胃腸道 (GI) 在協(xié)調(diào)消化和屏障免疫的過程中會(huì)經(jīng)歷多種機(jī)械力。這些過程的核心調(diào)控者是腸神經(jīng)系統(tǒng) (ENS)，它能夠檢測(cè)管腔壓力，從而獨(dú)立于中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的外部輸入來調(diào)節(jié)蠕動(dòng)。然而，胃腸道中約5億個(gè)腸神經(jīng)元如何感知并響應(yīng)機(jī)械力仍不清楚。
基于此，2025年3月24日西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院Ruaidhr?′ Jackson研究團(tuán)隊(duì)在Cell雜志發(fā)表了“Enteric neuronal Piezo1 maintains mechanical and immunological homeostasis by sensing force”揭示了腸道神經(jīng)元Piezo1通過感知力來維持機(jī)械和免疫穩(wěn)態(tài)。
在此研究中，作者發(fā)現(xiàn)機(jī)械感受器Piezo1在膽堿能腸神經(jīng)元中功能性表達(dá)。通過光遺傳學(xué)刺激Piezo1陽性的膽堿能腸神經(jīng)元可驅(qū)動(dòng)結(jié)腸運(yùn)動(dòng)，而Piezo1的缺失則會(huì)降低膽堿能神經(jīng)元的活性并減緩蠕動(dòng)。此外，膽堿能腸神經(jīng)元中Piezo1的缺失會(huì)消除運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的胃腸道運(yùn)動(dòng)加速。最后，作者揭示了腸神經(jīng)元中的Piezo1功能對(duì)于結(jié)腸炎中的運(yùn)動(dòng)變化至關(guān)重要，并起到預(yù)防異常炎癥和組織損傷的作用。
圖一 Piezo1 特異性表達(dá)在膽堿能腸神經(jīng)元中
作者整合了三個(gè)公開可用的小鼠腸神經(jīng)元單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)集研究機(jī)械敏感性Piezo離子通道在腸神經(jīng)系統(tǒng)中的表達(dá)譜。雖然Piezo2僅在一部分中間神經(jīng)元/內(nèi)在初級(jí)傳入神經(jīng)元（IPANs）中表現(xiàn)出有限的表達(dá)，而Piezo1在由膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶陽性（ChAT+）標(biāo)記的多個(gè)膽堿能簇中高度表達(dá)，包括超過50%的所有興奮性運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。此外，通過對(duì)人類腸神經(jīng)元數(shù)據(jù)集的挖掘，發(fā)現(xiàn)PIEZO1也由人類膽堿能神經(jīng)元表達(dá)。接下來，作者對(duì)從Ai9fl/flPirtcre小鼠中酶解分離的單個(gè)tdTomato+腸神經(jīng)元進(jìn)行了RT-qPCR發(fā)現(xiàn)在所有腸神經(jīng)元中約有26.7%表達(dá)Piezo1，而超過91.7%的Piezo1+腸神經(jīng)元是膽堿能神經(jīng)元。為了驗(yàn)證Piezo1在ENS中的原位表達(dá)，構(gòu)建了在Piezo1+細(xì)胞中表達(dá)flpo重組酶的Piezo1flpo小鼠。作者在小鼠結(jié)腸的幾種細(xì)胞類型中檢測(cè)到了Piezo1驅(qū)動(dòng)的GFP表達(dá)。由腸神經(jīng)元Piezo1驅(qū)動(dòng)的GFP在胃中未觀察到，但在小腸、盲腸和結(jié)腸中表達(dá)，主要在膽堿能肌間神經(jīng)元中表達(dá)。Piezo1在所有腸神經(jīng)元（由抗Hu+腸神經(jīng)元胞體標(biāo)記物鑒定）中約有15%表達(dá)，并在結(jié)腸中超過20%的膽堿能神經(jīng)元中表達(dá)。幾乎所有鑒定出的Piezo1+神經(jīng)元都共表達(dá)ChAT。還進(jìn)一步確認(rèn)了PIEZO1蛋白在Piezo1tdTomato融合蛋白報(bào)告基因小鼠品系的肌間膽堿能神經(jīng)元中表達(dá)。此外，發(fā)現(xiàn)PIEZO1定位于黏膜中的神經(jīng)元突起。
圖二 光遺傳學(xué)和化學(xué)遺傳學(xué)操控Piezo1陽性膽堿能腸神經(jīng)元可調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)
為了研究Piezo1+腸神經(jīng)元在結(jié)腸中的功能，作者采用了一種交叉遺傳學(xué)方法生成Piezo1flpoChATcre ReaChR-mCitrinestop/stop小鼠。觀察到只有當(dāng)Piezo1flpo、ChATcre與ReaChR-mCitrinestop/stop轉(zhuǎn)基因共表達(dá)時(shí)，mCitrine熒光才在ChAT+腸神經(jīng)元中特異性表達(dá)。盡管mCitrine在ChAT+腸神經(jīng)元中表達(dá)，但在背根神經(jīng)節(jié)、結(jié)節(jié)神經(jīng)節(jié)或腹腔神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)元群體中未檢測(cè)到表達(dá)。對(duì)從Piezo1flpoChATcre ReaChR-mCitrinestop/stop小鼠中分離出的mCitrine+和mCitrine-腸神經(jīng)元進(jìn)行了膜片鉗記錄。光學(xué)刺激僅在mCitrine+細(xì)胞中激活了依賴于光強(qiáng)度的全細(xì)胞內(nèi)向電流。在體外實(shí)驗(yàn)中，對(duì)Piezo1+膽堿能腸神經(jīng)元進(jìn)行光遺傳學(xué)刺激顯著增加了來自Piezo1flpoChATcreReaChR-mCitrinestop/stop小鼠的完整結(jié)腸段的CMMC（結(jié)腸遷徙運(yùn)動(dòng)復(fù)合體）反應(yīng)，而在對(duì)照組中沒有觀察到類似效應(yīng)。為了探究自由活動(dòng)的小鼠中光遺傳學(xué)激活Piezo1+ ChAT+腸神經(jīng)元是否能夠加速結(jié)腸運(yùn)動(dòng)，作者使用了先前報(bào)道的一種可植入無線設(shè)備，光遺傳學(xué)激活Piezo1+膽堿能腸神經(jīng)元縮短了玻璃珠從小鼠結(jié)腸排出所需的時(shí)間。為了研究急性抑制Piezo1+膽堿能神經(jīng)元是否能夠在體內(nèi)減緩胃腸道運(yùn)動(dòng)，將Piezo1flpo ChATcre小鼠與hM4Di小鼠雜交，為了檢測(cè)Piezo1flpoChATcreGi和對(duì)照組小鼠在接受CNO處理后的總胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，給小鼠灌胃了胭脂紅紅色染料，并測(cè)量了第一顆紅色糞便排出的時(shí)間延遲。抑制Piezo1+ ChAT+神經(jīng)元顯著降低了腸道運(yùn)動(dòng)。此外，還通過測(cè)量口服給予的異硫氰酸熒光素（FITC）-葡聚糖沿Piezo1flpoChATcreGi和對(duì)照組小鼠胃腸道的分布來評(píng)估胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)。抑制Piezo1+ ChAT+神經(jīng)元活性導(dǎo)致腸道運(yùn)動(dòng)減弱。最后，作者測(cè)試了膽堿能神經(jīng)元中的Piezo1活性是否也是加速結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)所必需的，方法是將玻璃珠插入Piezo1flpoChATcreGi和對(duì)照組小鼠的結(jié)腸中。急性破壞Piezo1+ ChAT+神經(jīng)元活性顯著延遲了結(jié)腸玻璃珠的排出。
圖三 Piezo1 對(duì)于興奮性膽堿能腸神經(jīng)元加速胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)是必需的
研究表明Piezo1在ENS的神經(jīng)元中高度表達(dá)，并且僅與Hand2或Chat在腸神經(jīng)元群體中共表達(dá)。與其他外在感覺神經(jīng)元相比，Piezo1、Chat和Hand2在這些神經(jīng)元中的表達(dá)有限。在ENS及膽堿能肌間神經(jīng)元中敲除Piezo1會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元活動(dòng)減少，進(jìn)而引起胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)延遲。通過一系列實(shí)驗(yàn)，包括使用carmine紅染料測(cè)量胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間、FITC-葡聚糖測(cè)定法以及玻璃珠排出實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Piezo1的缺失導(dǎo)致胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)速度減慢，水含量減少。從抑制性腸神經(jīng)元中條件性敲除Piezo1并不影響胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)或結(jié)腸長度，表明Piezo1對(duì)興奮性膽堿能神經(jīng)元的作用更為關(guān)鍵。通過向Piezo1fl/fl小鼠的結(jié)腸壁注射AAVGFP-cre病毒或?qū)φ詹《荆ˋAVGFP），進(jìn)一步驗(yàn)證了Piezo1在膽堿能結(jié)腸腸神經(jīng)元中的作用對(duì)于維持正常的結(jié)腸運(yùn)動(dòng)是必需的。使用6-羥基多巴胺（6-OHDA）處理以消除交感神經(jīng)元后，盡管已知交感神經(jīng)元可以減緩腸道運(yùn)動(dòng)，但即使在沒有交感神經(jīng)支配的情況下，膽堿能神經(jīng)元中Piezo1的丟失仍然導(dǎo)致胃腸道運(yùn)動(dòng)減少。這強(qiáng)調(diào)了Piezo1在膽堿能神經(jīng)元中的重要性獨(dú)立于交感神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)。
圖四 全文摘要圖
總結(jié)
作者的研究結(jié)果揭示了腸神經(jīng)系統(tǒng)在分子水平上如何直接感知管腔壓力。證明Piezo1在腸神經(jīng)系統(tǒng)中選擇性且功能性表達(dá)，并在維持蠕動(dòng)、增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)期間的胃腸道（GI）動(dòng)力以及預(yù)防炎癥性腸?。↖BD）小鼠模型中的組織損傷方面起關(guān)鍵作用。通過采用交叉遺傳學(xué)策略，發(fā)現(xiàn)腸神經(jīng)系統(tǒng)中的Piezo1陽性膽堿能興奮性神經(jīng)元是長期以來尋找的機(jī)械感受器，負(fù)責(zé)檢測(cè)胃腸道壓力，并且在體內(nèi)對(duì)于維持正常的胃腸道動(dòng)力和免疫穩(wěn)態(tài)是十分必要的。
文章來源
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.02.031
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