食欲素及多功能生理作用研究進(jìn)展

張益萌綜述，詹淑琴審校

食欲素(orexin)，也稱為下丘腦分泌素(hypocretin)，是由美國Scripps研究所de Lecea及德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的Sakurai于1998年發(fā)現(xiàn)，Luis等通過克隆大鼠外側(cè)下丘腦中表達(dá)的基因[1]發(fā)現(xiàn)了與促胰液素在化學(xué)上相似的神經(jīng)遞質(zhì)，并將其命名為下丘腦分泌素。進(jìn)一步研究顯示：下丘腦分泌素不僅在下丘腦中發(fā)揮作用，而且下丘腦分泌素神經(jīng)元可以投射到大腦的不同區(qū)域包括腦干、腹側(cè)被蓋區(qū)、前額葉皮質(zhì)、藍(lán)斑核和丘腦，通過復(fù)雜的神經(jīng)通路發(fā)揮作用[2]。Sakurai等[3]發(fā)現(xiàn)了兩種由同一前體水解產(chǎn)生的神經(jīng)肽，將其命名為食欲素A和食欲素B。食欲素前體是一種由人類12號染色體編碼，含有130個氨基酸的多肽。食欲素A是由兩組鏈內(nèi)二硫鍵鏈接，由33個氨基酸組成的肽類。食欲素B在不同哺乳動物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)略有不同[4]。它們與兩種G蛋白偶聯(lián)受體——食欲素-1型受體( OX1R)和食欲素-2型受體(OX2R) 結(jié)合發(fā)揮相應(yīng)生理功能。食欲素A和食欲素B以相似的親和力結(jié)合OX2R，而食欲素A對OX1R的親和力比食欲素B高得多。另外，Takeshi將這種肽類應(yīng)用于嚙齒類動物后，發(fā)現(xiàn)其可以調(diào)節(jié)進(jìn)食行為，這說明了食欲素在攝食行為的中樞反饋調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用[3]。

自食欲素被發(fā)現(xiàn)以來，食欲素能神經(jīng)元就被認(rèn)為是多功能的神經(jīng)元。食欲素能神經(jīng)元主要集中投射至藍(lán)斑核去甲腎上腺素能神經(jīng)元和結(jié)節(jié)乳頭體核的組胺能神經(jīng)元，這些通路對睡眠和覺醒十分重要[2]。食欲素能神經(jīng)元亦接收GABA、兒茶酚胺和5-羥色胺神經(jīng)元的信號。同時，食欲素與黑色素濃集激素(MCH)神經(jīng)元以及瘦素受體表達(dá)神經(jīng)元相互作用，調(diào)控睡眠/覺醒，能量代謝及攝食等[5，6]。食欲素能系統(tǒng)功能障礙可導(dǎo)致各種異常，同時它也可能是不同病理狀態(tài)的基礎(chǔ)。本文主要綜述食欲素在睡眠覺醒周期、成癮獎賞通路、能量代謝、自主神經(jīng)系統(tǒng)及其他系統(tǒng)中的作用。

1 食欲素在睡眠中的生理作用

1.1 食欲素對睡眠-覺醒的調(diào)節(jié)作用 睡眠-覺醒周期由晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)和睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)兩種機(jī)制調(diào)控。晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)主要發(fā)生在下丘腦前區(qū)的視交叉上核(SCN)及鄰近結(jié)構(gòu)。SCN自身的節(jié)律受外界環(huán)境和機(jī)體內(nèi)源性的影響。SCN接受外界光線調(diào)節(jié)，具有感光能力的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞首先接收到環(huán)境光信號，隨后通過視網(wǎng)膜下丘腦束上傳到SCN，同時晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)會對視網(wǎng)膜內(nèi)的入射光產(chǎn)生正性效應(yīng)[7]。褪黑素是由松果體分泌的一種激素，調(diào)節(jié)體溫和晝夜節(jié)律，其生物合成及自身節(jié)律本身也受光周期的控制[8]。睡眠穩(wěn)態(tài)是由睡眠需求來調(diào)節(jié)的，長時間的覺醒后，覺醒的維持需要更多的壓力。因為長時間的覺醒會引起體內(nèi)促睡眠物質(zhì)分泌增加。褪黑素不僅在光線和晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)之間發(fā)揮中介作用，將內(nèi)源性生物節(jié)律的周期調(diào)整到與環(huán)境周期同步，同時也參與晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)和睡眠穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)相互作用。最近的研究表明，食欲素在睡眠覺醒的調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要的作用，有研究表明，食欲素神經(jīng)元表達(dá)1型褪黑素受體(MT1)，褪黑素可能通過MT1受體抑制食欲素神經(jīng)元并促進(jìn)睡眠[9]。另一方面，食欲素能神經(jīng)元投射最密集的地方是藍(lán)斑核，食欲素A可以通過激活藍(lán)斑去甲腎上腺素能細(xì)胞促進(jìn)覺醒[10]。DEC2基因是一種調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律的轉(zhuǎn)錄因子。在移植了hDEC2基因的小鼠中，食欲素前體水平升高，這是因為DEC2基因?qū)κ秤厍绑w基因啟動子的抑制作用被P384R突變改變，使前食欲素表達(dá)增加，并通過食欲素信號通路，影響睡眠行為[11]。另外，食欲素能神經(jīng)元具有促進(jìn)覺醒維持和穩(wěn)定睡眠/覺醒轉(zhuǎn)換，避免頻繁地從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，在睡眠覺醒狀態(tài)的維持中發(fā)揮重要作用。食欲素神經(jīng)元在睡眠時保持靜息，在即將覺醒前開始放電，在覺醒和睡眠剝奪時活躍。Briggs等研究表明，睡眠剝奪通過突觸前和突觸后機(jī)制可以改變食欲素神經(jīng)元的興奮性[12]。

1.2 食欲素缺乏與發(fā)作性睡病 發(fā)作性睡病是一種以日間過度思睡、猝倒發(fā)作、睡眠癱瘓、入睡幻覺和夜間睡眠障礙為主要臨床特征的睡眠覺醒維持障礙導(dǎo)致的慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病。最新ICSD-3將發(fā)作性睡病分為兩種類型：1型發(fā)作性睡病和2型發(fā)作性睡病[13]。1型發(fā)作性睡病主要表現(xiàn)為日間思睡并伴有猝倒，2型發(fā)作性睡病有相同的思睡癥狀，但不伴有猝倒。目前認(rèn)為1型發(fā)作性睡病可能是由遺傳、免疫、感染及疫苗接種導(dǎo)致食欲素分泌神經(jīng)元損傷引起的，缺乏食欲素的小鼠和食欲素受體2基因(Hcrtr2)突變的犬都表現(xiàn)出發(fā)作性睡病[14，15]。Mignot等通過對發(fā)作性睡病的患者腦脊液進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，90%的1型發(fā)作性睡病的患者腦脊液食欲素下降[16]。因此，食欲素的檢測可以作為診斷成人1型發(fā)作性睡病的工具[17]。

猝倒是1型發(fā)作性睡病的特征性表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為突然發(fā)作的無法控制的骨骼肌麻痹和無力，發(fā)作時患者的意識仍然清醒，多被強(qiáng)烈的積極情緒如高興或大笑所觸發(fā)。這是由于積極情緒可以激活杏仁核中的神經(jīng)元，激活藍(lán)斑外側(cè)核(SLD)，抑制導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)腹外側(cè)區(qū)/外側(cè)腦橋被蓋(VlPAG/LPT)，而后，SLD興奮內(nèi)側(cè)髓質(zhì)和脊髓內(nèi)的GABA神經(jīng)元，使脊髓前角的運動神經(jīng)元高度極化，導(dǎo)致骨骼肌張力喪失從而發(fā)生猝倒。正常情況下，食欲素可以抵消這種肌張力喪失的觸發(fā)，但在食欲素缺乏時，則會通過上述機(jī)制誘發(fā)猝倒[18]。Burgess等的另一項研究觀察到，在食欲素基因敲除小鼠中，雙側(cè)杏仁核的興奮性毒性損傷可以減少猝倒發(fā)作[19]。

發(fā)作性睡病亦會表現(xiàn)夜間睡眠障礙，即REM睡眠不穩(wěn)定。Montplaisir 和其同事觀察到，在伴有猝倒的發(fā)作性睡病患者中，清醒和REM睡眠之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)增加。而給予食欲素A后可以增加伴有猝倒的發(fā)作性睡病患者REM睡眠的穩(wěn)定性[20]。組胺是一種重要的促覺醒神經(jīng)遞質(zhì)，下丘腦后部的結(jié)節(jié)乳頭體核神經(jīng)元(TMN)是腦組織中組胺的唯一來源。Eriksson等的研究證實，食欲素對TMN有強(qiáng)烈的激活作用，同時TMN亦表達(dá)食欲素受體。二者相互作用，在快速眼動睡眠期的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[21]。

雖然動物實驗證明了食欲素是一種治療發(fā)作性睡病的有效選擇，但由于食欲素不能通過血腦屏障，因此在人類的治療中受到限制。然而，鞘內(nèi)給藥可能是未來食欲素治療中一種可行的治療方法[22]。腦室和腹腔注射非肽類食欲素2受體激動劑YNT-185可抑制食欲素敲除和食欲素神經(jīng)元消融小鼠的猝倒樣發(fā)作，而對缺乏食欲素受體的小鼠則不起作用[23]。選擇性的食欲素2受體激動劑TAK-925在Orexin/ataxin-3缺乏的轉(zhuǎn)基因發(fā)作性睡病模型小鼠中，可以促進(jìn)覺醒，減少猝倒樣癥狀發(fā)作，減少體重增加[24，25]。

2 食欲素對成癮獎賞通路的作用

起源于腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area，VTA)并投射到紋狀體的中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)，通過與中央杏仁核相互作用來喚起獎賞感，從而作用于成癮和獎賞系統(tǒng)[26～28]。VTA中的多巴胺神經(jīng)元接受谷氨酸能突觸的信號傳遞，食欲素信號可以提高其藥物誘導(dǎo)的突觸可塑性，從而在成癮過程中發(fā)揮作用。食欲素信號還通過啟動內(nèi)源性大麻素介導(dǎo)的GABA能神經(jīng)元輸入的突觸抑制，使人們主動尋求藥物。這表明食欲素有可能通過選擇性抑制觸發(fā)可卡因成癮的信號而用于臨床治療可卡因成癮[28～30]。食欲素療法可能是治療可卡因成癮后撤藥的有效方法，因為它可以減弱可卡因的動機(jī)效應(yīng)和快感[31，32]。研究發(fā)現(xiàn)，在松鼠猴、大鼠和小鼠中，OX1R信號傳遞的基因破壞可以通過丘腦環(huán)路引起對尼古丁的欲望下降[33]。食欲素-瘦素也可以影響對尼古丁的欲望。研究顯示，被剝奪尼古丁的人與未被剝奪尼古丁并被允許吸煙的人比較，血漿食欲素水平較低[34]。但是，使用食欲素作為戒煙治療方案，還必須進(jìn)行進(jìn)一步的人體臨床試驗。

3 食欲素在能量代謝中生理作用

3.1 食欲素與攝食 自食欲素被發(fā)現(xiàn)以來，食欲素在攝食中的作用就受到了廣泛的關(guān)注。食欲素和食欲素受體通過調(diào)節(jié)大腦中的單胺能/膽堿能神經(jīng)核，在調(diào)節(jié)睡眠-覺醒狀態(tài)中起著非常重要的作用。同時，該系統(tǒng)還激活下丘腦機(jī)制，刺激攝食行為[35]。當(dāng)予以大鼠食欲素時，大鼠攝食增加[3]。在丘腦室旁核、藍(lán)斑核和結(jié)節(jié)乳頭體核以及下丘腦弓狀核內(nèi)均可見大量的食欲素神經(jīng)元的投射纖維[36]。現(xiàn)在已經(jīng)觀察到在丘腦室旁核中食欲素能神經(jīng)元發(fā)出信號調(diào)節(jié)中腦導(dǎo)水管周圍多巴胺能神經(jīng)元[37]。這一生理調(diào)節(jié)可導(dǎo)致食欲增加，很可能與肥胖有關(guān)。食欲素能神經(jīng)元還發(fā)出纖維到腹側(cè)被蓋區(qū)，抑制代謝的飽食信號[38]。與此相反，饑餓時，代謝信號通過下丘腦傳遞。食物剝奪可誘導(dǎo)食欲素1型和食欲素2型受體過度表達(dá)。而當(dāng)老鼠胃內(nèi)食物尚未消化時向其提供食物，老鼠的下丘腦分泌素食欲素神經(jīng)元的活動減少。這說明消化作用對抑制食欲素并不是必需的[39]。此外，食欲素與營養(yǎng)不良兒童BMI呈負(fù)相關(guān)，提示食欲素可能在維持營養(yǎng)和鼓勵食物攝取方面起保護(hù)作用[40]。

3.2 食欲素與肥胖 目前，肥胖人數(shù)正在以驚人的速度增長。肥胖患者的嗅覺敏感度很低，而食欲素可以增加嗅覺敏感度和能量攝入[41]，另一方面，食欲素可能在調(diào)節(jié)非運動生熱和自發(fā)身體活動中發(fā)揮作用。食欲素可以激活增加自發(fā)身體活動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使脂肪的增加減少[42]，同時伴隨著能量消耗的增加，會減少體重增加[43]。當(dāng)攝入高熱量食物時，食欲素可以啟動脂肪燃燒機(jī)制[44]。此外，減肥手術(shù)是肥胖患者的一種治療選擇。食欲素的增加可以改善減肥手術(shù)后患者的血糖和血脂水平[45]。對于肥胖患者，食欲素治療可能是一種侵入性更小的選擇。然而，為了探索食欲素療法的可能性，還需要對人體模型進(jìn)行更多的研究。

3.3 食欲素在能量穩(wěn)態(tài)及體溫調(diào)節(jié)中的作用 食欲素系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)能量穩(wěn)態(tài)。食欲素受瘦素、葡萄糖、乙酰膽堿等其他因素的調(diào)節(jié)[46]，這提示食欲素神經(jīng)元與下丘腦攝食通路及腦干單胺能膽堿能中樞存在必不可少的相互作用，從而成為維持能量穩(wěn)態(tài)中的重要細(xì)胞環(huán)節(jié)。弓狀核中的食欲素介導(dǎo)了全身耗氧量的增加、心動過速和結(jié)腸溫度的逐漸升高[47]。食欲素A和OX2R也存在于腎上腺，這表明腎上腺中的食欲素受體可能介導(dǎo)類固醇生成和能量穩(wěn)態(tài)[35]。身體脂肪的百分比隨年齡增長而增加。隨著年齡的增長，棕色脂肪組織可能會逐漸被脂肪細(xì)胞占據(jù)，而由于細(xì)胞內(nèi)的能量儲備無法被利用，因此很難實現(xiàn)恒溫。在年齡增長的過程中，食欲素信號可能在調(diào)節(jié)產(chǎn)熱過程中發(fā)揮作用。老鼠體內(nèi)產(chǎn)生食欲素的神經(jīng)元移除會加速棕色脂肪組織功能障礙。食欲素最近被證明是棕色脂肪組織發(fā)育、分化和及發(fā)揮功能所必需的[48]。此外，Takahashi等證實，在一般情況下，前列腺素E2引起的發(fā)熱和產(chǎn)熱過程都需要食欲素神經(jīng)元的調(diào)控[49]。

4 食欲素在其他系統(tǒng)中的作用

4.1 自主神經(jīng)系統(tǒng)中的食欲素 缺乏足夠食欲素的小鼠循環(huán)和呼吸的中樞自主調(diào)節(jié)出現(xiàn)異常。在暴露于應(yīng)激源時，這些小鼠表現(xiàn)出呼吸增強(qiáng)、血壓升高和應(yīng)激誘發(fā)的痛覺缺失[50]。而Li和Nattie的研究發(fā)現(xiàn)，正常大鼠輸入食欲素可引起動脈血壓升高和交感神經(jīng)活動增強(qiáng)，這種效應(yīng)可以被食欲素受體拮抗劑阻斷。而原發(fā)性高血壓的大鼠應(yīng)用食欲素受體拮抗劑，則會使其血壓顯著降低。因而認(rèn)為食欲素在原發(fā)性高血壓大鼠的發(fā)病機(jī)制和高血壓維持中起重要作用[51]。食欲素亦可以通過調(diào)控自主神經(jīng)系統(tǒng)作用于肝葡萄糖異生。肝葡萄糖異生基因的表達(dá)受食欲素A調(diào)控，在納摩爾級劑量時表達(dá)增加，在飛摩爾級劑量時表達(dá)減少。這提示食欲素可通過調(diào)控自主神經(jīng)系統(tǒng)雙向調(diào)控肝糖異生從而防止肝臟胰島素抵抗[52]。

4.2 食欲素在內(nèi)分泌系統(tǒng)中的作用 食欲素能纖維跨越視前區(qū)和弓形核正中隆起區(qū)，在下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)中起重要作用。向大鼠腦室內(nèi)注射食欲素A已被證明可增加血漿促腎上腺皮質(zhì)激素濃度[53]。食欲素A還可增加室旁核內(nèi)促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素mRNA的表達(dá)。然而，在懷孕的大鼠中，HPA軸對食欲素的反應(yīng)被抑制，這是由于懷孕導(dǎo)致的合成代謝適應(yīng)所導(dǎo)致的[54]。最近的一項研究表明，食欲素A和B可以激活中樞HPA系統(tǒng)，但不能直接控制腎上腺皮質(zhì)醇釋放[55]。

食欲素A可調(diào)節(jié)催乳素[10，56]、黃體生成素[57，58]、促甲狀腺素[59]等激素。向腦室內(nèi)給予食欲素A可以抑制催乳素的釋放，這種作用部分獨立于多巴胺能系統(tǒng)。此外，通過上調(diào)食欲素A在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活性，禁食期間催乳素的分泌減少[53]。而食欲素A刺激催乳素和生長激素分泌的量隨日間的長短而變化[60]。夏天時白天越長，分泌越強(qiáng)烈，冬天白天越短，分泌的就越少[61]。靜脈予以食欲素A可以引起下丘腦TRH含量升高，血漿TSH水平降低。腦室內(nèi)注入食欲素A對TSH分泌也有抑制作用，而血漿甲狀腺激素水平保持不變[53]。而含有TSH的細(xì)胞也可以通過分泌類似于食欲素B的物質(zhì)來調(diào)控垂體功能[62]。甲狀腺功能亢進(jìn)癥患者的食欲素A水平低于對照組。雖然食欲素A和甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)癥患者的食欲增加沒有關(guān)系，但這種病理狀況會影響食欲素A的水平[63]。因此，食欲素與甲亢的關(guān)系可能是未來具有潛力的研究方向。

最近的研究強(qiáng)調(diào)了食欲素在葡萄糖穩(wěn)態(tài)中的作用，因為食欲素可以調(diào)節(jié)胰島素和瘦素敏感性，而這與葡萄糖代謝有重要關(guān)系。食欲素可以防止小鼠因衰老或過量攝入脂肪而產(chǎn)生外周胰島素抵抗，同時食欲素會因血糖增高而下調(diào)，OX2R mRNA的水平也會隨年齡的增長而下降。這就為2型糖尿病患者提供了一種新的治療方法，即靶向治療，通過調(diào)節(jié)食欲素受體對胰島素和瘦素活動的控制，改善血糖增高的癥狀[64]。

4.3 炎癥和感染疾病中的食欲素 食欲素具有調(diào)節(jié)炎癥作用。棕櫚酸是一種在過多攝入飽和脂肪酸時合成的分子，它可導(dǎo)致外周和下丘腦炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致代謝失調(diào)。食欲素A被證明可以通過小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的途徑來減少棕櫚酸引起的這種炎癥反應(yīng)和神經(jīng)退行性變，也是小膠質(zhì)細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)因子[65]。當(dāng)內(nèi)皮細(xì)胞接觸氧化低密度脂蛋白時，食欲素A表現(xiàn)出對內(nèi)皮細(xì)胞炎癥的抑制作用。食欲素可以通過抑制血管細(xì)胞黏附分子-1(VCAM-1)、細(xì)胞間黏附分子(ICAM-1)、E -選擇素的表達(dá)，來抑制氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)的單核細(xì)胞THP-1細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)合，從而改善炎癥刺激下的內(nèi)皮功能障礙[66]。潰瘍性結(jié)腸炎的特征是結(jié)腸和直腸黏膜的炎癥和潰瘍。研究表明，將外源性食欲素A注入小鼠后，結(jié)腸黏膜細(xì)胞因子表達(dá)減弱，炎癥反應(yīng)明顯減輕[67]。因而，食欲素A可能是治療潰瘍性結(jié)腸炎或炎癥性疾病的一種可能的方法。

綜上所述，食欲素/下丘腦分泌素系統(tǒng)自被發(fā)現(xiàn)以來，在人體中發(fā)揮著多種作用，調(diào)控睡眠/覺醒周期、攝食、獎賞與成癮、體溫及其他各個系統(tǒng)。食欲素在睡眠/覺醒周期中的作用的研究歷時多年，2014年美國FDA批準(zhǔn)上市的藥物蘇沃雷生(suvorexant)便是由食欲素受體拮抗劑生產(chǎn)的藥物，目前在美國和日本已經(jīng)用于臨床治療失眠[68]。除了食欲素/下丘腦分泌素在睡眠領(lǐng)域的研究外，其在獎賞與成癮、肥胖、糖尿病、炎癥性疾病等方向的研究也不斷深入，食欲素相關(guān)的藥物具有巨大的臨床潛力，可為相關(guān)疾病的治療提供新型的靶點。