迷走神经传入和传出刺激对胰岛素分泌和血糖调节的影响

摘要

介绍

1958年首次植入心脏起搏器（Aquilina）半个多世纪后2006)人们对生物电子学重新产生了兴趣，特别是对刺激外周活动以缓解临床症状的设备（匿名，2014). 可植入的迷走神经刺激器属于这类设备，1988年植入了第一台人类迷走神经刺激器，用于治疗癫痫发作（Penry和Dean1990). 自那时以来，慢性颈迷走神经刺激（VNS）已成为一种新的工具，用于治疗癫痫以外的多种人类疾病，包括抑郁症（Rush等人。2000)和肥胖（Ogbonnaya和Kaliaperumal2013; Bodenlos等人。2014; Chiu和Soffer2015). 具体而言，在接受慢性VNS治疗难治性癫痫的患者中观察到体重显著减轻（Burneo等人。2002)或严重抑郁症（Bodenlos等人。2007; Pardo等人。2007). 因为肥胖是导致II型糖尿病的最重要诱因之一，慢性颈部VNS可能对糖耐量受损、代谢综合征或显性II型糖尿病患者有益。副交感神经系统的代谢效应进一步支持了这种可能性。Ribeiro等人。（Ribeiro等人。2015)研究表明，在血压正常的大鼠中，作用于中枢神经系统的胰岛素导致肝葡萄糖释放减少，同时伴有膈下迷走神经活动增加。同样，Tanida等人。（Tanida等人。2015)发现在直接电刺激小鼠肝脏副交感神经纤维的过程中，血糖浓度显著降低。除了抑制肝脏葡萄糖释放外，迷走神经还控制胰岛胰岛素和胰高血糖素的分泌。对切开的心下胸迷走神经远端的电刺激增加了猪胰腺中胰岛素和胰高血糖素的释放（Holst等人。1981年)和狗（Ahren和Taborsky1986). 这种反应在很大程度上取决于当时的血糖浓度，因为高血糖水平会导致胰岛素释放增加，而低血糖浓度会导致胰高血糖素释放增加，以应对传出性VNS（Holst等人。1981年). 总的来说，这些研究表明，指向肝脏的传出迷走神经活动抑制了肝葡萄糖的释放，而指向胰岛的传出迷走活动不仅在高血糖状态下刺激胰岛素分泌，而且在低血糖状态下也可以刺激胰高血糖素的分泌。

虽然传出副交感神经系统活动的降血糖作用已得到合理证实，但从内脏器官（包括肝脏和胰腺）向中枢神经系统传递感觉信息的传入副交感通路对葡萄糖代谢的影响尚不清楚。逆行追踪技术已经清楚地确定了肝脏的传入副交感神经支配（马格尼和卡罗比1983)和胰岛细胞（Neuhuber1989). 迷走神经肝支传入纤维的直接神经记录显示门静脉葡萄糖浓度与传入肝迷走神经活动（Niijima1984)，这可能会向大脑发出低血糖水平的信号并启动食物摄入（Jensen等人。2013). Iwasaki等人。（Iwasaki等人。2013)发现支配胰腺的迷走神经传入神经元对胰岛素敏感，可能向大脑传递胰腺和可能全身胰岛素水平的变化。虽然从这些和类似的研究中可以学到很多，但中枢神经系统的迷走神经传入信号对葡萄糖代谢的净影响仍然未知。

VNS最成熟的临床应用是用于治疗难治性癫痫（FDA于1997年批准）和抑郁症（FDA在2005年批准）。在这些应用中，颈部迷走神经受到电刺激。虽然VNS在这些条件下的治疗作用机制尚不清楚，但它们被认为是通过激活投射到孤束核的传入纤维（Ogbonnaya和Kaliaperumal2013). 然而，颈部VNS可能会激活传入和传出通路，如传出VNS的副作用所示，如支气管收缩（Bijwadia等人。2005; Gschliesser等人。2009). 尽管颈部VNS已应用于患者20多年，但据我们所知，其对人类糖代谢的潜在影响从未被评估过。虽然传出性颈部VNS可能通过抑制肝葡萄糖释放和刺激胰腺胰岛素分泌而引起低血糖效应，但传入性颈部VNS可能向大脑发出门静脉低血糖水平和胰腺高胰岛素浓度的错误信号，从而引发高血糖反应，如肝脏葡萄糖释放和胰岛素分泌抑制。

为了研究传出和传入颈部VNS对葡萄糖代谢的潜在对比作用，我们在麻醉大鼠的一项急性研究中研究了选择性传出和传入颈VNS对糖代谢的影响。我们的假设是传出性颈部VNS降低血糖浓度，而传入性颈部VNS增加血糖浓度。作为一种实验方法，我们分别在迷走神经完整或离选择性传出或传入VNS刺激电极近端或远端切断的情况下，记录连续颈部VNS 120分钟前后的血糖浓度、血清胰岛素和胰高血糖素水平。重要的是，我们的结果证明了颈部VNS传入和传出对胰岛素分泌和血糖的不同影响。

方法

实验方案

器械植入后，麻醉维持在氧气中1.2–1.5%的异氟烷。通过将动脉导管连接到压力传感器（P23 ID，Gould‐Statham，Oxnard，CA）和放大器（Series 4000，Gould，Inc.，Cleveland，OH）来记录血压和心率。放大器的输出连接到A/D转换器（ADUSB4CH，Harald Stauss Scientific，Iowa City，IA），用于使用免费提供的HemoLab软件的WinAD模块进行数据采集(http://www.haraldstaus.com/HaraldStausScientific/hemolab). 使用Dataquest A.R.T.软件（明尼苏达州圣保罗DSI 4.35版）记录血糖浓度。

实验方案由三个实验条件组成，如图所示1在9只动物中，迷走神经保持完整，以进行传入和传出联合刺激。在8只动物中，从刺激电极的近端切断神经以选择性刺激迷走神经，在7只动物中从刺激电极远端切断迷走神经以选择性地刺激传入神经。在建立稳定的基线条件后，启动并维持连续VNS（5 Hz、3 V、1毫秒脉冲宽度、刺激器SD9、格拉斯仪器、沃里克、RI）2小时。然后，刺激器被关闭，动物被安乐死。在VNS前基线检查时以及VNS开始后30分钟和120分钟，从动脉线上采集血样，以测量血糖浓度以及胰岛素和胰高血糖素的血清浓度。

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图1

迷走神经传入和传出联合刺激的典型反应(越南国家标准，左）和选择性传入（中）或传出（右）越南国家标准.从上到下记录动脉血压(英国石油公司)，心率(人力资源)和血糖浓度。血糖、胰岛素和胰高血糖素测量的血样在基线检查前进行越南国家标准在30分钟和120分钟越南国家标准（箭头）。

结果

图1显示了在三种实验条件下（传入和传出VNS以及选择性传入或传出VNS）对VNS的血压、心率和血糖浓度反应的典型示例。输入性VNS（无论是作为传入和传出的复合VNS还是作为选择性传入VNS）导致血糖浓度强烈而持续的升高。相反，在选择性输出VNS的情况下，8只动物中有5只在VNS 120分钟后血糖浓度仅暂时升高并恢复到基线水平，甚至比基线水平降低了10 mg/dL以上。

VNS的血流动力学反应

记录动脉血压和心率，以通过立即的心动过缓反应验证VNS的反应性（如图1)确保麻醉期间心血管状况稳定。在VNS的30分钟和120分钟时间点，无论是传入和传出复合VNS还是选择性传入VNS条件下的平均血压与基线相比均无明显变化。对于选择性传出性VNS，在VNS 120分钟后观察到血压略有下降（图2，顶部）。在三种实验条件下的所有动物中，当刺激器打开时，心率开始下降，但逐渐恢复到基线水平。心率的最初下降伴随着短暂的短暂低血压反应（图1). 在选择性传入和传出VNS条件下，心率在刺激30分钟后已恢复到基线水平，而在传入和传出复合VNS条件中，心率仅在VNS 120分钟时恢复到其基线水平（图2，底部）。

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图2

平均动脉血压(英国石油公司)和心率(人力资源)迷走神经刺激前(越南国家标准（基线检查时），以及传入和传出联合启动后30分钟和120分钟越南国家标准（左，n=9）和选择性传入（中，n=7）或传出（右，n=8）越南国家标准.*与基线检查时相比，P<0.05。

VNS期间的血糖调节

选择性传入性VNS或传入和传出性VNS联合引起血糖浓度强烈持续升高。与基线相比，VNS 30分钟后，血糖浓度增加至182.7±18.9%（传入和传出VNS合并）和146.8±10.0%（选择性传入VNS），在VNS 120分钟时进一步增加至208.9±20.9%和177.6±15.4%（图三). 相反，选择性传出性VNS仅暂时升高血糖浓度（30分钟时为+28.8±11.7%），然后恢复到基线水平（图三).

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图3

迷走神经刺激前血糖浓度（顶部）、血清胰岛素（中部）和胰高血糖素（底部）浓度(越南国家标准（基线检查时），以及传入和传出联合启动后30分钟和120分钟越南国家标准（左侧，n=9代表葡萄糖，n=5代表胰岛素和胰高血糖素）和选择性传入（中间，n=7代表葡萄糖，n=5代表胰岛素和胰高糖素）或传出（右侧，n=8代表葡萄糖，n=6代表胰岛素和胰岛素）越南国家标准.*与基线检查时相比，P<0.05。^#与30分钟相比，P<0.05。

尽管血糖浓度显著增加，但无论是结合传入和传出VNS还是选择性传入VNS，胰岛素血清水平都没有显著增加，这表明传入VNS抑制胰岛素分泌（图三). 相反，在选择性传出VNS的情况下，胰岛素水平在VNS的120分钟内增加（30分钟时为+57.1±17.4%，120分钟时为+71.2±27.0%），并且胰岛素血清水平的增加在VNS的120分钟达到统计学意义。

传出VNS作用30分钟后，血清胰高血糖素浓度显著升高（传入和传出VNS联合作用和选择性传出VNS分别为+72.1±14.5%和+31.6±8.3%）。在结合传入和传出VNS的120分钟VNS的剩余时间里，血清胰高血糖素浓度保持升高（+57.6±23.4%），但在选择性传出VNS的情况下恢复到基线水平（图三). 与传出性VNS相比，选择性传入性VNS没有增加血清胰高血糖素浓度（图三).

讨论

先前关于副交感神经对葡萄糖代谢的控制的研究主要集中在肝脏和胰腺的传出副交感神经元，而传入副交感通路的作用却很少受到关注。早期，这些实验研究利用电刺激解剖位置靠近这些效应器官的迷走神经纤维的远端（岛津1967; 岛津和阿马川1968; Holst等人。1981年; Ahren和Taborsky1986). 然而，临床上最常用的VNS方法是电刺激完整的颈迷走神经。因此，我们的研究旨在探讨颈部VNS传入和传出对葡萄糖代谢的可能差异影响。我们研究中最重要且可能是最新的发现是，传入性颈部VNS导致血糖浓度强烈且持续增加，而不伴有血清胰岛素浓度的增加，表明胰岛素分泌的抑制至少在一定程度上促成了颈部传入性VNS强烈而持续的高血糖效应。

传入和传出VNS联合引起严重和持续的高血糖，但不刺激胰岛素分泌。这种持续的高血糖可归因于传入性VNS，因为选择性传入VNS可观察到类似的持续血糖反应，而选择性传出VNS则没有。令人惊讶的是，伴有VNS的显著且持续的高血糖（传入和传出或选择性传入的结合）未能触发血清胰岛素浓度的升高。因此，与我们在本研究和其他研究中证明的传出性VNS相反（Holst等人。1981年; Ahren和Taborsky1986)为了刺激胰岛素分泌，传入VNS抑制内分泌胰腺的胰岛素分泌。传入VNS抑制胰岛素分泌的潜在负反馈回路可能在内分泌胰腺开始和结束。已经证明，起源于内分泌胰腺的迷走神经传入的结节神经节神经元被胰岛素激活，可能有助于将胰腺胰岛素水平的变化传递给大脑（Iwasaki等人。2013). 这些胰岛素反应性迷走神经传入纤维激活结状神经节中的神经元，这些神经元被认为投射到孤束核（NTS），而孤束核的投射源于下丘脑区域，如弓状核和室旁核（PVN），参与调节食物摄入和自主神经系统活动（Morton等人。2006). 这些通路可能会激活投射到延髓头端腹外侧（RVLM）和脊髓中间外侧细胞柱（IML）的交感前神经元（例如PVN中的神经元）（Saper等人。1976; 斯旺森和库珀斯1980; Luiten等人。1985; 巴多尔1996; Morton等人。2006)并通过交感内脏神经返回内分泌胰腺，在内分泌胰腺中，交感内脏器神经纤维已被证明抑制胰岛素分泌（Holst等人。1981亿; Andersson等人。1982). 简言之，我们的结果表明，当胰岛素分泌增加时，传入VNS可能模拟源自胰腺的生理感觉传入副交感神经激活，从而通过内分泌胰腺的代偿性交感刺激导致随后的胰岛素分泌抑制。然而，来自肝脏的传入副交感神经通路也可能参与了传入VNS对胰岛素分泌的抑制作用。李和米勒（李和米勒1985)电刺激肝迷走神经中央端抑制胰岛素分泌。

传入性VNS对胰岛素分泌的抑制与传入和传出性VNS联合以及选择性传入性VNS观察到的持续高血糖相一致。然而，其他机制可能有助于在所有三种实验条件下观察到的血糖浓度的初始增加（组合传入和传出VNS以及选择性传入或传出VNS）。在传出性VNS（选择性或与传入性VNS结合）的情况下，血糖浓度的最初增加可能是胰腺副交感神经支配的直接结果α基于VNS触发胰高血糖素释放的发现的细胞（Bloom和Edwards1981; Holst等人。1981年). 与这些研究一致，我们的结果表明，随着传出性VNS，血清胰高血糖素浓度显著增加。这种血清胰高血糖素浓度的增加在传出和传入VNS联合刺激的整个120分钟内持续存在，但在选择性传出VNS中只是暂时的。由于胰岛素是胰高血糖素释放的强烈抑制剂α细胞（Holst等人。1981亿; Kaneko等人。1999; Kawamori等人。2009)可以合理地假设，选择性传出VNS导致的胰岛素血清水平升高解释了选择性传出VNS导致的血清胰高血糖素时间进程的短暂性。相反，通过传入VNS抑制胰岛素释放可阻止胰岛素介导的胰高血糖素释放抑制α细胞，有助于结合传入和传出VNS观察到的血糖水平升高。

有趣的是，选择性传入VNS引起的血糖水平升高并没有伴随着血清胰高血糖素浓度的升高。因此，可能还涉及其他机制，如交感神经系统触发的肝葡萄糖释放（岛津1967; 岛津和阿马川1968; Järhult等人。1980; Tanida等人。2015)可通过上述途径通过传入VNS激活（Saper等人。1976; 斯旺森和库珀斯1980; Luiten等人。1985; 巴多尔1996; Morton等人。2006). 在这方面，Järhult等人。（Järhult等人。1980)在麻醉猫中，电刺激肝交感神经仅能适度增加血糖浓度，而对肝脏和胰腺的交感神经联合刺激则会导致血糖浓度强烈而显著的升高。重要的是，在肝脏和胰腺交感神经联合刺激的情况下，血糖浓度的增加伴随着血清胰岛素浓度的降低（Järhult等人。1980). 因此，在我们的研究中观察到的选择性传入VNS引起的血糖浓度升高可能同样是交感神经介导的肝葡萄糖释放与交感神经调节的胰腺胰岛素释放抑制相结合的结果β细胞。

本研究的局限性在于，它是在异氟烷麻醉的大鼠中进行的。已发现浓度为2%的异氟醚可抑制大鼠胰岛的胰岛素分泌（Desborough等人。1993). 尽管我们将异氟醚浓度保持在1.5%以下，但不能排除通过传入VNS观察到的胰岛素释放抑制可能部分与异氟醚麻醉有关的可能性。然而，传出性VNS仍显著增加胰岛素血清水平，表明异氟醚麻醉尚未完全阻断胰岛素释放。然而，异氟醚麻醉可能降低了基线胰岛素分泌，减缓了胰岛素血清水平对传入性VNS的进一步降低。因此，有可能在清醒大鼠中，传入刺激可能会抑制胰岛素分泌，使血清水平降至基线水平以下。在另一项研究中，我们研究了慢性VNS对高血压诱导的心血管终末器官损伤的影响，我们在清醒的自发性高血压大鼠VNS期间获得了血糖读数。初步数据（未发表）表明，传入和传出VNS的结合不仅在麻醉状态下增加血糖浓度，麻醉可能会抑制胰岛素分泌，而且在清醒状态下也会增加血糖浓度。

考虑到宫颈VNS被用作治疗难治性癫痫和严重抑郁症的批准治疗方法，并进一步考虑到传入途径被认为介导VNS在这些情况下的治疗效果（Ogbonaya和Kaliperumal2013)，本研究中发现的传入颈部VNS的高血糖作用可能具有潜在的临床相关性。我们在麻醉大鼠中的实验可能不会直接转化为接受VNS治疗的患者的情况。然而，在我们的研究中，高血糖加上对传入性VNS的胰岛素分泌抑制，可能有理由研究VNS对接受VNS治疗的患者糖代谢的影响，据我们所知，到目前为止还没有研究过。另一方面，如果有可能设计选择性刺激传出迷走神经纤维的刺激装置，VNS可能是治疗胰岛素抵抗、代谢综合征甚至II型糖尿病的一种选择。

总之，本研究结果表明，颈部VNS（传入和传出结合VNS）增加了麻醉大鼠的血糖浓度，并表明传入而非传出VNS抑制胰腺胰岛素分泌。需要进一步研究慢性VNS（如癫痫或抑郁症患者）是否通过传入VNS抑制胰岛素释放而降低糖耐量。同样，进一步研究选择性传出VNS在糖尿病前期和糖尿病状态下控制血糖水平的潜在应用似乎也很重要。

利益冲突

未申报。

笔记

Meyers E.E.、Kronemberger A.、Lira V.、Rahmouni K.、Stauss H.M。。迷走神经传入和传出刺激对胰岛素分泌和血糖调节的影响,生理学代表,4(4)，2016，e12718，doi:10.14814/phy2.12718 [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者]

笔记

资金筹措信息

这项研究得到了爱荷华大学医院和诊所高血压研究中心的试点拨款支持。此外，K.R.还得到了美国国立卫生研究院（HL084207）、美国心脏病协会（14EIA18860041）和爱荷华州大学鹰兄弟会糖尿病研究中心的支持。

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