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肠道的节奏,能被一束光提前拨动吗?

Journal of neurogastroenterology and motility · 2023-07-01

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Journal of neurogastroenterology and motility · 研究前沿

肠道的节奏,能被一束光提前拨动吗?

小鼠离体结肠研究发现,激活Kit标记的Cajal间质细胞可提前引出低频大幅度收缩,并增加收缩频率;振幅未显著增加,ANO1相关阻断使光诱发收缩消失。

原论文Figure2A结肠肌层的红色ChR2相关荧光细胞网络视野

结肠肌肉并不是每次都等待一条神经指令才收缩。肠壁中的Cajal间质细胞(ICC)参与产生电活动节奏,再把信号传给平滑肌。慢波如何与一次具体收缩联系起来,是理解肠道动力的关键问题。这个节拍器能否被从外部拨快?2023年7月30日发表于 Journal of Neurogastroenterology and Motility 的研究,在小鼠Kit标记细胞中表达光敏蛋白ChR2,观察离体结肠肌条。团队发现,光可以让原本间歇出现的一次大幅度收缩提前到来,也让这一类收缩更频繁;改变的主要是节奏,而不是每次都收缩得更强。

关键发现

离体结肠肌条中,单次光激活引出提前发生的低频大幅度收缩,周期性激活提高这类收缩频率,振幅没有显著增加;ANO1相关药理阻断同时抑制自然节律收缩与光诱发收缩。

阅读目录 · 6个部分

肠壁里,有一套把电节奏传给肌肉的网络

ICC分布在肠壁不同层次,与平滑肌和其他间质细胞协作,也接收肠神经系统的影响。它们产生的慢波是一种节律性膜电位变化,能够传到邻近平滑肌,为阶段性收缩提供电活动基础。肠壁的运动由多个成员共同完成:平滑肌产生力量,ICC参与安排电节奏,神经和其他间质细胞又影响这套协作。研究因此把问题落在其中一个环节上,看看改变起搏细胞活动,能够牵动哪种收缩。

研究以Kit标记细胞为入口,让其中一部分表达ChR2。结肠肌层中,红色荧光与Kit标记大体重叠,但并非所有Kit细胞都被覆盖。组织图像让这套可响应光的细胞网络,与后面的肌条收缩观察联系起来。

原论文图 2肠壁里,有一套把电节奏传给肌肉的网络
肠壁里,有一套把电节奏传给肌肉的网络
原论文 Figure 2:结肠肌层中ChR2相关红色荧光及Kit标记的重叠,对照未见同样红色表达;标记覆盖并非完全。
来源:Zhao S et al. · Journal of neurogastroenterology and motility · CC BY-NC
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一次光照,让下一次大收缩提前到来

肌条本来就有两种可见节奏:较频繁的小幅收缩,以及间歇出现的低频大幅度收缩。表达组的大幅收缩基线频率较低,振幅和持续时间与对照相近。光照之后,提前出现的大幅收缩主要见于表达组,较频繁的小幅收缩没有同样改变。

研究还在一次自然大收缩刚结束、通常尚未出现下一次的时段考察光照,表达组仍更容易出现新的大收缩。这样的时间关系,让“提前拨动节拍”的效果更加清楚,也把两种收缩模式区分开来。

原论文图 3一次光照,让下一次大收缩提前到来
一次光照,让下一次大收缩提前到来
原论文 Figure 3:自然收缩模式及光相关提前收缩,表达组基线大幅收缩频率较低;振幅和时长基线比较相近。
来源:Zhao S et al. · Journal of neurogastroenterology and motility · CC BY-NC
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节拍连续推进,次数增加,振幅仍相近

周期性激活后,表达组的大幅收缩次数增加,多次收缩跟随光照节奏出现,频率也相应升高。对照肌条的次数和频率没有显著变化。原来稀疏出现的收缩,由此变得更密集。

然而,单次收缩振幅没有显著增加,表达组整段记录的力量积分也未显著增加。更多次数并不自动意味着更大的累积力量;这一结果将调节节奏与增强收缩强度分成了两个问题。肌条的力量记录同时含有较小、较频繁的活动和间歇的大幅收缩。某一类收缩变得密集,整段记录的总变化仍由多种活动共同决定,这也解释了为什么频率与力量需要分别观察。

原论文图 4节拍连续推进,次数增加,振幅仍相近
节拍连续推进,次数增加,振幅仍相近
原论文 Figure 4:周期性激活增加表达组大幅收缩次数和频率;振幅未显著增加,表达组整段力量积分的前后增加亦不显著。
来源:Zhao S et al. · Journal of neurogastroenterology and motility · CC BY-NC
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阻断ANO1相关活动,光的效果也随之消失

ANO1是与ICC活动密切相关的钙激活氯通道。药理阻断之后,两组肌条的自然阶段性收缩都受到抑制,平均记录力量下降;表达组原先能被光引出的提前大收缩,也不再出现。

光敏蛋白带来的收缩变化,需要依托组织原有的活动系统。阻断结果将光诱发收缩与ANO1相关过程联系起来,也让ICC活动与肌肉收缩之间的协作成为机制分析的重点。

原论文图 5阻断ANO1相关活动,光的效果也随之消失
阻断ANO1相关活动,光的效果也随之消失
原论文 Figure 5:ANO1相关药理阻断降低自然阶段性收缩,并使表达组光诱发的大幅收缩消失。
来源:Zhao S et al. · Journal of neurogastroenterology and motility · CC BY-NC
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从光敏细胞到平滑肌,是怎样的接力?

作者提出的模型从ChR2引起内向电流开始:ICC膜电位升高,可能招募钙通道,钙变化再与ANO1活动相互作用,形成更强的去极化。电变化通过细胞间连接传给平滑肌,再影响肌肉中的钙活动和收缩。

这是一幅串联电信号与力量的机制图景。此次主要测量肌条力量,并没有逐一记录这条链中的细胞膜电位、钙变化和慢波。不同层次ICC的贡献也尚未区分,模型为理解结果提供了解释,而完整接力过程仍需逐段验证。

原论文图 6从光敏细胞到平滑肌,是怎样的接力?
从光敏细胞到平滑肌,是怎样的接力?
原论文 Figure 6:作者提出的机制模型,连接ChR2、ICC去极化、钙及ANO1过程和经细胞连接传向平滑肌的信号。
来源:Zhao S et al. · Journal of neurogastroenterology and motility · CC BY-NC
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节奏可以改变,运输效果仍是另一个问题

这些结果来自正常小鼠的离体结肠肌条,并没有在活体中测量内容物推进。收缩出现得更频繁,与整条结肠协调地向前运输,是不同层次的运动表现;后者还涉及肠神经系统和多处肌肉的配合。

研究的具体推进,在于把肠壁节拍细胞的活动与一次次收缩的时间联系起来。一个能被提前引出的收缩,以及一组能够变密的节拍,为研究ICC如何参与结肠运动提供了可以直接观察的现象。

论文信息

Zhao S, Tong W.
An Optogenetics-based Approach to Regulate Colonic Contractions by Modulating the Activity of the Interstitial Cells of Cajal in Mice
Journal of neurogastroenterology and motility · 2023-07-30
DOI: 10.5056/jnm22181