Vasopressine en de regulatie van dorst

Abstract

Recente experimenten met behulp van optogenetische hulpmiddelen maken de identificatie en functionele analyse van dorstneuronen en vasopressine producerende neuronen mogelijk. Twee belangrijke vorderingen bieden een gedetailleerde anatomie van de smaak voor water en arginine-vasopressine (AVP) afgifte: (1) dorst en AVP afgifte worden niet alleen gereguleerd door de klassieke homeostatische, intero-sensorische plasma osmolaliteit negatieve feedback, maar ook door nieuwe, extero-sensorische, anticiperende signalen. Deze anticiperende signalen voor dorst en vasopressine-afgifte komen samen op dezelfde homeostatische neuronen van circumventriculaire organen die de samenstelling van het bloed controleren; (2) zuur-sensor smaak receptor cellen (die polycysteuze nierziekte 2-like 1 proteïne tot expressie brengen) op de tong die eerder werden voorgesteld als de zure smaak sensoren, bemiddelen ook smaak reacties op water. De tong heeft een smaak voor water. De mediane preoptische kern (MnPO) van de hypothalamus zou meerdere dorst opwekkende stimuli kunnen integreren, waaronder cardiopulmonaire signalen, osmolaliteit, angiotensine II, oropharyngeale en gastrische signalen, waarbij de laatste mogelijk anticiperende signalen vertegenwoordigen. Uitdroging is aversief en de activiteit van de MnPO-neuronen is evenredig met de intensiteit van deze aversieve toestand.

© 2018 The Author(s) Published by S. Karger AG, Basel

In een eerdere Annals of Nutrition and Metabolism , heb ik recente cellulaire en optogenetische dierexperimenten beoordeeld die aantonen dat hersenen circumventriculaire orgaansensoren die reageren op osmotische druk en angiotensine II (AII) subserve de genese van dorst, volumeregulering, en gedragseffecten van dorstvermijding.

Ik beschrijf nu een gedetailleerde bedradingskaart voor dorst (d.w.z, met inbegrip van anticiperende signalen voor dorst en vasopressine afgifte convergeren op dezelfde homeostatische neuronen), circumventriculaire organen die de samenstelling van het bloed te controleren , en de identificatie van specifieke water receptor smaakcellen . De mediane preoptische kern (MnPO) van de hypothalamus zou meerdere dorst opwekkende stimuli kunnen integreren. Deze nieuwe gegevens van optogenetische experimenten gedaan in knaagdieren verklaren bevindingen verkregen bij de mens met behulp van bloed zuurstof niveau-afhankelijke (BOLD) signalen aan te tonen dat de toename van de lamina terminalis (LT) BOLD-signaal waargenomen tijdens een infusie van hypertone zoutoplossing is snel verminderd na waterinname ruim voor een waterabsorptie in het bloed .

Intero-sensorische en extero-sensorische regulatie van dorst en vasopressine-afgifte (Fig. 1)

Intero-sensorische stimuli: perceptie van osmolaliteit (toegenomen bij intracellulaire uitdroging) en, via AII, plasmavolume en perfusiedruk (beide afgenomen bij extracellulaire uitdroging). Het belang van natrium x (Nax) signalen om waterarme van zoutarme condities te onderscheiden.

(a) Osmoreceptorcellen van het subfornicale orgaan (SFO) dragen AII-receptoren en projecteren naar vasopressineproducerende cellen in de supraoptische kern (SON) en paraventriculaire kern (PVH).

Homeostatische neuronen van het SFO zijn osmoreceptorcellen en nemen via hun AII-receptoren het plasmavolume en de vasculaire perfusiedruk waar. Dit is de klassieke intero-sensorische regulatie die verantwoordelijk is voor bewuste dorstwaarneming, aangezien deze neuronen projecteren naar de anterieure cingulate cortex . Deze SFO neuronen zijn ook verantwoordelijk voor de afgifte van vasopressine, aangezien zij projecteren op vasopressine producerende neuronen in de SON en PVH . Extracellulaire vloeistofhyperosmolaliteit stimuleert het dorstgevoel om de wateropname te bevorderen en de afgifte van vasopressine dat de waterreabsorptie in de nier bevordert. Daarentegen onderdrukt extracellulaire hypo-osmolaliteit de basale vasopressine secretie. Dorst en vasopressine-afgifte lijken, tot dusver, een zuiver homeostatische reactie op afwijkingen in intero-sensorische stimuli: osmolaliteit van het bloed, druk, of volume.

(b) Twee typen AII receptor type 1a-positieve excitatoire neuronen bestaan in het subfornicale orgaan. Nax komt tot expressie in gliacellen rond SFO-cellen en dient om waterarme van zoutarme condities te onderscheiden, die beide door AII worden gestimuleerd.

AII drijft zowel dorst als zouthonger aan. Matsuda et al. toonden aan dat dorst en zouthonger worden aangedreven door 2 verschillende groepen AII (receptor type 1a-positief excitatoir) neuronen in het subfornicale orgaan. Neuronen die projecteren naar het organum vasculosum LT controleren de wateropname, terwijl neuronen die projecteren naar het ventrale deel van de bedkern van de stria terminalis de zoutopname controleren. De dorst-prikkelende neuronen worden onderdrukt onder natrium-arme condities. Daarentegen worden de neuronen die de zoutlust opwekken onderdrukt onder vochtarme condities door activatie van GABA-erge neuronen door Nax signalen. Deze verschillende mechanismen in het subfornicale orgaan kunnen aan de basis liggen van de selectieve inname van water en/of zout en kunnen bijdragen tot de homeostase van de lichaamsvloeistoffen (Fig. 2).

De technieken die in de jaren zestig en zeventig werden gebruikt om deze intero-sensorische stimuli te beschrijven, misten de mogelijkheid om dorstneuronen van de LT en vasopressineneuronen die naar de achterste hypofyse projecteren in real time te volgen bij dieren bij bewustzijn, en konden dus niet de extero-sensorische informatie beoordelen die deze processen reguleert.

Extero-sensorische stimulatie anticipeert op dorstprikkeling en vasopressine-afgifte: Importance of Taste Water Receptors

Recente experimenten met optogenetische hulpmiddelen in wakkere dieren tonen aan dat een aanzienlijk deel van het normale drinkgedrag en de vasopressine-afgifte niet rechtstreeks door veranderingen in het bloed worden gereguleerd. In plaats daarvan lijkt dit gedrag te anticiperen op homeostatische veranderingen voordat ze optreden. Anticiperende signalen voor dorst en vasopressine afgifte convergeren op dezelfde homeostatische neuronen, subfornicale orgaan neuronen, die de toniciteit van het bloed controleren. De activiteit van de excitatoire neuronen van het subfornicale orgaan (SFONos1; Fig. 1) , geactiveerd door waterbeperking, keert snel terug naar de basislijn na toegang tot water, lang voordat een meetbare verandering in plasma osmolaliteit optreedt. Deze snelle anticiperende reactie op drinken is gesuggereerd door bloed zuurstof niveau-afhankelijke (d.w.z. functionele magnetische resonantie imaging BOLD signaal) metingen tijdens dorst stimulatie bij mensen. Het BOLD signaal van de anterieure cingulate cortex, waarvan bekend is dat het verantwoordelijk is voor de bewuste perceptie van dorst, daalde snel na waterconsumptie, ruim voor enige systemische absorptie van water. Er is een vertraging van ongeveer 10 minuten tussen de inname van water en de volledige absorptie ervan in de bloedbaan. Deze nieuwe gegevens verklaren hoe drinken binnen enkele seconden de dorst kan lessen, lang voordat het ingenomen water het bloedvolume of de osmolaliteit verandert. De snelle anticiperende reactie op drinken heeft tenminste 2 componenten: een onmiddellijk signaal dat de vochtinname traceert, en een vertraagd signaal dat de toniciteit van het vocht rapporteert, mogelijk gegenereerd door een osmosensor in de slokdarm of de maag.

De recent beschreven watersmaakreceptor cellen zouden dit onmiddellijke signaal kunnen zijn dat de vochtinname traceert. Oka et al. van het California Institute of Technology in Pasadena toonden aan dat de tong een smaak voor water heeft: zij ontdekten dat het aanbrengen van gedeïoniseerd water op de tongen van muizen specifieke smaakzenuwen deed ontvlammen. Dit was te wijten aan een verandering in de pH-waarde van het speeksel naarmate het door het water werd verdund. Het team maakte muizen zo dat hun zure-smaakreceptoren gevoelig werden voor licht. Als reactie op lichtstimulatie probeerden de muizen voortdurend uit een lege fles te drinken – maar alleen als zij daarvoor geen water hadden gekregen. Dit suggereert dat de activering van deze tongcellen het drinkgedrag stuurt wanneer een dier dorst heeft. Muizen die geen zuur-sensor smaakreceptoren hadden, verloren het vermogen om water te onderscheiden van niet-waterige vloeistoffen zoals olie.

Esofageale en/of maagsensoren zouden ook orgaanspecifieke informatie kunnen overbrengen via de sensorische nervus vagus , op een manier die vergelijkbaar is met het concept van eetlustcontrole, voorgesteld door Andermann en Lowell . Dit impliceert een feed-forward controle van de hypothalamus activiteit via externe signalen betreffende etenstijd, voedsel, en beschikbaarheid van water; deze activiteit regelt het eten en de wateropname om toekomstige homeostatische verstoringen te voorkomen. Deze snelle, bidirectionele feedback en feedforward voorspellende signalen zijn alomtegenwoordig; zij zijn beschreven in de controle van voeding, watercircuits, en in het cardiovasculaire systeem. Zoals opgemerkt door Andermann en Lowell die het werk van Carpenter aanhalen, “kan het geheel van de hersenen beschouwd worden als een manier om de hypothalamus te helpen om zijn werk beter te doen, door betere voorspellingen te maken van wat er hierna gaat gebeuren, en wat er waarschijnlijk zal volgen uit de ene handelwijze in plaats van de andere.”

Van uit een Darwinistisch standpunt, de snelle, volumetrisch exacte inname van water (i.e., als gevolg van dorst of een zoutoplossing in het geval van natriumtekort), een groot overlevingsvoordeel met zich meebrengt. Het stelt dieren in staat om naar een water- of zoutbron te gaan, het tekort snel aan te vullen en de plaats te verlaten, waardoor ze minder worden blootgesteld aan roofdieren die geleerd hebben daar te wachten.

Coordinatie van eten, drinken, en vasopressine-afgifte

Eten verhoogt de behoefte aan water om 2 redenen: (1) er is behoefte aan vervanging van de vloeistof die gebruikt wordt voor het slikken (speeksel) en de spijsvertering (water dat uit de circulatie wordt afgeleid naar het maagdarmkanaal); en (2) om de toename van de osmolaliteit van het bloed tegen te gaan, die veroorzaakt wordt door de opname van zouten en andere osmolen uit voedsel. Zoals onlangs beschreven in een overzicht over dorst, worden anticiperende signalen over aan de gang zijnde voedselinname doorgegeven aan de LT via meerdere mechanismen. Zo melden bijvoorbeeld somatosensorische signalen uit de mondholte het inslikken van voedsel of de effecten daarvan op het speeksel. Verder zijn verschillende hormonen geassocieerd met eten en verzadiging voorgesteld om dorstneuronen en vasopressine afgifte te moduleren, waaronder amyline, cholecystokinine, ghreline, histamines, insuline, en leptine. Sommige van deze hormonen zouden verhoogd kunnen zijn bij patiënten met diabetes mellitus en kunnen hun hoge vasopressine plasma concentratie verklaren.

De reacties op drinken en voeden zijn bidirectioneel, maar asymmetrisch. Met behulp van elektrofysiologische opnamen (d.w.z. van genetisch geïdentificeerde SON hypofyse-projecterende vasopressine (VPpp) neuronen in muizen met waterbeperking), observeerden Mandelblat-Cerf e.a. een snelle afname van de neuronactiviteit binnen enkele seconden na de presentatie van signalen die de beschikbaarheid van water aangeven, voorafgaand aan de inname van water. Daarentegen veroorzaakte de inname van droog voedsel – een hyperosmotische uitdaging – een snelle toename van de activiteit van de VPpp neuronen voordat de osmolaliteit van het plasma was toegenomen. Als de prandiale dorst niet wordt gelest door te drinken, dan wordt de verdere voedselconsumptie verminderd; dit fenomeen staat bekend als dehydratie-geïnduceerde anorexia en kan worden waargenomen bij jonge patiënten met congenitale nefrogene diabetes insipidus. Alles bij elkaar verklaren deze nieuwe gegevens de snelheid van dorstverzadiging, het feit dat orale koeling dorstlessend is, en de wijdverspreide coördinatie van eten, drinken, en vasopressine-afgifte. Feedforward signalen voor dorst werken niet parallel en of los van homeostatische dorst neuronen, maar in plaats daarvan werken via homeostatische neuronen.

Anticiperende, feedforward signalen voor dorst en vasopressine afgifte convergeren op dezelfde homeostatische neuronen die de feedback signalen van osmolaliteit en circulerende AII detecteren, zoals getoond in figuur 1. De anticiperende signalen verklaren de snelheid van de dorst verzadiging en de wijdverspreide coördinatie van eten, drinken, en vasopressine afgifte (gewijzigde figuur uit .

Een illustratie van nieuwe gegevens beschreven in dit overzicht op de celtype-specifieke neurale circuits die ten grondslag liggen dorst en vloeistof homeostase in de muis hersenen (gewijzigd van ; , en van Gizowski en Bourque ) wordt getoond in figuur 2. De LT bestaat uit 2 zintuiglijke circumventriculaire organen (de SFO en organum vasculosum van de LT ) en een integratieve structuur (de MnPO). Informatie over osmolaliteit, volume en druk van het plasma komt de LT binnen via gespecialiseerde interoceptieve neuronen in de SFO en OVLT, waarvan sommige intrinsiek osmosensitief en AII-gevoelig zijn (bijvoorbeeld de SFOGLUT neuronen). De LT kernen communiceren met elkaar via een uitgebreid netwerk van bidirectionele projecties dat nog niet volledig celtype-specifiek in kaart is gebracht. Andere paden: (1) buiten de LT, SFOGLUT neuronen projecteren naar de PVH, SON en ventrale bed nucleus van de LT (BNSTvl); (2) projecties van de MnPO en OVLT naar de PVH en SON zijn goed vastgesteld; (3) arginine-vasopressine (AVP) neuronen in de suprachiasmatische kern (SCNAVP neuronen) projecteren naar de OVLT en SON om te mediëren circadiane regulatie van dorst en AVP secretie, respectievelijk.

Watersmaakreceptoren op fungiforme cellen van de tong sturen drinkgedrag. Informatie over plasma-natrium komt het circuit binnen via gespecialiseerde aldosteron-gevoelige neuronen in de nucleus van de solitaire tractus (NTS) die 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 tot expressie brengen (NTSHSD2 neuronen), die de zoutlust bevorderen en projecteren naar de pre-locus coeruleus (pre-LC), parabrachiale nucleus, en BNSTvl.

Disclosure Statement

D.G.B. ontving reiskosten en inschrijfgeld van Danone Nutricia Research voor het bijwonen van de 2017 Hydration for Health Scientific Conference.

Author Contacts

Artikel / Publicatie Details