Cell | 曹鹏团队揭示大脑启动“恶心-呕吐”反应的神经生物学机制

根据世界卫生组织的统计，全世界每年约6亿人因摄入被病原污染的食物而发生食物中毒，导致约42万人死亡 【1】。食物中毒后，大脑启动恶心（nausea）和呕吐（vomiting）等一系列防御反应。通过呕吐，人体将摄入的有毒食物排出消化道，避免病原进一步侵入身体。通过恶心这一厌恶性情绪，大脑可以对有毒食物的特征形成长期的记忆，从而避免以后再次摄入有毒食物。可见，“恶心-呕吐”反应是遭遇病原入侵后人体产生的一类自我保护的防御反应，对生存有着极为重要的意义。

恶心和呕吐也是癌症化疗的主要副作用，具有重要的临床意义【2】。化疗药物可以杀死快速分裂的肿瘤细胞，但对正常细胞也有很强的杀伤作用。摄入体内的化疗药物被机体识别为“毒素”，并启动恶心和呕吐的防御反应，帮助机体尽快排出这些“毒素”。因此，接受化疗的癌症患者不得不遭受极为痛苦的“恶心-呕吐”副作用，必须服用大剂量的止吐药才能勉强熬过化疗过程。由于“恶心-呕吐”反应的具体机制不明，临床上可以使用的止吐药屈指可数。只有深度解析机体产生“恶心-呕吐”反应的精细机制，才有可能研发出更有效的化疗止吐药。

“恶心-呕吐”反应还发生在日常生活中。例如，处于孕期的“准妈妈们”会出现不同程度的“恶心-呕吐”反应。在长途客运中,一些晕车晕船的乘客也会因为长时间的颠簸而出现“恶心-呕吐”反应。在这些生活场景下,需要安全性很高的止吐药来抑制过度的“恶心-呕吐”反应。

遗憾的是,在过去三十多年里，“恶心-呕吐”反应的机制研究一直举步维艰，因为领域内缺乏合适的动物模型和研究范式。实验室常用的啮齿类动物（如小鼠和大鼠）并不能表现出呕吐行为。啮齿类动物无法吐出胃内的食物，被认为可能是因为消化道平滑肌不够发达【3】。前人只能用狗和雪貂等有呕吐行为的动物开展研究。他们发现切断膈下迷走神经可以有效阻断呕吐反应，说明呕吐依赖于胃肠道与大脑之间的“肠-脑”轴（gut-to-brain axis）。应用这些动物，前人还通过损毁和电刺激手段鉴定了参与呕吐反应的一些脑区【4】。通过药理学方法，发现5-HT3R和NK1R的拮抗剂可以有效抑制呕吐反应【5】。但是，这些模式动物缺乏与之匹配的分子遗传学工具，无法用于系统阐明大脑感知病原入侵启动“恶心-呕吐”反应的分子细胞和神经环路机制。

要想阐明大脑启动“恶心-呕吐”反应的机制，除了要有合适的动物模型和研究范式外，还需要解开三个长期未解的谜团。第一，胃肠道遭受病原入侵后，究竟是哪类肠道细胞把这一重要的情报交给了迷走神经？第二，迷走神经中负责与肠道“情报员”对接的感觉神经元具有怎样的身份和特征？第三，当大脑接到迷走神经传来的病原入侵的情报后，如何快速同步地启动恶心和呕吐等一系列防御反应？

2022年11月1日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院曹鹏实验室在Cell上在线发表了题为 The gut-to-brain axis for toxin-induced defensive responses 的研究论文【6】。该研究建立了以小鼠为动物模型研究“恶心-呕吐”反应的新范式，并解开了上面的三个谜团，初步揭示了大脑感知病原入侵启动“恶心-呕吐”反应的分子细胞和神经环路机制。

在这个研究课题中,曹鹏团队系统地开展了“恶心-呕吐”反应的神经生物学机制研究（图-1）。首先,他们应用金黄色葡萄球菌产生的肠毒素（Staphylococcal enterotoxin）建立了小鼠食物中毒的研究范式。他们惊奇地发现，摄入肠毒素的小鼠虽然不能呕吐（vomiting），但能表现出“大张嘴”的干呕行为（retching-like behavior）（视频-1）。摄入的肠毒素也能引起小鼠类似“恶心”的厌恶性情绪，从而形成对含有肠毒素的饮料的条件性味觉回避（conditioned flavor avoidance）。因此，小鼠的条件性味觉回避和干呕行为分别模拟了人类食物中毒后引发的“恶心”和“呕吐”防御反应，可作为小鼠食物中毒的研究范式。

（ 图1 ）

大脑感知毒素并启动“恶心-呕吐”反应的神经生物学机制

在肠道上皮中，存在着一类被称为“肠嗜铬细胞（enterochromaffin cell）”的肠道内分泌细胞。应用新建立的食物中毒研究范式，曹鹏团队发现肠嗜铬细胞在“恶心-呕吐”反应中扮演重要角色，可能是帮助大脑感知病原入侵的“情报员”。当胃肠道遭受肠毒素入侵后，这类细胞被激活并大量释放五羟色胺（5-HT）。在肠嗜铬细胞周围分布着表达五羟色胺3型受体基因（Htr3a+）的迷走神经感觉末梢，通过响应五羟色胺来接收病原入侵的重要情报。这一情报通过迷走神经传送到脑干孤束核，被一群表达速激肽基因（Tac1+）的神经元接收到。研究者通过光遗传学（视频-2）和化学遗传学（视频-3）的方法激活这些孤束核Tac1+神经元，可以直接引发小鼠的干呕行为和条件性味觉回避。而失活这些神经元，或敲除Tac1基因，可以阻止病原入侵引发的干呕行为和条件性味觉回避。有趣的是，这些孤束核Tac1+ 神经元兵分两路，一方面激活脑桥中的厌恶中枢（parabrachial nucleus），产生与“恶心”相关的厌恶性情绪；另一方面激活延髓的呼吸中枢（ventral respiratory group），可能通过调节其中负责膈肌和腹肌同时收缩的“干呕”神经元引发干呕的运动行为。

（ 视频2 ）

Tac1+ DVC 神经元的光遗传激活诱发干呕样行为

（ 视频3 ）

Tac1+ DVC 神经元的化学激活可诱导干呕样行为

曹鹏团队进一步深入研究，发现这些分子细胞和神经环路机制也参与了化疗药物（doxorubicin）引发的“恶心-呕吐”副作用。这一发现暗示，化疗药物引发的“恶心-呕吐”副作用，可能是通过绑架进化上保守的“食物中毒”机制得以实现。审稿人认为，这一成果开辟了“恶心-呕吐”反应的分子细胞机制和神经环路机制研究的新方向，有望为发展新型化疗止吐药提供新的靶点。

北京生命科学研究所曹鹏实验室的谢志勇（现任复旦大学脑转化研究院独立PI）、张现营、赵淼，以及生物岛实验室的霍立芳是研究论文的共同第一作者。曹鹏实验室其他成员（黄美珠、张双峰、程欣宇、谷华婷）也对该研究做出了重要贡献。曹鹏博士、谢志勇博士、王凤超博士和尚从平博士是研究论文的共同通讯作者。首都医科大学的李大鹏博士和张晨博士，中国科技大学的占成博士也参与了此项课题，做出了重要贡献。感谢北京生命科学研究所袭荣文研究员和罗敏敏研究员提供重要的小鼠品系。研究课题受到国家自然科学基金委、中国科技部和北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院的大力支持。

热忱欢迎对科学研究有激情和斗志的研究生和博士后加入研究团队，一起探索大脑感知病原入侵引发防御反应的神经机制！！！

1. 世界卫生组织https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/food-safety

2. Hesketh, P.J. (2008). Chemotherapy-induced nausea and vomiting. N. Engl. J. Med. 358, 2482-2494.

3. Horn, C.C. et al., (2013). Why can't rodents vomit? A comparative behavioral, anatomical, and physiological study. PLoS One 8, e60537.

4. Babic, T., and Browning, K.N. (2014). The role of vagal neurocircuits in the regulation of nausea and vomiting. Eur. J. Pharmacol. 722, 38-47.

5. Rojas, C., Raje, M., Tsukamoto, T., and Slusher, B.S. (2014). Molecular mechanisms of 5-HT(3) and NK(1) receptor antagonists in prevention of emesis. Eur. J. Pharmacol. 722, 26-37.

6. Xie, Z. et al., (2022) The gut-to-brain axis for toxin-induced defensive responses. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.001

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01314-9