研究简介:动物进化出对不同时间尺度的氧气变化产生稳态反应。虽然调控长期低氧反应（hypoxia）的缺氧诱导因子（HIF）转录通路已被确立1，但哺乳动物急性缺氧反应的调控通路仍不清楚。研究首次揭示嗅觉受体Olfr78在小鼠颈动脉体（carotid body，CB）的急性低氧感知中扮演关键角色。作者通过RNA-seq与微阵列筛查发现，Olfr78在CB的I型球细胞（glomus cells）中高度选择性表达，而在功能相似却不急性响应低氧的肾上腺髓质中几乎不表达。Olfr78-/-突变鼠在10%O₂刺激下呼吸频率和分钟通气量不增加，但对5%CO₂的高碳酸反应正常，证明缺陷特异于低氧通路。本研究发现，嗅觉受体Olfr78在颈动脉体的氧敏感球细胞（glomus cells）中高度特异性表达。颈动脉体是位于颈动脉分叉处的化学感受器官，可在血氧下降时数秒内触发呼吸增强。电生理记录显示，Olfr78缺失显著削弱缺氧诱导的窦神经放电，而细胞数量与超微结构保持完好。体外实验进一步表明，缺氧或氰化物抑制线粒体后迅速升高的乳酸（lactate）可剂量依赖性激活Olfr78（EC₅₀≈4 mM），并诱发球细胞内钙瞬变；在Olfr78-/-组织，该反应消失。研究人员提出机体缺氧→线粒体受抑→乳酸堆积→乳酸作为“代谢信使”结合Olfr78→球细胞去极化→窦神经放电→脑干呼吸中枢驱动通气。该模型把传统“直接氧感受”修正为“代谢状态感受”，为急性缺氧通气调控提供新分子框架，并提示Olfr78可能成为调控呼吸的潜在药靶。

Unisense微电极系统的应用

unisense微电极用于实时监测灌流槽内ACSF或生理缓冲液的PO₂，以精确控制缺氧刺激的起始与强度。将传感器校准于实验温度（33–34℃或室温），插入记录槽，连续读出电压信号；在从95%O₂/5%CO₂切换至95%N₂/5%CO₂过程中，PO₂从625 mmHg降至60 mmHg的时间曲线被用于关联窦神经放电变化。unisense微电极被精确量化灌流液PO2动态变化（从基线625 mmHg降至60 mmHg），为神经放电实验提供标准化缺氧刺激，验证超氧条件（95%O2/5%CO2）下乳酸刺激的特异性，排除低氧干扰。通过高时空分辨率氧监测，确保实验条件可控性，为机制研究提供关键环境参数验证。

实验结论

嗅觉受体Olfr78在颈动脉体的氧敏感球细胞（glomus cells）中高度特异性表达。颈动脉体是位于颈动脉分叉处的化学感受器官，可在血氧下降时数秒内触发呼吸增强关键词：电缆细菌，电生硫化物氧化，硫酸盐还原，淡水沉积物，隐秘硫循环。Olfr78突变体在缺氧时无法增加通气量，但对高碳酸血症（hypercapnia）反应正常。突变体的球细胞数量、结构完整，但缺氧诱导的颈动脉体活性降低。乳酸（hypoxia中快速积累的代谢物，可诱导过度通气3-6）在异源表达实验中激活Olfr78，触发球细胞钙瞬变，并通过Olfr78刺激颈动脉窦神经活性。除嗅觉功能外，Olfr78通过感知缺氧时产生的乳酸，在呼吸调控回路中充当缺氧传感器。

图1、Olfr78在颈动脉体球细胞中的表达。a.通过RNA测序比较成年小鼠颈动脉体（CB）与肾上腺髓质（AM）中26，728个基因的表达水平。以每10^7条比对reads的对数（log2）表示。b.在CB和/或AM中高表达的嗅觉受体（OR）基因；X表示CB相对于AM的富集倍数。c–f.Olfr78敲入报告小鼠（Olfr78-GFPtaulacZ）的X-gal染色（蓝色，β-半乳糖苷酶活性）。c.肾上腺，未见报告基因表达。d.颈动脉分叉背面观，可见CB（虚线圈）及偶见血管（箭头）e，f.颈动脉分叉横切面及局部放大。g，h.CB切片免疫染色：Olfr78报告基因（GFP，绿色）与球细胞标志物酪氨酸羟化酶（TH，红色）共定位；不与内皮标志物CD31（红色）共定位。DAPI染核（蓝色）。i–k.颈动脉分叉腹面观X-gal染色：i.CB（虚线圈）由窦神经（实心箭头）支配，后者为舌咽神经（空心箭头）分支。j.异位“微球体”（MG）同样受舌咽神经支配。k.岩神经节（箭头）、结状/颈静脉神经节（箭头）均无报告基因表达。l.Olfr78报告基因在CB发育过程中的表达时间轴：实心圆＝强表达；空心圆＝未检出。

图2、Olfr78缺失小鼠对缺氧及高碳酸的通气反应。通过全身体积描记法测定清醒、自由活动Olfr78+/+与Olfr78-/-同窝鼠的呼吸频率（RR）、潮气量（TV）及分钟通气量（MV=RR×TV）。a，b.缺氧（10%O₂）刺激下的RR（a）及缺氧反应百分比变化（b）。c，d.高碳酸（5%CO₂）刺激下的RR（c）及高碳酸反应百分比变化（d）

图3、Olfr78介导颈动脉体氧感受。a，b.Olfr78+/+与Olfr78-/-CB切片：GFP（绿）、TH（红）、DAPI（蓝）。突变体结构正常。c.CB中TH阳性细胞计数。d–g.透射电镜：野生型与突变型球细胞均含大核（*）、大致密芯囊泡（空箭头）及小清芯突触囊泡（实箭头）。h，i.以窦神经放电频率评估CB对缺氧（h）及低pH（i）的反应。灰线示灌流液PO₂时间曲线

图4、乳酸激活Olfr78并刺激颈动脉体感觉活动。a.在HEK293T中利用双报告基因检测乳酸对Olfr78的激活（空载体灰线，Olfr78黑线）。b.麻醉小鼠缺氧3 min后的动脉血乳酸水平。c，d.GCaMP3标记球细胞在缺氧、乳酸（30 mM）、氰化物（2 mM）刺激下的钙反应。e.野生型与Olfr78-/-CB对30 mM乳酸的窦神经放电反应。f.氧感受模型：缺氧→线粒体受抑→乳酸↑→结合Olfr78→球细胞Ca²⁺↑→呼吸驱动。

图5、暴露于低氧和高二氧化碳环境下的Olfr78−/−突变体的潮气量和分钟通气量。未束缚、未麻醉的Olfr78+/+对照组和Olfr78−/−突变体同窝仔鼠的全身体积描记。a、b）暴露于低氧环境下的动物的潮气量（TV）和分钟通气量（MV）。n=9（+/+），8（−/−）只动物。c、d）暴露于高二氧化碳环境下的动物的潮气量和分钟通气量。n=4（+/+），5（−/−）只动物。

结论与展望

本研究是斯坦福大学团队最新研究成果发表在《Nature》上，本研究揭示了嗅觉受体Olfr78在颈动脉体氧感知中的关键作用。传统观点认为颈动脉体通过直接检测血氧变化调节呼吸，但具体机制存在争议。团队通过RNA测序发现嗅觉受体Olfr78在颈动脉体（92倍于肾上腺髓质）高表达，且特异性定位在氧敏感的球细胞（glomus cells）中。基因敲除实验显示，Olfr78缺失小鼠在缺氧条件下无法增加通气量，但对高碳酸血症反应正常，表明其特异性参与低氧反应。电生理记录进一步证实，突变体的颈动脉窦神经在缺氧时放电活动显著减弱。本研究提出创新机制：缺氧时乳酸快速积累（3-6 mM），通过激活Olfr78（EC50=4.0 mM）触发球细胞钙瞬变和神经信号传导。这一发现将代谢产物（乳酸）与氧感知直接关联，解释了为何线粒体抑制剂（如氰化物）能模拟缺氧效应。团队还验证了乳酸在体外（HEK293T细胞）和体内（颈动脉体切片）均能激活Olfr78通路，而敲除小鼠对该刺激无反应。该研究不仅揭示了急性缺氧反应的分子机制，还拓展了嗅觉受体在非嗅觉生理功能中的新角色。unisense微电极在本研究中应用于实时监测灌流槽内ACSF或生理缓冲液的PO₂，以精确控制缺氧刺激的起始与强度。unisesne微电极系统通过高时空分辨率氧监测，确保实验条件可控性，为机制研究提供关键环境参数验证。