에 대한 반조절 반응을 손상시킵니다(78). CB가 혈당 조절에 참여한다는 것은 최근 인간 실험을 통해 제안되었습니다(22, 79). 고산소 상태(CB 활성을 억제함)는 저혈당에 의한 반조절 호르몬 증가를 억제하며(80), 이 효과는 CB 절제 환자에게서 사라집니다(81). CB 억제 또는 절제는 개(82)와 인간(22)에서 운동에 대한 신경내분비 반응을 약화시킵니다. 저산소 노출 시 혈장 농도가 증가하는 젖산이 CB를 활성화한다는 것은 오래 전부터 의심되어 왔습니다. 혈중 젖산은 산혈증과 무관하게 과호흡을 유발할 수 있기 때문입니다(83). 전통적으로 대사 폐기물로 여겨졌던 젖산은 이제 세포 간 및 장기 간 연료 분배에 주요 역할을 한다는 것이 밝혀졌습니다. 최근에 세포외 젖산이 단일 CB 글로무스 세포를 직접 활성화한다는 것이 입증되었습니다(84) ( Figure 2b ). 이 방식으로, 인접한 글로무스 세포나 유형 II 세포에서 방출된 젖산에 의한 글로무스 세포의 파라크린 활성화가 저산소증에 대한 반응을 강화할 수 있습니다(36).

Insulin is known to increase sympathetic tone through the activation of hypothalamic neurons. In addition to this central function, recent evidence in animal models (85) and humans (86) suggests that insulin may also directly activate the CB independently on the level of glycemia. Sympathetic outflow secondary to CB excitation causes insulin resistance, thereby contributing to metabolic syndrome and type II diabetes. In this regard, leptin, a hormone generated by adipose tissue, may also have a fundamental pathogenic role, as it seems to contribute to increased sympathetic activity in obese individuals. CB cells contain leptin receptors, and leptin administration induces phosphorylation of signal transducer and activator of transcription 3 and immediate early gene c-fos protein (87–89). Leptin also facilitates the HVR (90). Recent experiments have provided compelling data indicating that leptin induces direct CB activation and increases ventilation (91, 92).

It is known that the CB is modulated by blood osmolality, although the available data are incomplete (22). It was shown that dispersed chemoreceptor cells are selectively depolarized by hypo-osmotic solutions due to activation of chloride channels, which leads to extracellular Ca2+ influx (93). Carotid sinus nerve activity increases when the CB is exposed to high temperature, which suggests that the CB contributes to hyperthermia-induced hyperventilation. In agreement with this notion, the hyperventilatory response to hyperthermia in humans is reduced when breathing hyperoxic air (94) or after administration of dopamine (22), both of which are treatments that inhibit CB activity. Interestingly, the CB also appears to be sensitive to blood flow, as inhibition of glomus cell K+ currents by hypoxia and the CB-dependent chemoreflex are enhanced in animals with chronic heart failure. Nevertheless, the link between reduced CB flow and altered CB signaling remains to be identified (95).

인슐린은 시상하부 신경세포의 활성화로 교감신경 긴장을 증가시키는 것으로 알려져 있습니다. 이 중앙 기능 외에도 동물 모델(85)과 인간(86)에서의 최근 증거는 인슐린이 혈당 수준과 무관하게 CB를 직접 활성화할 수 있음을 시사합니다. CB 자극에 따른 교감신경 출력은 인슐린 저항성을 유발하여 대사 증후군과 제2형 당뇨병에 기여합니다. 이 점에서 지방 조직에서 생성되는 호르몬인 레프틴은 비만 개인에서 교감신경 활동 증가에 기여하는 것으로 보아 근본적인 병인적 역할을 할 수 있습니다. CB 세포는 레プチ틴 수용체를 포함하며, 레プチ틴 투여는 신호 전달 및 전사 활성화 인자 3(STAT3)과 즉시 조기 유전자 c-fos 단백질의 인산화를 유도합니다(87–89). 레プチ틴은 또한 HVR을 촉진합니다(90). 최근 실험은 레プチ틴이 CB를 직접 활성화하고 환기량을 증가시킨다는 강력한 데이터를 제공했습니다(91, 92).

CB가 혈액 삼투압에 의해 조절된다는 것은 알려져 있지만, 현재 데이터는 불완전합니다(22). 분산된 화학수용체 세포는 염화물 채널 활성화로 인해 저삼투압 용액에 의해 선택적으로 탈분극되며, 이는 세포외 Ca2+ 유입을 유발합니다(93). CB가 고온에 노출될 때 경동맥 신경 활동이 증가하며, 이는 CB가 고열 유발 과호흡에 기여함을 시사합니다. 이 개념과 일치하게, 인간에서 고체온에 대한 과호흡 반응은 고산소 공기 흡입(94) 또는 도파민 투여(22) 후 감소하며, 이는 모두 CB 활동을 억제하는 치료법입니다. 흥미롭게도 CB는 혈류에 민감한 것으로 보입니다. 만성 심부전 동물에서 저산소증에 의한 글로무스 세포 K+ 전류 억제와 CB 의존성 화학반사 반응이 강화되기 때문입니다. 그러나 CB 유동 감소와 CB 신호전달의 변화 사이의 연관성은 아직 명확히 규명되지 않았습니다(95).

ACUTE OXYGEN-SENSING MECHANISMS

Although it has been more than 30 years since the membrane model of glomus cell chemotransduction was enunciated, the mechanisms whereby O2 regulates ion channel activity in these and other hypoxia-responsive cells have remained elusive (57, 96, 97). Acute O2 sensing was originally thought to be a property of specialized K+ channels, which were directly or indirectly modulated by O2 through an O2 sensor closely associated with the channel subunits (98). However, this possibility is now deemed unlikely, as various subtypes of O2-regulated K+ channels, which include voltage-gated K+ channels, Ca2+-activated channels, and background K+ channels, have been described (12). In addition, the modulation of ion channel activity during hypoxia is a broadly observed phenomenon affecting a variety of ion channel classes in numerous tissues (12, 15, 16). In this regard, a critical observation is that ablation of genes coding TASK1 and TASK3 channel subunits, the main O2-sensitive background K+ channels in rodents, does not significantly alter glomus cell responsiveness to hypoxia. Moreover, responsiveness to hypoxia is maintained in TASK1-/TASK3-deficient cells in the presence of iberiotoxin (a selective blocker of maxi-K+ channels) or tetraethylammonium (a nxxonselective blocker of maxi-K+ and several voltage-gated K+ channels) (65). These data suggest that hypoxia triggers a promiscuous signaling pathway in glomus cells, which can redundantly modulate different types of ion channels to induce the cell depolarization and Ca2+ influx necessary for neurotransmitter release. Several O2-sensing mechanisms have been postulated over the past 20 years or so, including the modulation of NADPH oxidase, activation of AMP kinase, production of gasotransmitters (carbon monoxide and hydrogen sulfide), and activation of a lactate-sensitive atypical olfactory receptor (Olfr78) expressed in glomus cells (57). However, none of these putative mechanisms appear to be essential for acute O2 sensing, as mice with ablation of genes coding for the relevant enzymes or receptors exhibit normal CB responses to hypoxia (84, 99–103). As these hypotheses of CB acute O2 sensing have been discussed in recent reviews (57, 97), we focus here on the mitochondrial-to-membrane signaling model, which is, in our view, the proposal that currently provides the strongest experimental evidence describing CB acute O2 sensing.

An Integrated Mitochondria-to-Membrane Signaling Model of Acute Oxygen Sensing

Mitochondria have been classically thought to participate in CB O2 sensing, given that cyanide and other mitochondrial inhibitors are potent CB activators. Several decades ago, Mills & Jöbsis (104) postulated the existence of a low-affinity cytochrome oxidase in the CB, although they hypothetically placed the enzyme in type II cells rather than in glomus cells. This and subsequent work, suggesting that hypoxia depresses mitochondrial metabolism and decreases ATP levels, was the foundation for the metabolic hypothesis of CB O2 sensing. In support of these ideas, Duchen & Biscoe (105) showed that glomus cell mitochondrial membrane potential and NADH levels are highly sensitive to changes in O2 tension. However, these authors suggested that Ca2+ release from the mitochondria was the predominant signal to trigger transmitter release during hypoxia, a mechanism incompatible with the absolute requirement of membrane depolarization and extracellular Ca2+ influx for hypoxic glomus cell activation (17, 18) ( Figure 3a ). A first hint of the solution to the conflict between the membrane and metabolic hypotheses of acute O2 sensing came from experiments in PC12 cells (a catecholaminergic cell line with sensitivity to hypoxia) (106) and CB slices (76). These showed that, similar to hypoxia, the mitochondrial electron transport chain (ETC) inhibitors (comprising cyanide, antimycin A, mixothiazol, or rotenone) induce transmitter release in an external Ca2+-dependent manner. In parallel experiments on dispersed glomus cells it was shown that, similar to hypoxia, the ETC blockers inhibit background K+ channels and induce cell depolarization and extracellular Ca2+ influx (107). Ortega-Sáenz et al. (76) observed that rotenone was particularly efficient in occluding sensitivity to hypoxia compared to other ETC inhibitors, for which it was suggested that a rotenone-binding site could be critically involved in CB acute O2 sensing.

Figure 3 Mitochondria-to-membrane signaling model of acute O2 sensing by glomus cells. (a) Increase in cytosolic Ca2+ in glomus cells in response to hypoxia depends on extracellular Ca2+ influx. (b) Increase in mitochondrial signals, NAD(P)H autofluorescence, and ROS from the IMS during exposure of glomus cells to hypoxia. (c,d) Model of mitochondrial signaling to membrane ion channels during acute hypoxia. Hypoxia produces an increase in the reduced state of MCIV, which causes a backlog of electrons along the electron transport chain, thus leading to an increase in QH2. Increased level of QH2 results in slow down (or even reversion) of MCI with production of ROS and accumulation of NADH. These agents regulate membrane ion channels. In carotid body glomus cells, mitochondria may be near membrane ion channels forming O2 sensing microdomains. Abbreviations: ΔVm, membrane depolarization; IMS, mitochondrial intermembrane space; MCI–IV, mitochondrial complexes I–IV; Q, ubiquinone; QH2, reduced ubiquinone; ROS, reactive oxygen species. Panel a adapted with permission from Reference 3. Copyright 2016, Elsevier. Panels b and c adapted with permission from Reference 77. Copyright 2015, Elsevier.

급성 산소 감지 메커니즘

막 모델을 기반으로 한 글로무스 세포의 화학전달 메커니즘이 제안된 지 30년이 넘었지만, 산소(O₂)가 이러한 세포 및 기타 저산소 반응 세포에서 이온 채널 활성을 조절하는 메커니즘은 여전히 명확히 규명되지 않았습니다(57, 96, 97). 급성 산소 감지는 원래 특수한 K+ 채널의 특성으로 여겨졌으며, 이 채널은 채널 서브유닛과 밀접하게 연관된 산소 센서를 통해 산소에 의해 직접적 또는 간접적으로 조절된다고 제안되었습니다(98). 그러나 이 가능성은 이제 가능성이 낮다고 여겨집니다. 왜냐하면 전압 의존성 K+ 채널, Ca2+ 활성화 채널, 배경 K+ 채널을 포함한 다양한 유형의 산소 조절 K+ 채널이 보고되었기 때문입니다(12). 또한 저산소 상태에서 이온 채널 활성의 조절은 다양한 조직에서 다양한 이온 채널 클래스에 영향을 미치는 널리 관찰되는 현상입니다(12, 15, 16). 이 점에서 중요한 관찰 결과는 설치류에서 주요 산소 감응성 배경 K+ 채널인 TASK1 및 TASK3 채널 서브유닛을编码하는 유전자의 제거가 글로무스 세포의 저산소 반응성을 유의미하게 변화시키지 않는다는 점입니다. 또한, TASK1-/TASK3 결핍 세포에서 저산소증에 대한 반응성은 iberiotoxin(maxi-K+ 채널의 선택적 차단제) 또는 tetraethylammonium(maxi-K+ 및 여러 전압 의존성 K+ 채널의 비선택적 차단제) 존재 하에서도 유지됩니다(65). 이 데이터는 저산소증이 글로무스 세포에서 다양한 이온 채널을 중복적으로 조절하여 신경전달물질 방출에 필요한 세포 탈분극과 Ca2+ 유입을 유발하는 비특이적 신호 전달 경로를 활성화한다는 것을 시사합니다. 지난 20년 동안 여러 산소 감지 메커니즘이 제안되었습니다. 이는 NADPH 산화효소의 조절, AMP 키나제의 활성화, 가스전달물질(일산화탄소와 황화수소)의 생성, 그리고 글로무스 세포에 발현되는 젖산 감수성 비전형적 후각 수용체(Olfr78)의 활성화 등이 포함됩니다(57). 그러나 이러한 가설적 메커니즘 중 어느 것도 급성 산소 감지에 필수적이지 않은 것으로 나타났습니다. 관련 효소나 수용체를 발현하지 않는 유전자를 제거한 마우스는 저산소 환경에서 CB 반응이 정상적으로 나타났기 때문입니다(84, 99–103). 최근 리뷰(57, 97)에서 CB의 급성 산소 감지 가설들이 논의되었지만, 우리는 현재 CB의 급성 산소 감지를 설명하는 가장 강력한 실험적 증거를 제공하는 모델로, 미토콘드리아-막 신호전달 모델에 초점을 맞춥니다.

급성 산소 감지의 통합된 미토콘드리아-막 신호전달 모델

미토콘드리아는 시안화물 및 기타 미토콘드리아 억제제가 강력한 CB 활성화제이기 때문에 전통적으로 CB 산소 감지에 참여한다고 여겨져 왔습니다. 수십 년 전 Mills & Jöbsis (104)는 CB에 저친화성 사이토크롬 산화효소가 존재한다고 제안했지만, 이 효소를 글로무스 세포가 아닌 유형 II 세포에 위치시켰습니다. 이 연구와 후속 연구는 저산소증이 미토콘드리아 대사 활동을 억제하고 ATP 수준을 감소시킨다는 점을 제시하며, CB 산소 감지의 대사 가설의 기반을 마련했습니다. 이 가설을 뒷받침하기 위해 Duchen & Biscoe (105)는 글로무스 세포의 미토콘드리아 막 전위와 NADH 수준이 산소 농도 변화에 매우 민감하다는 것을 보여주었습니다. 그러나 이 저자들은 저산소 상태에서 전달물질 방출을 유발하는 주요 신호가 미토콘드리아로부터의 Ca2+ 방출이라고 제안했습니다. 이는 저산소 상태에서 글로무스 세포 활성화에 절대적으로 필요한 막 탈분극화와 세포외 Ca2+ 유입과 호환되지 않는 메커니즘입니다 (17, 18) ( Figure 3a ). 막 가설과 대사 가설 간의 급성 산소 감지 갈등에 대한 첫 번째 단서는 저산소증에 민감한 카테콜아민 신경세포 계통인 PC12 세포(106)와 CB 슬라이스(76)에서의 실험에서 나왔습니다. 이 실험들은 저산소 상태와 유사하게 미토콘드리아 전자 전달 사슬(ETC) 억제제(시안화물, 안티미신 A, 미크소티아졸, 또는 로테논)가 외부 Ca²⁺에 의존적으로 전달물질 방출을 유도함을 보여주었습니다. 분산된 글로무스 세포에 대한 병행 실험에서는 저산소 상태와 유사하게 ETC 억제제가 배경 K⁺ 채널을 억제하고 세포 탈분극 및 세포외 Ca²⁺ 유입을 유도함이 확인되었습니다(107). Ortega-Sáenz 등(76)은 로테논이 다른 ETC 억제제보다 저산소증에 대한 감수성을 차단하는 데 특히 효율적임을 관찰했으며, 이는 로테논 결합 부위가 CB의 급성 산소 감지에 결정적으로 관여할 수 있음을 시사했습니다.

그림 3 글로무스 세포의 급성 산소 감지 메커니즘: 미토콘드리아-막 신호 전달 모델. (a) 저산소증에 대한 글로무스 세포의 세포질 Ca²⁺ 증가가 세포외 Ca²⁺ 유입에 의존합니다. (b) 글로무스 세포가 저산소증에 노출될 때 IMS에서 미토콘드리아 신호, NAD(P)H 자발적 형광, 및 ROS의 증가. (c,d) 급성 저산소증 시 미토콘드리아 신호가 막 이온 채널로 전달되는 모델. 저산소증은 MCIV의 환원 상태 증가를 유발하여 전자 전달 사슬을 따라 전자 축적을 초래하며, 이는 QH2의 증가로 이어집니다. QH2 수준 증가로 MCI의 속도가 느려지거나 역전되며 ROS 생성 및 NADH 축적이 발생합니다. 이러한 인자들은 막 이온 채널을 조절합니다. 경동맥 체 글로무스 세포에서 미토콘드리아는 막 이온 채널 근처에 위치하여 산소 감지 미세영역을 형성할 수 있습니다. 약어: ΔVm, 막 탈분극; IMS, 미토콘드리아 간막 공간; MCI–IV, 미토콘드리아 복합체 I–IV; Q, 우비퀴논; QH2, 환원형 우비퀴논; ROS, 활성 산소 종. 패널 a는 참고문헌 3의 허가를 받아 수정되었습니다. 저작권 2016, Elsevier. 패널 b와 c는 참고문헌 77의 허가를 받아 수정되었습니다. 저작권 2015, Elsevier.

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This idea has been confirmed in recent years by using mice with conditional ablation of the gene coding NDUFS2, one of the three essential MCI subunits that contribute to the ubiquinone-binding site in MCI (77). Rotenone binds with high affinity to this site and prevents ubiquinone reduction. The HVR of Ndufs2 knockout mice is practically abolished, while Ndufs2-deficient glomus cells are unresponsive to hypoxia, although they show normal responses to other stimuli such as hypercapnia or low glucose (77). Among the mitochondrial signals generated by hypoxia are NADH and reactive oxygen species (ROS) ( Figure 3b ). Hypoxia induces a dose-dependent increase in NADH in glomus cells over a range of O2 tension values compatible with their sensory function (77, 105, 108, 109), and this signal is strongly reduced in Ndufs2-deficient glomus cells (77, 109). On the other hand, while mitochondrial ROS have been suggested to play a role in acute O2 sensing in pulmonary arteries, whether ROS production increases or decreases during hypoxia has been a matter of intense debate (13, 110). Recently, rapid and reversible compartmentalized changes in mitochondrial ROS induced by hypoxia have been recorded in glomus cells. Hypoxia elicits a rise in ROS at the intermembrane space or cytosol and a decrease in the matrix. The generation of hypoxia-induced intermembrane space ROS is inhibited by rotenone and markedly decreased in Ndufs2-deficient glomus cells, whereas changes in matrix ROS are unaltered. Therefore, the hypoxic increase in intermembrane space ROS generated in MCI is a signal associated with acute O2 sensing (109). In line with these concepts, the intracellular application of H2O2 produces an inhibition of the background K+ conductance and a marked increase in electrical resistance in glomus cells (77). In addition to NADH and ROS, changes in mitochondrial ATP during hypoxia could also modulate ion channel activity (107). Although experimental data available do not support a signaling role of ATP (84, 109), a definitive answer to this will only be forthcoming once direct monitoring of changes in ATP levels can be performed during exposure of glomus cells to physiological hypoxia.

Taken together, these observations suggest a model of acute O2 sensing in which MCIV acts as an O2 sensor, and MCI and possibly MCIII act as the effector ( Figure 3c,d ). In CB mitochondria, with high O2 consumption, the rate of oxidation of the catalytic site in cytochrome oxidase (heme a3/CuB center) is highly sensitive to decreases in O2 tension due to the expression‎ of tissue-specific mitochondrial subunits and a particularly high oxidative metabolism. Under these conditions, hypoxia causes a backlog of electrons along the ETC and the accumulation of reduced ubiquinone (QH2). This leads to a slow down or even reversal of MCI (the main effector of hypoxic mitochondria) and the production of signaling molecules (NADH and ROS) that modulate ion channels (77, 109). Further support for this model ( Figure 3d ), which integrates the membrane and metabolic hypotheses of acute O2 sensing, comes from experiments indicating that modifications in the mitochondrial Q/QH2 ratio, resulting from the activation or inhibition of succinate dehydrogenase activity, lead to an increase or decrease, respectively, of glomus cell responsiveness to hypoxia (109). It is conceivable that glomus cell mitochondria located in close proximity to the cell membrane form O2-sensing microdomains in which the signaling molecules (NADH and ROS) reach the local concentration required for ion channel modulation (109) ( Figure 3c,d ). These O2 sensing microdomains could explain the hypoxic modulation of ion channel activity recorded in excised membrane patches, which may contain attached cytosolic organelles. Disarrangement of the O2 sensing microdomains in cells exposed to enzymatic or mechanical stress could also result in the loss of acute cellular activation during hypoxia.

이 아이디어는 최근 몇 년간 MCI의 우비퀴논 결합 부위에 기여하는 세 가지 필수 MCI 서브유닛 중 하나인 NDUFS2 유전자의 조건부 제거를 가진 마우스를 사용하여 확인되었습니다 (

NDUFS2 유전자의 조건부 제거를 가진 마우스에서 Ndufs2 유전자의 조건부 제거를 가진 마우스에서 Ndufs2 유전자의 조건부 제거를 가진 마우스에서 Ndufs2 유전자의 조건부 제거를 가진 마우스에서 Ndufs2 유 로테논은 이 부위에 높은 친화력으로 결합하여 우비퀴논의 환원을 차단합니다. Ndufs2 결손 마우스의 HVR은 거의 소실되며, Ndufs2 결핍 글로무스 세포는 저산소증에 반응하지 않지만, 고이산화탄소나 저혈당과 같은 다른 자극에는 정상적인 반응을 보입니다(77). 저산소 상태에서 생성되는 미토콘드리아 신호 중에는 NADH와 활성산소종(ROS)이 포함됩니다( Figure 3b ). 저산소 상태는 글로무스 세포의 감각 기능과 호환되는 산소 농도 범위에서 NADH 농도를 용량 의존적으로 증가시킵니다(77, 105, 108, 109), 이 신호는 Ndufs2 결핍 글로무스 세포에서 크게 감소합니다(77, 109). 반면, 폐 동맥에서 급성 산소 감지에 미토콘드리아 ROS가 역할을 한다는 제안이 있었지만, 저산소 상태에서 ROS 생산이 증가하는지 감소하는지는 격렬한 논쟁의 대상이 되어 왔습니다(13, 110). 최근 저산소증에 의해 유발된 미토콘드리아 ROS의 급속하고 가역적인 분획별 변화가 글로무스 세포에서 기록되었습니다. 저산소증은 인터멤브레인 공간 또는 세포질에서 ROS가 증가하고 매트릭스에서 감소합니다. 저산소증에 의한 인터멤브레인 공간 ROS 생성은 로텐론에 의해 억제되며, Ndufs2 결핍 글로무스 세포에서 현저히 감소하지만, 매트릭스 ROS의 변화는 변하지 않습니다. 따라서 MCI에서 저산소 상태에서 생성되는 간막 공간 ROS의 증가는 급성 산소 감지 신호와 연관되어 있습니다(109). 이러한 개념과 일치하게, 글로무스 세포에 H₂O₂를 세포 내로 적용하면 배경 K⁺ 전도도가 억제되고 전기 저항이 현저히 증가합니다(77). NADH와 ROS 외에도 저산소 상태에서 미토콘드리아 ATP의 변화도 이온 채널 활성을 조절할 수 있습니다(107). 현재까지의 실험 데이터는 ATP의 신호 전달 역할을 지지하지 않습니다(84, 109), 그러나 글로무스 세포가 생리적 저산소 상태에 노출될 때 ATP 수준 변화를 직접 모니터링할 수 있을 때까지 이 문제에 대한 명확한 답변은 나오지 않을 것입니다.

이러한 관찰 결과를 종합하면, MCIV가 산소 센서로 작용하고 MCI 및 가능성 있게 MCIII가 효과기로 작용하는 급성 산소 감지 모델이 제안됩니다( Figure 3c,d ). CB 미토콘드리아에서는 높은 산소 소비량으로 인해 사이토크롬 산화효소(헤모 a3/CuB 중심)의 촉매 부위 산화 속도가 조직 특이적 미토콘드리아 서브유닛의 발현과 특히 높은 산화 대사 때문에 산소 농도 감소에 매우 민감합니다. 이러한 조건에서 저산소 상태는 전자 전달계(ETC)를 따라 전자 축적과 환원형 우비퀴논(QH2)의 축적을 유발합니다. 이는 저산소 미토콘드리아의 주요 효과기인 MCI의 속도 감소 또는 역전과 이온 채널을 조절하는 신호 분자(NADH 및 ROS)의 생산을 초래합니다(77, 109). 이 모델( Figure 3d )은 급성 산소 감지 메커니즘의 막 가설과 대사 가설을 통합하며, 수산화탈수소효소 활성의 활성화 또는 억제에 따른 미토콘드리아 Q/QH2 비율의 변화가 글로무스 세포의 저산소증 반응성을 각각 증가 또는 감소시킨다는 실험 결과로 추가로 지원됩니다(109). 글로무스 세포의 미토콘드리아가 세포막 근처에 위치해 산소 감지 미세영역을 형성하며, 이 영역에서 신호 분자(NADH와 ROS)가 이온 채널 조절에 필요한 국소 농도에 도달할 수 있다는 가설이 제기되었습니다(109) ( Figure 3c,d ). 이러한 산소 감지 미세영역은 분리된 세포막 조각에서 관찰된 저산소 조건下的 이온 채널 활성 조절을 설명할 수 있으며, 이 조각에는 부착된 세포질 소기관이 포함될 수 있습니다. 효소적 또는 기계적 스트레스에 노출된 세포에서 산소 감지 미세영역의 배열이 깨지면 저산소 상태에서의 급성 세포 활성화가 상실될 수 있습니다.

Metabolic Specifications in Acute Oxygen-Sensing Cells

Two recent independent gene expression‎ studies provided relevant cues for understanding glomus cell acute O2 sensing. Single glomus cell sequencing from neonatal mice highlighted the elevated expression‎ of numerous genes coding molecules involved in G protein–coupled receptor signaling (111); this finding is consistent with the profuse auto- and paracrine modulation of glomus cells by metabotropic ligands present in the CB glomeruli. In the same study, several ion channels that included TASK1, the low-threshold Ca2+ channel α1H subunit, and TRPC5, hypoxia-inducible factor (HIF)2α and two atypical mitochondrial subunits (NDUFA4l2 and COX4I2) were among the most specifically expressed genes identified in the glomus cells. In a parallel microarray analysis, comparative gene expression‎ profiles of three adult neural tissues (CB, adrenal medulla, and superior cervical ganglion) possessing the same neural crest embryological origin but variable O2 sensitivity (CB>adrenal medulla>superior cervical ganglion) were studied (112). This work demonstrated a set of genes, including some of those reported in the single-cell sequencing analysis (111), which are highly expressed in glomus cells, and to a lesser extent in adrenal medulla chromaffin cells compared with superior cervical ganglion neurons. The most relevant genes coded for HIF2α, three atypical mitochondrial subunits (NDUFA4L2, COX4I2, and COX8B), pyruvate carboxylase, and four types of ion channels (TASK1, TASK3, the α1H Ca2+ channel subunit, and TRPC5). In addition, the gene coding prolyl hydroxylase 3 (PHD3) appeared to be strongly downregulated in glomus and chromaffin cells. The signature metabolic profile represented by these genes is probably responsible for the acute O2-sensing properties of CB glomus cells (112).

COX4I2 and COX8B are atypical isoforms of the more broadly distributed COX4I1 and COX8A subunits forming part of the catalytic core of MCIV. These subunits contain adjacent transmembrane helices running in parallel at the periphery of MCIV (113). On the other hand, NDUFA4L2 is an isoform of the most frequently expressed NDUFA4 subunit, which is also associated with MCIV. Therefore, it is most likely that the combined expression‎ of these subunits confers glomus cells with cytochrome oxidase O2 sensitivity in the physiological range (112). Indeed, COX4I2-null mice exhibit strong inhibition of hypoxic pulmonary vasoconstriction (114), an acute response to hypoxia that, similar to hypoxic glomus cell activation, depends on the production of ROS by mitochondria and the modulation of O2-sensitive K+ channels (13, 110). In addition to their particularly high MCIV sensitivity to O2, glomus cells are known to have high O2 consumption and an active oxidative metabolism, which are metabolic features compatible with the presence of elevated levels of pyruvate carboxylase and its cofactor biotin (115). Pyruvate carboxylase is an anaplerotic enzyme required for the generation of oxaloacetate, thereby replenishing the pool of tricarboxylic acid cycle intermediates and increasing oxidative phosphorylation. This observation is in agreement with the high levels of succinate in the CB and explains the postulated accumulation of QH2 during hypoxia (77) as well as the inhibition of responsiveness to acute hypoxia after genetic (112) or pharmacological (109) blockade of succinate dehydrogenase in glomus cells. In addition to specific ETC subunits, highly active oxidative mitochondria are therefore probably required for the O2-sensing properties of glomus cells.

급성 산소 감지 세포의 대사적 특성

최근 두 개의 독립적인 유전자 발현 연구는 글로무스 세포의 급성 산소 감지에 대한 중요한 단서를 제공했습니다. 신생아 마우스의 단일 글로무스 세포 시퀀싱은 G 단백질 결합 수용체 신호전달에 관여하는 분자를编码하는 수많은 유전자의 발현이 증가했음을 보여주었습니다(111); 이 결과는 CB 글로머루스에 존재하는 대사성 리간드에 의한 글로무스 세포의 풍부한 자가 및 파라크린 조절과 일치합니다. 같은 연구에서 TASK1(저역치 Ca2+ 채널 α1H 서브유닛), TRPC5, 저산소증 유도 인자(HIF)2α, 그리고 두 개의 비전형적 미토콘드리아 서브유닛(NDUFA4l2 및 COX4I2)을 포함한 여러 이온 채널이 글로무스 세포에서 가장 특이적으로 발현된 유전자 중 하나로 확인되었습니다. 병행된 마이크로어레이 분석에서 동일한 신경크레스트 배아학적 기원을 공유하지만 산소 민감도가 변동되는 세 가지 성인 신경 조직(CB, 부신 수질, 상경 신경절)의 비교 유전자 발현 프로파일이 연구되었습니다(112). 이 연구는 단일 세포 시퀀싱 분석(111)에서 보고된 일부 유전자들을 포함해 글로무스 세포에서 고도로 발현되며, 부신 수질 크로모핀 세포에서는 상부 경추 신경절 신경세포에 비해 상대적으로 낮은 수준으로 발현되는 유전자 집합을 확인했습니다. 가장 관련성이 높은 유전자들은 HIF2α, 세 가지 비전형적 미토콘드리아 서브유닛(NDUFA4L2, COX4I2, COX8B), 피루vate 카복실라제, 및 네 가지 유형의 이온 채널(TASK1, TASK3, α1H Ca2+ 채널 서브유닛, TRPC5)을 암호화합니다. 또한, 프로릴 하이드록시라제 3(PHD3)를 코딩하는 유전자가 글로무스 세포와 크로모핀 세포에서 강하게 하향 조절되었습니다. 이러한 유전자로 대표되는 대사 프로파일은 CB 글로무스 세포의 급성 산소 감지 특성에 책임이 있을 가능성이 높습니다(112).

COX4I2와 COX8B는 MCIV의 촉매 핵심을 구성하는 더 널리 분포된 COX4I1과 COX8A 서브유닛의 비전형적 이소형입니다. 이 서브유닛들은 MCIV의 주변부에서 평행하게 배열된 인접한 막을 관통하는 헬릭스를 포함합니다(113). 반면, NDUFA4L2는 MCIV와 연관된 가장 자주 발현되는 NDUFA4 서브유닛의 이소형입니다. 따라서 이 서브유닛들의 공동 발현이 생리적 범위에서 글로무스 세포에 사이토크롬 산화효소 산소 감수성을 부여할 가능성이 가장 높습니다(112). 실제로 COX4I2 결핍 마우스는 저산소성 폐 혈관 수축(114)에 대한 강한 억제를 나타냅니다. 이는 저산소성 글로무스 세포 활성화와 유사하게 미토콘드리아에서 생성되는 활성산소종(ROS)과 산소 민감성 칼륨 채널의 조절에 의존하는 급성 반응입니다(13, 110). 글로무스 세포는 O₂에 대한 특히 높은 MCIV 민감도 외에도 높은 O₂ 소비량과 활성 산화 대사 특성을 가지고 있으며, 이는 피루vate 카복실라제와 그 코인자 비오틴의 증가된 수준과 호환되는 대사적 특징입니다(115). 피루vate 카복실라제는 옥살아세테이트 생성에 필요한 아나플레로틱 효소로, 트리카르복실산 회로 중간체의 풀을 보충하고 산화적 인산화 속도를 증가시킵니다. 이 관찰 결과는 CB 내 높은 수산화수소 수준과 일치하며, 저산소 상태에서 QH2의 축적(77) 및 글로무스 세포에서 수산화수소 탈수소효소의 유전적(112) 또는 약리학적(109) 차단 후 급성 저산소 반응 억제를 설명합니다. 특정 전자 전달계 서브유닛 외에도, 글로무스 세포의 산소 감지 특성에 활성 산화 미토콘드리아가 필요할 가능성이 높습니다.

CAROTID BODY PLASTICITY AND STEM CELLS

A notable property of the CB is its extraordinary plasticity at the cellular and whole-organ levels, which is critical for physiological adaptation to changing environments and pathological conditions. A highly relevant example is represented by ventilatory acclimatization to sustained hypoxia (e.g., when moving from low to high altitude), a process that requires an increased sensitivity of the CB to the reduction in O2 tension and one that results in a constant hyperventilatory response to avoid an overt decrease in arterial O2 level (116, 117). In the first instance, plasticity of the CB depends on functional changes occurring in the expression‎ of ion channels and/or the availability of neurotransmitters and peptides that modulate cellular interactions within the CB glomeruli (118). However, during protracted/sustained activation, the adult CB exhibits a remarkable structural plasticity because, unlike other neural organs, it can increase in size several fold and thus increase afferent inputs to the respiratory center (116).

경동맥체(CB)의 가소성과 줄기세포

CB의 주목할 만한 특성 중 하나는 세포 수준과 전체 장기 수준에서 나타나는 놀라운 가소성으로, 이는 변화하는 환경과 병리적 조건에 대한 생리적 적응에 필수적입니다. 관련된 중요한 예시는 지속적 저산소 환경(예: 저고도에서 고고도로 이동 시)에 대한 호흡 적응으로, 이는 CB의 산소 긴장도 감소에 대한 감수성 증가를 요구하며, 동맥 산소 농도의 급격한 감소를 방지하기 위해 지속적인 과호흡 반응을 유발합니다(116, 117). 첫 번째 경우, CB의 가소성은 CB 사구체 내에서 세포 상호 작용을 조절하는 이온 채널의 발현 및/또는 신경 전달 물질과 펩티드의 가용성에 발생하는 기능적 변화에 따라 달라집니다 (118). 그러나, 장기간/지속적인 활성화 동안, 성인 CB는 다른 신경 기관과 달리 크기가 몇 배로 증가하여 호흡 센터로 전달되는 구심성 입력을 증가시킬 수 있기 때문에 놀라운 구조적 가소성을 보입니다 (116).

Functional Plasticity

Several studies have indicated that chronic sustained hypoxia (CSH) induces the expression‎ of Na+ and/or Ca2+ channels and reduces K+ current amplitude (118), resulting in increased glomus cell excitability. Cultured neonatal glomus cells exposed to hypoxia present normal levels of TASK1 channels, although hypoxic inhibition of the background K+ currents in these cells is enhanced after 48 h of CSH (119). In parallel to changes in ion channel expression‎, CSH induces complex modifications in the synthesis/release of several neurochemicals and their receptors involved in CB functions, which are not yet well understood (117, 118). Hypoxia strongly induces TH, the rate-limiting enzyme in the synthesis of dopamine, as well as NO synthase. In parallel, hypoxia downregulates the expression‎ of D2 dopamine receptors. On the other hand, nicotinic cholinergic receptors are induced in CB postsynaptic afferent fibers during CSH, thereby enhancing the excitatory effect of acetylcholine (117). Although hypoxia does not seem to significantly alter the expression‎ of P2X receptors in afferent chemosensory fibers, it has been shown that exposure of rats to CSH for 4–5 days leads to the upregulation of surface-located ectonucleotidases, which catalyze the conversion of ATP to adenosine (120), an excitatory agent acting pre- and postsynaptically in the glomus cell–afferent fiber synapse (33, 34, 40). Endothelin-1, a vasoactive peptide that is induced by CSH in CB cells (121), seems to be involved in the proliferation of CB cells during hypoxia (see the section titled Structural Plasticity: Carotid Body Growth in Chronic Hypoxia). However, endothelin-1 and its receptors also participate in the increase of CB responsiveness induced by CSH probably via upregulation of the Ca2+ current amplitude in glomus cells (121, 122). Taken together, these data suggest that CSH induces a balanced change in excitatory and inhibitory neurotransmitters to increase CB activation while simultaneously preventing excessive CB stimulation.

CB functional plasticity is also induced by chronic intermittent hypoxia (CIH), a common phenomenon in the human population that is associated with recurrent obstructive apneas occurring in some individuals during sleep (sleep apnea syndrome). CIH enhances the HVR due to long-term facilitation of the CB chemoreflex, a form of plasticity that results in increased CB excitation during acute episodes of hypoxia (123–125). The changes in CB function induced by CIH probably depend on ROS-mediated alterations in neurotransmitter signaling (in particular endothelin-1, angiotensin II, and NO) and proinflammatory cytokine concentration (123, 125, 126). In addition, hypoxic inhibition of TASK-like K+ channel activity in glomus cells is increased in animals exposed to CIH (126). It has been suggested that a mitochondrial ROS-mediated imbalance in the HIF1α and HIF2α signaling pathways is responsible for the CIH-induced alterations in CB glomus cells (127). In addition to hypoxia, sustained CB activation by other stimuli can also produce plastic changes in glomus cell responsiveness and CB overactivation. For example, an increased CB chemoreflex is observed in obese mice and mice fed chronically with a high-fat diet (85). Although detailed mechanisms underlying these responses are not known, they seem to be related to modifications in CB cell reactivity induced by insulin, leptin, and other agents (88, 90, 91). Similarly, a considerable body of evidence suggests that increased CB chemosensitivity is involved in the autonomic imbalance conferring a poor prognosis on patients with chronic heart failure (95, 128). This form of CB overactivation was suggested to be secondary to the elevated mitochondrial production of superoxide anion and angiotensin II-mediated changes in glomus cells, which are generated by sustained reductions in blood flow and downregulation of downstream signaling molecules (129). An experimentally imposed reduction of carotid blood flow in rabbits decreases the expression‎ of Krüppel-like factor 2, a mechanosensitive transcription factor induced by shear stress in the vasculature that controls the transcription of genes associated with antioxidant defense and angiotensin metabolism (130).

기능적 가소성

여러 연구에서 만성 지속적 저산소증(CSH)이 Na+ 및/또는 Ca2+ 채널의 발현을 유도하고 K+ 전류 진폭을 감소시킨다는 것이 밝혀졌습니다(118), 이는 글로무스 세포의 흥분성을 증가시킵니다. 저산소증에 노출된 신생아 글로무스 세포는 TASK1 채널의 정상 수준을 유지하지만, CSH 48시간 후 이 세포의 배경 K+ 전류에 대한 저산소 억제가 강화됩니다(119). 이온 채널 발현 변화와 병행하여, CSH는 CB 기능에 관여하는 여러 신경화학물질 및 그 수용체의 합성/분비에 복잡한 변화를 유발하지만, 이는 아직 잘 이해되지 않고 있습니다(117, 118). 저산소증은 도파민 합성의 속도 제한 효소인 TH 및 NO 합성효소의 발현을 강하게 유도합니다. 동시에 저산소증은 D2 도파민 수용체의 발현을 억제합니다. 반면, 니코틴성 콜린성 수용체는 CSH 동안 CB 시냅스 후 구심성 섬유에서 유도되어 아세틸콜린의 흥분 효과를 강화합니다 (117). 저산소증은 구심성 화학 감각 섬유에서 P2X 수용체의 발현을 크게 변화시키지 않는 것으로 보이지만, 쥐를 CSH에 4~5일 동안 노출하면 ATP를 아데노신으로 전환하는 표면 위치의 엑토뉴클레오티다아제(120)의 발현이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 글로무스 세포-구심성 섬유 시냅스에서 시냅스 전 및 시냅스 후 작용하는 흥분제입니다 (33, 34, 40). CB 세포에서 CSH에 의해 유도되는 혈관 활성 펩티드인 엔도텔린-1 (121)은 저산소증 동안 CB 세포의 증식에 관여하는 것으로 보입니다 ( “구조적 가소성: 만성 저산소증에서 경동맥의 성장” 섹션 참조). 그러나 엔도테린-1과 그 수용체는 CSH에 의해 유발되는 CB 반응성 증가에 참여하며, 이는 글로무스 세포에서의 Ca2+ 전류 진폭 증가를 통해 이루어질 가능성이 있습니다(121, 122). 이러한 결과는 CSH가 흥분성 및 억제성 신경전달물질의 균형 잡힌 변화를 유도하여 CB 활성화를 증가시키면서 동시에 과도한 CB 자극을 방지한다는 것을 시사합니다.

CB 기능적 가소성은 인간 인구에서 흔히 관찰되는 현상인 만성 간헐적 저산소증(CIH)에 의해 유도됩니다. CIH는 수면 중 일부 개인에서 반복적인 폐쇄성 무호흡이 발생하는 수면 무호흡 증후군과 연관되어 있습니다. CIH는 CB 화학반사(CB chemoreflex)의 장기적 촉진으로 인해 HVR을 강화합니다. 이는 저산소증 급성 발작 시 CB 흥분을 증가시키는 형태의 가소성입니다(123–125). CIH에 의해 유발된 CB 기능의 변화는 ROS 매개 신경전달물질 신호전달(특히 엔도테린-1, 안지오텐신 II, 및 NO) 및 프로염증성 사이토킨 농도의 변화에 의존할 가능성이 있습니다(123, 125, 126). 또한 CIH에 노출된 동물에서 글로무스 세포의 TASK 유사 K+ 채널 활성의 저산소성 억제가 증가합니다(126). 미토콘드리아 ROS에 의한 HIF1α 및 HIF2α 신호전달 경로의 불균형이 CIH에 의한 CB 글로무스 세포의 변화에 책임이 있다는 제안이 있습니다(127). 저산소증 외에도 다른 자극에 의한 CB의 지속적인 활성화는 글로무스 세포의 반응성 변화와 CB 과활성화를 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 비만 마우스와 고지방 식이를 장기간 섭취한 마우스에서 CB 화학반사 증가가 관찰되었습니다(85). 이러한 반응의 상세한 메커니즘은 알려지지 않았지만, 인슐린, 렙틴 및 기타 요인에 의해 유발된 CB 세포 반응성 변화와 관련이 있을 것으로 추정됩니다(88, 90, 91). 同様に, 만성 심부전 환자의 예후가 불량한 자율신경 불균형에 CB 화학감수성 증가가 관여한다는 상당한 증거가 존재합니다(95, 128). 이 형태의 CB 과활성화는 혈류 감소와 하류 신호 분자의 다운레귤레이션으로 인해 지속되는 미토콘드리아 슈퍼옥사이드 음이온 생산 증가 및 안지오텐신 II 매개 글로무스 세포 변화에 의해 이차적으로 발생한다고 제안되었습니다(129). 실험적으로 토끼의 경동맥 혈류량을 감소시키면 혈관 내 전단 응력에 의해 유도되는 항산화 방어 및 안지오텐신 대사 관련 유전자 전사를 조절하는 기계감각성 전사 인자 Krüppel-like factor 2의 발현이 감소합니다(130).

Structural Plasticity: Carotid Body Growth in Chronic Hypoxia

Exposure of experimental animals and humans for several days to CSH induces dramatic structural changes in the CB, with a two- to threefold increase in size due to angiogenesis and the generation of new glomeruli. Although this response was described long ago (116, 131–133), the underlying mechanisms have remained largely unstudied until recently (23, 121). CB structural plasticity depends on the existence in this organ of a population of multipotent adult neural crest–derived stem cells, which are quiescent in normoxia and activated during hypoxia to proliferate and differentiate into new glomus cells, as well as smooth muscle and endothelial cells (23, 25, 54). Cell fate mapping experiments have shown that CB stem cells are sustentacular or type II cells that lose their characteristic GFAP+ phenotype upon activation and are converted into nestin+ proliferating progenitors (23) ( Figure 4a–c ). The changes induced by hypoxia in the CB stem cell niche can be reproduced in vitro using CB dispersed cells. A small percentage of these cells (∼1% in the rat CB) generate clonal cell colonies (named neurospheres) that normally derive from a single stem cell ( Figure 4a ). CB neurospheres are composed of a core of nestin+ proliferating progenitors surrounded by buds of differentiating TH+ cells forming blebs attached to the neurosphere core, which grow in size with time in culture ( Figure 4b ). As mature glomus cells develop in situ, the TH+ cells generated in the neurospheres contain voltage-gated Ca2+ and K+ channels, secrete catecholamines in response to hypoxia or hypoglycemia, and express glial cell line–derived neurotrophic factor (GDNF) (23). Proliferation of CB progenitors in vitro is independent of hypoxia, or pharmacological stabilization of HIF with DMOG, although lowering O2 tension favors the appearance and growth of blebs of TH+ cells (43). These findings suggest that CB stem cells are not intrinsically sensitive to hypoxia and that their activation in vivo depends on the presence of the O2-sensitive glomus cells. Mature glomus cells and stem (type II) cells establish numerous chemical synapses (denoted chemoproliferative synapses) that form the basis for stem cell activation during hypoxia. Among the several substances possibly involved in these synapses is endothelin-1. In vitro and in vivo studies have shown that CB progenitor cells are induced to proliferate by endothelin-1 released from glomus cells and that type II cells contain endothelin-1 receptors (43, 121). Although HIF induction in progenitor cells is not sufficient to trigger their proliferation under hypoxia, the PHD–HIF pathway is required for CB plasticity. Transgenic overexpression‎ of HIF2α elicits CB hypertrophy (54), and a lack of HIF2α during embryogenesis results in CB atrophy (55). On the other hand, inducible downregulation of HIF2α in adult mice leads to an inhibition of CB cell proliferation during CSH (134).

구조적 가소성: 만성 저산소증에서의 경동맥체 성장

실험 동물과 인간이 CSH에 수일간 노출되면 CB에서 혈관新生과 새로운 글로머루스 생성에 따른 크기가 2~3배 증가하는 극적인 구조적 변화가 발생합니다. 이 반응은 오래 전에 보고되었지만(116, 131–133), 그 기전은 최근까지 대부분 연구되지 않았습니다(23, 121). CB의 구조적 가소성은 이 기관에 존재하는 다능성 성인 신경절 유래 줄기세포 집단에 의존합니다. 이 세포들은 정상 산소 조건에서는 휴면 상태에 있지만 저산소 조건에서 활성화되어 증식하고 새로운 글로머루스 세포, 평활근 세포 및 내피 세포로 분화합니다(23, 25, 54). 세포 운명 추적 실험은 CB 줄기세포가 활성화 시 GFAP+ 특성을 상실하고 nestin+ 증식 전구세포로 전환되는 sustentacular 또는 유형 II 세포임을 보여주었습니다(23) ( Figure 4a–c ). 저산소증이 CB 줄기세포 미세환경에 유발하는 변화는 CB 분산 세포를 사용한 체외 실험에서 재현 가능합니다. 이 세포의 소수(쥐 CB의 약 1%)는 단일 줄기세포에서 유래한 클론 세포 군집(신경구체)을 형성합니다( Figure 4a ). CB 신경구체는 네스틴+ 증식 전구세포로 구성된 중심부와, 신경구체 중심부에 부착된 분화 중인 TH+ 세포의 돌기(블럽)로 둘러싸여 있으며, 배양 시간에 따라 크기가 증가합니다( Figure 4b ). 성숙한 글로머스 세포가 체내에서 발달함에 따라 신경구에서 생성된 TH+ 세포는 전압 의존성 칼슘 및 칼륨 채널을 포함하며, 저산소증 또는 저혈당에 반응하여 카테콜아민을 분비하며, 글리아 세포 계통 유래 신경 영양 인자(GDNF)를 발현합니다(23). 체외에서 CB 전구세포의 증식은 저산소증이나 DMOG로 HIF를 약리학적으로 안정화시키는 것과 무관하지만, 산소 농도를 낮추는 것은 TH+ 세포의 블레브 출현과 성장에 유리합니다(43). 이러한 결과는 CB 줄기세포가 본질적으로 저산소증에 민감하지 않으며, 그 활성화는 산소 감수성 글로무스 세포의 존재에 의존함을 시사합니다. 성숙한 글로무스 세포와 줄기(형 II) 세포는 수많은 화학 시냅스(화학 증식 시냅스라고 표시됨)를 형성하며, 이는 저산소 상태에서 줄기 세포 활성화의 기반을 이룹니다. 이 시냅스에 관여할 수 있는 여러 물질 중 하나는 엔도테린-1입니다. 체외 및 체내 연구에서 글로무스 세포에서 방출된 엔도테린-1이 CB 전구 세포의 증식을 유도하며, 유형 II 세포는 엔도테린-1 수용체를 포함한다는 것이 밝혀졌습니다(43, 121). 그러나 저산소 상태에서 전구 세포의 HIF 유도만으로는 증식을 유발하지 않으며, CB의 가소성에 PHD–HIF 경로가 필요합니다. HIF2α의 전사체 과발현은 CB 비대화를 유발합니다(54), 그리고 배아 발생 중 HIF2α의 결핍은 CB 위축을 초래합니다(55). 반면, 성인 마우스에서 HIF2α의 유도적 하향 조절은 CSH 동안 CB 세포 증식을 억제합니다(134).

그림 4 경동맥체 줄기세포의 증식 및 분화. (a) 체외에서 단일 세포로 분리한 경동맥체 신경구체. 배양 일수가 표시되어 있습니다. (b) 경동맥체 유래 신경구체의 조직 절편으로, 표시된 마커로 염색되었습니다: c, 신경구체 중심부; b, TH+ 및 O2-감수성 세포의 돌출부. (c) 경동맥체 줄기세포의 증식 및 분화 모델로, 표시된 마커의 발현 변화와 급성 저산소증에 대한 감수성 변화가 표시되어 있습니다. 약어: DAPI, 4′, 6-다이아미노-2-페닐인돌; GFAP, 글리아 섬유산 단백질; HNK-1, 인간 자연살해 세포-1; TH, 티로신 하이드록시라제. 그림 a와 b는 참고문헌 23의 허가를 받아 수정되었습니다. 저작권 2007, Elsevier.

Figure 4 Proliferation and differentiation of carotid body stem cells. (a) Single-cell-derived carotid body neurosphere in vitro. Days of culture are indicated. (b) Histological section of a carotid body-derived neurosphere stained with the indicated markers: c, neurosphere core; b, bleb of TH+ and O2-sensitive cells. (c) Model of carotid body stem cell proliferation and differentiation, with changes shown in the expression‎ of indicated markers and in sensitivity to acute hypoxia. Abbreviations: DAPI, 4′, 6-diamidino-2-phenylindole; GFAP, glial fibrillary acidic protein; HNK-1, human natural killer-1; TH, tyrosine hydroxylase. Panels a and b adapted with permission from Reference 23. Copyright 2007, Elsevier.

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CB growth induced by CSH requires exposure to hypoxia for several days; however, it is known that some TH+ cells undergo mitosis during the first 24–48 h in hypoxia (23, 135, 136). A recent study reported the existence of predifferentiated CB neuroblasts that express catecholaminergic markers (TH+) and voltage-dependent ion channels but are unresponsive to hypoxia (27) ( Figure 4c ). Unlike mature glomus cells, CB neuroblasts can undergo mitotic divisions before their final maturation, which is induced by hypoxia as well as by neurotransmitters, in particular acetylcholine and ATP, released from glomus cells. This phenotypic change in the CB TH+ cell population (shifting from non-O2-sensitive to O2-sensitive) could have an important pathogenic role in CB oversensitivity observed in conditions, such as sleep apnea or CIH, without evident CB hypertrophy. Interestingly, the number of CB neuroblasts is smaller in the mouse than in the rat (27). In addition, the regenerative potential of cultured CB stem cells, although qualitatively similar in several species, is also less potent in mouse and human samples than in the rat (24).

CSH에 의해 유도된 CB의 성장은 수일간의 저산소 환경 노출이 필요합니다. 그러나 일부 TH+ 세포는 저산소 환경에서 첫 24–48시간 동안 분열을 겪는 것으로 알려져 있습니다 (23, 135, 136). 최근 연구에서는 카테콜아민 표지자(TH+)와 전압 의존성 이온 채널을 발현하지만 저산소 환경에 반응하지 않는 사전 분화 CB 신경모세포의 존재가 보고되었습니다(27) ( Figure 4c ). 성숙한 글로무스 세포와 달리 CB 신경모세포는 최종 성숙 전에 분열을 겪을 수 있으며, 이는 저산소 환경뿐만 아니라 글로무스 세포에서 방출되는 아세틸콜린과 ATP와 같은 신경전달물질에 의해 유도됩니다. CB TH+ 세포 집단의 이형질 변화(비산소 민감형에서 산소 민감형으로의 전환)는 수면 무호흡증이나 CIH와 같은 조건에서 CB 과민반응이 관찰되지만 명백한 CB 비대증이 없는 경우에 중요한 병리학적 역할을 할 수 있습니다. 흥미롭게도, CB 신경모세포의 수는 쥐보다 쥐에서 더 적습니다(27). 또한, 배양된 CB 줄기세포의 재생 잠재력은 여러 종에서 질적으로 유사하지만, 쥐와 인간 샘플에서는 쥐보다 덜 강력합니다(24).

경동맥체와 질환

최근 몇 년간 CB는 다중 모달 화학 수용체로서의 필수적인 생리적 역할 외에도 인간 인구에서 높은 유병률을 보이는 여러 질환의 병리학적 과정에 관여한다는 점에서 의학적 관심을 받았습니다. 아래에서는 CB 번역 연구의 가장 중요한 측면을 간략히 요약합니다.

경동맥체 억제

경동맥체는 깨어 있는 상태와 수면 중 저산소 자극에 대한 첫 번째 방어선이기 때문에, 경동맥체 억제는 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. CB 화학반사계의 성숙은 신생아가 자궁 외 환경에 적응하는 데 결정적 역할을 하며, CB의 발달 결함이 갑작스러운 영아 사망이나 중추성 선천성 과호흡 증후군(3, 13)과 같은 호흡기 장애에 기여할 수 있다는 제안이 있습니다. 그러나 CB 억제의 가장 흔한 사례는 수술적 제거나 약물 투여에 따른 이차적 현상입니다. 양측 CB 절제술을 받은 환자(주로 목 종양이나 천식 치료로 인해)는 HVR이 거의 소실되며(21, 52) 저혈당에 대한 반조절 반응도 결여됩니다(53, 80, 81). 이러한 환자들은 정상 산소 조건에서 증상 없이 생활하는 것처럼 보이지만, 수면 중 장애와 설명되지 않는 사망 사례가 보고되었습니다. 반면, CB 억제는 여러 마취제, 진정제, 진통제의 부작용으로 나타납니다. 이러한 약물의 많은 부분이 K+ 채널 활성화제 및/또는 Ca2+ 채널 억제제로 작용하여 글로무스 세포의 신경분비 반응을 방해하기 때문입니다(see 3). 특별한 사례로는 아편제 유발 호흡 억제(OIRD)가 있으며, 이는 아편제 치료나 남용과 관련된 흔하고 잠재적으로 생명을 위협하는 합병증입니다. 모르핀의 진통 용량은 인간에서 중추적 및 말초적 메커니즘을 통해 호흡을 억제하지만(39, 137), 이 과정에서 CB의 정확한 역할은 완전히 규명되지 않았습니다. 경동맥 내 메티오닌-엔케팔린 투여는 CB 화학감각성 방출을 억제하며, 모르핀은 상대적으로 덜 억제합니다(39, 138). 또한 이러한 약물은 화학수용체 세포에서 K+ 채널을 활성화하고 Ca2+ 유동을 억제합니다(3). 저산소증 또는 고이산화탄소증에 대한 호흡 민감도를 평가하기 위해 임상 프로토콜에 신뢰할 수 있는 검사를 포함해야 한다는 제안이 제기되었습니다(139). 그러나 이러한 관찰에도 불구하고, 의식 있는 쥐에서 모르핀 유발 호흡 억제는 양측 CB 신경절제 후 크게 증가하여 CB가 OIRD에서 보호적 역할보다는 원인적 역할을 한다는 것을 시사합니다(140). 따라서 K+ 채널 억제제를 사용하여 말초 화학수용체를 활성화하는 것은 인간에서 OIRD를 완화하는 유망한 전략입니다(3, 140).

CAROTID BODY AND DISEASE

In recent years the CB has gained medical attention because in addition to its essential physiological role as a multimodal chemoreceptor, it is also involved in the pathogenesis of numerous diseases, some of them with high preval‎ence in the human population. Below we present a brief summary of the most relevant aspects of CB translational research.

Carotid Body Inhibition

Because the CB is the first line of defense against hypoxic challenges during wakefulness and sleep, CB inhibition may therefore have fatal consequences. Maturation of the CB chemoreflex seems to be critical for adaptation of the newborn to extrauterine life, with developmental defects in the CB suggested to contribute to respiratory disorders such as sudden infant death or central congenital hyperventilation syndromes (3, 13). However, the most frequent cases of CB inhibition are secondary to surgical removal or the administration of drugs. Patients with bilateral CB resection, most commonly due to neck tumors or asthma treatment, have a practically abolished HVR (21, 52) and the counterregulatory response to hypoglycemia (53, 80, 81). Although these patients appear to live unaffected in normoxic conditions, disturbances during sleep and unexplained cases of death have been reported. On the other hand, CB inhibition is a side effect of several anesthetics, sedatives, and analgesic drugs, as many of these agents are K+ channel activators and/or Ca2+ channel inhibitors and interfere with the glomus cell neurosecretory response (see 3). A special case is represented by opioid-induced respiratory depression (OIRD), a common and potentially life-threatening complication associated with opioid treatment or abuse. Although analgesic doses of morphine depress ventilation in humans via central and peripheral mechanisms (39, 137), the precise role of the CB in this process has not been fully elucidated. Intracarotid administration of methionine-enkephalin and morphine to a lesser extent depresses CB chemoafferent discharges (39, 138). Moreover, these agents can upregulate K+ channels and inhibit Ca2+ currents in chemoreceptor cells (3). It was suggested that reliable tests of ventilatory sensitivity to hypoxia or hypercapnia should be included in clinical protocols to assess susceptibility to OIRD (139). Despite these observations, morphine-induced respiratory depression in conscious rats is greatly enhanced after bilateral CB denervation, suggesting a protective rather than causative role of the CB in OIRD (140). Thus, activation of peripheral chemoreceptors with K+ channel inhibitors is a promising strategy to alleviate OIRD in humans (3, 140).

Carotid Body Overactivation

As discussed above, CB overactivation has been identified as a major cause of the exaggerated sympathetic outflow characteristic of some highly preval‎ent disorders such as hypertension, sleep apnea, and chronic heart failure as well as obesity and metabolic syndrome (see 3). Although the molecular bases for these processes of CB maladaptive plasticity remain poorly elucidated, several groups have shown that bilateral CB ablation or denervation results in a decreased sympathetic tone and improvement of most of the associated cardiovascular and metabolic alterations (85, 141–143). However, the translation of these procedures to the clinical setting must proceed with caution because CB ablation as seen in hypertensive rats, for example, may potentially trigger cardiovascular events, particularly during episodes of hypoxia and hypercapnia (144). In a pilot clinical trial, bilateral CB ablation improved the autonomic imbalance in chronic heart failure patients, but also increased the occurrence of nocturnal hypoxia, particularly in patients with concomitant sleep apnea (145). In addition to potential surgical complications, the abolition of CB function may also result in severe side effects, such as a reduced ability to acclimatize to high altitudes or altered glucose regulation. The development of pharmacological therapies to selectively modulate CB chemosensory activity and plasticity is an optimal alternative to surgery that could favor the translation of CB research to a clinical reality (146, 147).

경동맥체 과활성화

위에서 논의된 바와 같이, 경동맥체 과활성화는 고혈압, 수면 무호흡증, 만성 심부전과 같은 일부 흔한 질환뿐만 아니라 비만과 대사증후군에서 특징적인 과도한 교감신경 출력의 주요 원인으로 확인되었습니다(3 참조). 이러한 CB의 부적응적 가소성 과정의 분자적 기전은 여전히 명확히 규명되지 않았지만, 여러 연구 그룹은 양측 CB 절제 또는 신경 절제술이 교감신경 긴장도를 감소시키고 관련된 대부분의 심혈관 및 대사 이상을 개선한다는 것을 보여주었습니다(85, 141–143). 그러나 이러한 절차의 임상 적용은 신중히 진행되어야 합니다. 예를 들어 고혈압 쥐에서 관찰된 CB 절제술은 저산소증 및 고탄산혈증 발작 시 심혈관 사건을 유발할 수 있기 때문입니다(144). 임상 시험에서 양측 CB 절제술은 만성 심부전 환자의 자율 신경 불균형을 개선했지만, 특히 수면 무호흡증을 동반한 환자에서 야간 저산소증 발생률이 증가했습니다(145). 수술적 합병증 외에도 CB 기능의 소실은 고지대 적응 능력 감소나 혈당 조절 장애와 같은 심각한 부작용을 유발할 수 있습니다. CB 화학감각 활동과 가소성을 선택적으로 조절하는 약물 치료법의 개발은 수술의 대안으로 CB 연구를 임상 현실로 전환하는 데 유리한 접근 방식입니다(146, 147).

종양 발생

CB 종양(chemodectomas)은 대부분 양성 종양으로, 말초 신경계를 침범하는 파라가ング리오마 그룹에 속합니다. chemodectomas의 조직학적 특징은 만성 저산소증에 노출된 개인의 비대화된 CB와 유사하며(131, 132), 고지대에 거주하는 사람에서 발생률이 증가합니다(148). 따라서 현재 논의 중인 질문은 CB 종양 발생이 CB 신경 발생 미세환경의 증식 잠재력과 관련이 있는지 여부입니다. succinate dehydrogenase 서브유닛 D(SDHD)의 돌연변이는 유전성 CB 파라가ง글리오마의 가장 흔한 원인입니다(149), 그리고 succinate 축적, PHD 억제, HIF 안정화가 파라가ง글리오마 발생을 유발하는 핵심 사건일 수 있다는 제안이 있습니다(150, 151). 실제로 PHD2의 비활성화는 HIF2α에 의존적인 글로무스 세포 과증식과 파라가ング리오마 유사 형질을 보이는 CB 구조적 변화를 유발합니다(152). 그러나 SDHD의 단일 또는 이중 알레일 결손을 가진 마우스 모델에서는 CB 종양이 유발되지 않습니다(153). 반면 SDHD의 상실은 CB 및 기타 중추 및 말초 카테콜아민성 조직에서 광범위한 세포 사멸을 유발합니다(153). 이 데이터는 CB 비대증과 종양 발생 메커니즘이 반드시 상호 연관되어 있지 않을 수 있음을 시사합니다. CB 외에도 파라가ング리오마는 저산소증에 대한 비대 반응 없이 부신 수질과 같은 조직에서 자주 발생합니다.

파킨슨병에서의 세포 치료

CB가 특히 높은 도파민 함량을 가지고 있기 때문에, 파킨슨병의 세포 대체 치료를 위해 CB 조직의 뇌내 이식술이 시도되었습니다. 쥐와 원숭이 모델에서 수행된 성공적인 전임상 연구(154, 155)는 파킨슨 병 환자를 대상으로 한 시범 임상 시험(156)으로 이어졌습니다. 그러나 이러한 연구는 CB 이식의 유익한 효과가 이식된 세포에서 풍부하게 발현되는 GDNF에 의해 매개되는 영양 작용 때문이며, 외인성 도파민 공급의 결과는 아니라는 점을 시사했습니다(157). 실제로, 스트라이아탈 GABAergic 중간신경세포에 의해 생성되는 내인성 GDNF는 nigrostriatal 경로의 유지에 필수적이며, 내인성 GDNF 생산의 활성화는 파킨슨병의 잠재적 치료 접근법으로 제안되었습니다(158). 글로무스 세포(glomus cells)에서 생성되는 GDNF의 생리적 역할은 아직 알려지지 않았지만, 이는 급성 저산소 신호에 의해 이 세포에서 생성되는 미토콘드리아 ROS를 불활성화하기 위해 CB 환경에서 필요할 수 있는 항산화 방어 효소의 자가 또는 파라크린 유도와의 관련성이 있을 수 있습니다(77, 109).

Tumorigenesis

CB tumors (chemodectomas) are mostly benign and belong to the group of paragangliomas affecting the peripheral nervous system. The histological features of chemodectomas resemble those of hypertrophied CBs from individuals subjected to chronic hypoxia (131, 132), and their incidence increases in persons living at high altitude (148). Hence, a question under debate is whether CB tumorigenesis is related to the proliferative potential of the CB neurogenic niche. Mutations in the succinate dehydrogenase subunit D (SDHD) are the most common cause of hereditary CB paraganglioma (149), and it has been suggested that succinate accumulation, PHD inhibition, and HIF stabilization could be critical events triggering the appearance of paragangliomas (150, 151). Indeed, PHD2 inactivation induces a HIF2α-dependent glomus cell hyperplasia and structural CB changes resembling a paraganglioma-like phenotype (152). However, CB tumors are not triggered in mouse models with mono or biallelic deletions of SDHD (153). In contrast, the loss of SDHD leads to extensive cell death in the CB and other central and peripheral catecholaminergic tissues (153). These data suggest that the mechanisms of CB hypertrophy and tumorigenesis are not necessarily interrelated. In addition to the CB, paragangliomas can frequently appear in tissues such as the adrenal medulla without a hypertrophic response to hypoxia.

Cell Therapy in Parkinson's Disease

Because the CB has particularly high dopamine content, the intrastriatal transplantation of CB tissue has been tested for cell replacement therapy in Parkinson's disease. Successful preclinical studies carried out in rat and monkey models (154, 155) were followed by pilot clinical trials in Parkinson's patients (156). However, these studies also suggested that the beneficial effect of CB transplants was due to a trophic action mediated by the abundant expression‎ of GDNF in the transplanted cells rather than as a consequence of exogenous dopamine delivery (157). Indeed, the endogenous production of GDNF by striatal GABAergic interneurons is necessary for maintenance of the nigrostriatal pathway and activation of endogenous GDNF production has been proposed as a potential therapeutic approach to Parkinson's disease (158). The physiological role of GDNF produced by glomus cells (157, 159) is unknown, although it could be related to the auto- or paracrine induction of antioxidant defense enzymes, which in the CB setting may be necessary to inactivate mitochondrial ROS produced by acute hypoxia signaling in these cells (77, 109).

SUMMARY POINTS

1. 1.   The CB is an integral arterial chemoreceptor essential for the regulation of respiration by blood gas (O2 and CO2) levels. It can also detect changes in blood-borne metabolic signals (glucose, lactate, or pH), hormones (insulin and leptin), and blood flow.
2. 2.   Glomus cells are multimodal sensory elements in the CB and prototypical acute O2 sensors in the body. O2 sensing is performed by specialized mitochondria, which signal membrane ion channels.
3. 3.   The CB is organized in clusters (glomeruli) of glomus and other cell types. Autocrine and paracrine interactions between these cells mediate CB plasticity.
4. 4.   Carotid body growth, a classical adaptive response to hypoxia, is mediated by glia-like, multipotent adult stem cells.
5. 5.   Carotid body dysfunction influences the pathogenesis of highly preval‎ent diseases (hypertension, diabetes, or chronic heart failure) as well as susceptibility to respiratory depression.

FUTURE ISSUES

1. 1.   The molecular mechanisms underlying acute O2 sensing and responsiveness of glomus cells to other stimuli (hypoglycemia, lactate, or changes in blood flow) should be clarified.
2. 2.   Researchers should develop the pharmacological tools to safely and selectively modulate chemosensory signals as well as CB overactivation.
3. 3.   Extrapolating the CB physiology will help facilitate our understanding of other chemosensitive responses in the body (e.g., hypoxic vasodilation or hypoxic pulmonary vasoconstriction).

disclosure statement

The authors are not aware of any affiliations, memberships, funding, or financial holdings that might be perceived as affecting the objectivity of this review.

acknowledgments

The authors acknowledge funding from the Spanish Ministry of Science and Innovation (grants SAF2012-39343, SAF2016-74990-R), the Spanish Ministry of Health, and the European Research Council (ERC Advanced Grant PRJ201502629).

literature cited

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