研究簡介:動物進化出對不同時間尺度的氧氣變化產生穩態反應。雖然調控長期低氧反應（hypoxia）的缺氧誘導因子（HIF）轉錄通路已被確立1，但哺乳動物急性缺氧反應的調控通路仍不清楚。研究首次揭示嗅覺受體Olfr78在小鼠頸動脈體（carotid body，CB）的急性低氧感知中扮演關鍵角色。作者通過RNA-seq與微陣列篩查發現，Olfr78在CB的I型球細胞（glomus cells）中高度選擇性表達，而在功能相似卻不急性響應低氧的腎上腺髓質中幾乎不表達。Olfr78-/-突變鼠在10%O?刺激下呼吸頻率和分鐘通氣量不增加，但對5%CO?的高碳酸反應正常，證明缺陷特異于低氧通路。本研究發現，嗅覺受體Olfr78在頸動脈體的氧敏感球細胞（glomus cells）中高度特異性表達。頸動脈體是位于頸動脈分叉處的化學感受器官，可在血氧下降時數秒內觸發呼吸增強。電生理記錄顯示，Olfr78缺失顯著削弱缺氧誘導的竇神經放電，而細胞數量與超微結構保持完好。體外實驗進一步表明，缺氧或氰化物抑制線粒體后迅速升高的乳酸（lactate）可劑量依賴性激活Olfr78（EC??≈4 mM），并誘發球細胞內鈣瞬變；在Olfr78-/-組織，該反應消失。研究人員提出機體缺氧→線粒體受抑→乳酸堆積→乳酸作為“代謝信使”結合Olfr78→球細胞去極化→竇神經放電→腦干呼吸中樞驅動通氣。該模型把傳統“直接氧感受”修正為“代謝狀態感受”，為急性缺氧通氣調控提供新分子框架，并提示Olfr78可能成為調控呼吸的潛在藥靶。

Unisense微電極系統的應用

unisense微電極用于實時監測灌流槽內ACSF或生理緩沖液的PO?，以精確控制缺氧刺激的起始與強度。將傳感器校準于實驗溫度（33–34℃或室溫），插入記錄槽，連續讀出電壓信號；在從95%O?/5%CO?切換至95%N?/5%CO?過程中，PO?從625 mmHg降至60 mmHg的時間曲線被用于關聯竇神經放電變化。unisense微電極被精確量化灌流液PO2動態變化（從基線625 mmHg降至60 mmHg），為神經放電實驗提供標準化缺氧刺激，驗證超氧條件（95%O2/5%CO2）下乳酸刺激的特異性，排除低氧干擾。通過高時空分辨率氧監測，確保實驗條件可控性，為機制研究提供關鍵環境參數驗證。

實驗結論

嗅覺受體Olfr78在頸動脈體的氧敏感球細胞（glomus cells）中高度特異性表達。頸動脈體是位于頸動脈分叉處的化學感受器官，可在血氧下降時數秒內觸發呼吸增強關鍵詞：電纜細菌，電生硫化物氧化，硫酸鹽還原，淡水沉積物，隱秘硫循環。Olfr78突變體在缺氧時無法增加通氣量，但對高碳酸血癥（hypercapnia）反應正常。突變體的球細胞數量、結構完整，但缺氧誘導的頸動脈體活性降低。乳酸（hypoxia中快速積累的代謝物，可誘導過度通氣3-6）在異源表達實驗中激活Olfr78，觸發球細胞鈣瞬變，并通過Olfr78刺激頸動脈竇神經活性。除嗅覺功能外，Olfr78通過感知缺氧時產生的乳酸，在呼吸調控回路中充當缺氧傳感器。

圖1、Olfr78在頸動脈體球細胞中的表達。a.通過RNA測序比較成年小鼠頸動脈體（CB）與腎上腺髓質（AM）中26，728個基因的表達水平。以每10^7條比對reads的對數（log2）表示。b.在CB和/或AM中高表達的嗅覺受體（OR）基因；X表示CB相對于AM的富集倍數。c–f.Olfr78敲入報告小鼠（Olfr78-GFPtaulacZ）的X-gal染色（藍色，β-半乳糖苷酶活性）。c.腎上腺，未見報告基因表達。d.頸動脈分叉背面觀，可見CB（虛線圈）及偶見血管（箭頭）e，f.頸動脈分叉橫切面及局部放大。g，h.CB切片免疫染色：Olfr78報告基因（GFP，綠色）與球細胞標志物酪氨酸羥化酶（TH，紅色）共定位；不與內皮標志物CD31（紅色）共定位。DAPI染核（藍色）。i–k.頸動脈分叉腹面觀X-gal染色：i.CB（虛線圈）由竇神經（實心箭頭）支配，后者為舌咽神經（空心箭頭）分支。j.異位“微球體”（MG）同樣受舌咽神經支配。k.巖神經節（箭頭）、結狀/頸靜脈神經節（箭頭）均無報告基因表達。l.Olfr78報告基因在CB發育過程中的表達時間軸：實心圓＝強表達；空心圓＝未檢出。

圖2、Olfr78缺失小鼠對缺氧及高碳酸的通氣反應。通過全身體積描記法測定清醒、自由活動Olfr78+/+與Olfr78-/-同窩鼠的呼吸頻率（RR）、潮氣量（TV）及分鐘通氣量（MV=RR×TV）。a，b.缺氧（10%O?）刺激下的RR（a）及缺氧反應百分比變化（b）。c，d.高碳酸（5%CO?）刺激下的RR（c）及高碳酸反應百分比變化（d）

圖3、Olfr78介導頸動脈體氧感受。a，b.Olfr78+/+與Olfr78-/-CB切片：GFP（綠）、TH（紅）、DAPI（藍）。突變體結構正常。c.CB中TH陽性細胞計數。d–g.透射電鏡：野生型與突變型球細胞均含大核（*）、大致密芯囊泡（空箭頭）及小清芯突觸囊泡（實箭頭）。h，i.以竇神經放電頻率評估CB對缺氧（h）及低pH（i）的反應。灰線示灌流液PO?時間曲線

圖4、乳酸激活Olfr78并刺激頸動脈體感覺活動。a.在HEK293T中利用雙報告基因檢測乳酸對Olfr78的激活（空載體灰線，Olfr78黑線）。b.麻醉小鼠缺氧3 min后的動脈血乳酸水平。c，d.GCaMP3標記球細胞在缺氧、乳酸（30 mM）、氰化物（2 mM）刺激下的鈣反應。e.野生型與Olfr78-/-CB對30 mM乳酸的竇神經放電反應。f.氧感受模型：缺氧→線粒體受抑→乳酸↑→結合Olfr78→球細胞Ca2?↑→呼吸驅動。

圖5、暴露于低氧和高二氧化碳環境下的Olfr78?/?突變體的潮氣量和分鐘通氣量。未束縛、未麻醉的Olfr78+/+對照組和Olfr78?/?突變體同窩仔鼠的全身體積描記。a、b）暴露于低氧環境下的動物的潮氣量（TV）和分鐘通氣量（MV）。n=9（+/+），8（?/?）只動物。c、d）暴露于高二氧化碳環境下的動物的潮氣量和分鐘通氣量。n=4（+/+），5（?/?）只動物。

結論與展望

本研究是斯坦福大學團隊最新研究成果發表在《Nature》上，本研究揭示了嗅覺受體Olfr78在頸動脈體氧感知中的關鍵作用。傳統觀點認為頸動脈體通過直接檢測血氧變化調節呼吸，但具體機制存在爭議。團隊通過RNA測序發現嗅覺受體Olfr78在頸動脈體（92倍于腎上腺髓質）高表達，且特異性定位在氧敏感的球細胞（glomus cells）中。基因敲除實驗顯示，Olfr78缺失小鼠在缺氧條件下無法增加通氣量，但對高碳酸血癥反應正常，表明其特異性參與低氧反應。電生理記錄進一步證實，突變體的頸動脈竇神經在缺氧時放電活動顯著減弱。本研究提出創新機制：缺氧時乳酸快速積累（3-6 mM），通過激活Olfr78（EC50=4.0 mM）觸發球細胞鈣瞬變和神經信號傳導。這一發現將代謝產物（乳酸）與氧感知直接關聯，解釋了為何線粒體抑制劑（如氰化物）能模擬缺氧效應。團隊還驗證了乳酸在體外（HEK293T細胞）和體內（頸動脈體切片）均能激活Olfr78通路，而敲除小鼠對該刺激無反應。該研究不僅揭示了急性缺氧反應的分子機制，還拓展了嗅覺受體在非嗅覺生理功能中的新角色。unisense微電極在本研究中應用于實時監測灌流槽內ACSF或生理緩沖液的PO?，以精確控制缺氧刺激的起始與強度。unisesne微電極系統通過高時空分辨率氧監測，確保實驗條件可控性，為機制研究提供關鍵環境參數驗證。