突觸細胞黏附分子 Cdh6 標識了一類具有獨特結腸運動功能的感覺神經元

核心概念

Cdh6+ 感覺神經元是結腸運動的關鍵驅動因素，其表達的 IH 電流對自發性結腸運動複合體 (CMCs) 的產生至關重要。

摘要

研究論文摘要

參考文獻： Synaptic cell adhesion molecule Cdh6 identifies a class of sensory neurons with novel functions in colonic motility

研究目標： 本研究旨在探討突觸細胞黏附分子作為腸神經系統 (ENS) 中新型細胞類型標記物的潛力，並闡明其在結腸運動中的作用。

方法： 研究人員利用 RNA 範圍原位雜交、免疫組織化學、形態學分析、全細胞膜片鉗記錄和光遺傳學技術，研究了小鼠結腸中 Cdh6+ 神經元的分子、形態和電生理特性，並評估了它們在結腸運動中的功能作用。

主要發現：

• Cdh6 和 Cdh8 這兩種 II 型經典鈣黏蛋白在小鼠結腸的感覺神經元中特異性表達。
• Cdh6+ 神經元表現出腸神經元的所有其他區分性分類，包括標記物 Calcb 和 Nmu 的表達、Dogiel II 型形態和 AH 型電生理學以及 IH 電流。
• 遠端結腸中 Cdh6+ 感覺神經元的光遺傳學激活會引起逆行性結腸運動複合體 (CMCs)。
• 藥理學阻斷與節律性相關的電流 IH 會破壞 CMCs 的自發產生。

主要結論：

• Cdh6 是小鼠結腸中 IPANs 的新型標記物。
• Cdh6+ IPANs 具有產生節律性的內在能力，並在 CMCs 的產生中發揮關鍵作用。
• IH 電流對於 Cdh6+ IPANs 產生自發性 CMCs 至關重要。

意義： 本研究為腸神經元中突觸細胞黏附分子的特異性表達提供了新的見解，並揭示了 Cdh6+ 感覺神經元在調節結腸運動中的關鍵作用。這些發現為理解腸道運動的複雜機制提供了新的思路，並可能為胃腸道疾病的治療提供新的靶點。

局限性和未來研究： 需要進一步的研究來闡明 Cdh6+ IPANs 與其他 ENS 神經元亞型的相互作用，以及 IH 電流調節 CMCs 產生的確切機制。此外，還需要研究這些發現與人類結腸運動的相關性。

統計資料

在小鼠小腸中，Cdh6 mRNA 在 14.7 ± 0.8% 的肌間神經叢神經元中表達，而在遠端結腸中則在 6.8 ± 0.3% 的肌間神經叢神經元中表達。
在空腸和遠端結腸中，所有 Nmu+ 神經元都共表達 Calcb。
相反，空腸中大約只有一半的 Calcb+ 神經元和遠端結腸中三分之二的 Calcb+ 神經元共表達 Nmu。
在遠端結腸中，雖然 Cdh6 僅在所有 Calcb+ 神經元中約三分之二表達，但幾乎所有 Cdh6+ 神經元都表達 Nmu 和 Calcb。
由於插入的轉基因靠近 Cdh6，Hb9:GFP+ 神經元可以表達增強型綠色螢光蛋白 (eGFP)。
eGFP 表達僅限於一小部分 (3.5 ± 0.8%) 的 Cdh6+ 結腸神經元，並且所有 eGFP+ 神經元都表達 Cdh6。
這些細胞的膜電容（反映細胞的總體大小）為 32 ± 8.7 pF；它們的靜息膜電位 (RMP) 為 -49.4 ± 2.9 mV。
根據電壓-電流 (V-I) 關係的斜率計算，輸入電阻 (Rin) 為 393 ± 54.7 MΩ。
所有記錄的神經元都具有大幅度動作電位 (AP; 72 ± 2.5 mV)，閾值為 -26.4 ± 0.9 mV，半峰寬為 1.2 ± 0.1 ms，在流變電流 (20 ± 4.5 pA) 處引發，每個動作電位之後都有一個後超極化 (AHP= -67.7 ± 0.9 mV)。
電壓鉗步進超極化顯示 IH（超極化激活電流）和在復極化時顯示 IT（瞬時內向推測的 Ca2+ 電流）。
tdTomato+ 標記證實了肌間 Cdh6+ 神經元中的標記，約佔神經元總數的 5%。
tdTomato+ 神經元具有較大的細胞體（長軸，27.8 ± 0.7 µm；短軸，15.9 ± 0.4 µm）。
在 Cdh6CreER+;ChR2-eYFP+ 結腸製劑中，我們觀察到以大約 3-5 分鐘的規則間隔出現的自發性 CMCs。
在自發性 CMC（“對照”CMCs）後 60-90 秒，藍光刺激遠端結腸中的 Cdh6+ IPANs 導致在刺激期間開始的誘發性、早發性 CMC（N = 17 次刺激；n = 5 隻小鼠）。
誘發性 CMCs 從遠端結腸逆行傳播到近端結腸。
它們在峰值幅度、曲線下面積和持續時間方面與自發性 CMCs 相似，儘管近端結腸的收縮力（峰值幅度和 AUC）略弱。
在近端或中段結腸中進行藍光刺激未能產生 CMCs（n = 5/5，數據未顯示）。
相比之下，在對照組 Cdh6CreER 陰性；ChR2-eYFP+ 結腸中進行刺激未能誘發任何 CMCs（N = 28 次刺激；n = 7 隻小鼠）。
在己烷季銨鹽存在的情況下，自發性 CMCs 被消除，並且光遺傳學刺激無法誘發 CMCs。
在記錄室中添加 10 µM ZD7288 可消除自發性 CMCs，而洗掉 ZD7288 可恢復自發性 CMCs 活動。
添加 2mM 氯化銫也會損害或改變典型 CMCs 的自發性節律性產生；節律性收縮的頻率增加（近端結腸，n = 5/6；遠端結腸，6/6），幅度減小（近端結腸，n = 5/6；遠端結腸，n = 4/6，p = 0.0606），或者在某些情況下甚至包括顯著的逆行力分量（近端結腸，n = 2/6；遠端結腸，n = 2/6）。

引述

“這些發現提供了選擇性激活單一神經化學和功能類別的腸神經元的首次證明，並證明了感覺神經元在 CMCs 產生中的功能性和關鍵作用。”
“我們的研究表明，在小鼠遠端結腸的肌間神經叢中，Cdh6 僅在 Calcb+/Nmu+ IPANs 中表達，而在小腸中，Cdh6 也在一些 Calcb+/Nmu- 和 Calcb-/Nmu- 神經元中表達。”
“我們通過電生理記錄揭示 AH 型特徵，並通過單個神經元追踪顯示 Dogiel II 型形態，證實了 Cdh6+ 結腸神經元的 IPAN 特性。”
“最後，我們證明了遠端結腸中 IPANs 的激活會引起逆行性 CMCs，而藥理學阻斷 IH（一種與節律性相關的電流，我們證明在小鼠結腸 IPANs 中也存在）會破壞自發性 CMCs 的產生。”
“值得注意的是，這些標記物顯示出與另一種鈣黏蛋白 Cdh9 不同的表達模式，Cdh9 僅在小鼠小腸中表達，而在結腸中不表達。”
“儘管 IPANs 定位為通過激活腸神經迴路中的其他亞型來啟動運動，但它們在自發性 CMCs 中的作用一直存在爭議，因為 CMCs 可能在沒有管腔內容物、沒有任何明顯的 IPANs 感知刺激或在刺激產生一氧化氮的細胞群時發生。”
“我們的結果表明，僅僅興奮遠端結腸中的 IPANs 就能夠產生逆行性 CMCs。”
“一個主要的觀察結果是，IPANs 的光遺傳學刺激很容易從遠端結腸誘發 CMCs，但從未從近端結腸誘發 CMCs。”
“近端結腸刺激未能誘發 CMCs 可能反映了 IPANs 募集下行通路產生的抑制作用；或者相反，遠端結腸刺激的高效性可能反映了激活上行興奮性膽鹼能通路的偏差。”
“此外，我們在近端結腸中的刺激模式可能沒有基於光密度和照射激活足夠的 IPANs。”
“自發性和誘發性 CMCs 在己烷季銨鹽中被消除，證實 CMCs 同步放電依賴於菸鹼型膽鹼能傳遞。”
“這再次證明了菸鹼型膽鹼能傳遞對於更大程度地激活和同步整個 ENS 運動網絡以產生 CMCs 是必需的。”
“通過我們使用電壓鉗對遠端結腸中 IPANs 進行的電生理學研究，我們的工作揭示了兩種電壓門控離子電導及其潛在電流 IT 和 IH 的存在。”
“緩慢 AHP、IH 和 IT 此前已被確定為大鼠和豚鼠 IPANs 的顯著特徵。”
“儘管先前的研究注意到豚鼠 Dogiel II 型神經元中存在 IH 並提出了 IT，但由於傳統上依賴於無法進行電壓鉗的尖電極記錄，因此它們以前沒有在完整的小鼠遠端結腸肌間神經叢的研究中被報導過。”
“IPANs 中這兩種電流的存在類似於丘腦皮質中繼神經元和其他細胞類型，在這些細胞類型中支持內在節律性，並且可能同樣促進結腸 IPANs 中的自主節律性活動。”
“IH 通過超極化激活的環核苷酸門控 (HCN) 通道傳導。”
“HCN 通道家族成員 HCN1 和 HCN2 已被證明存在於小鼠遠端結腸 Dogiel II 型神經元中，並且 RNA 測序 ENS 篩選同樣表明它們在 IPANs 中表達。”
“在小鼠中敲除 HCN2 會導致嚴重的生長受限表型，這是由於營養不良和胃腸道運動障礙造成的。”
“在這裡，我們證明了用兩種不同的 HCN 通道阻滯劑 ZD7288 和氯化銫對 IH（我們證明在 IPANs 中存在）進行藥理學阻斷會消除 CMCs，CMCs 是小鼠結腸中一種持續存在的運動活動模式。”
“我們推測，與丘腦皮質神經元一樣，結腸 IPANs 中的 IH 在促進節律性振盪單個神經元活動或網絡爆發放電或兩者兼而有之中發揮作用。”
“阻斷 IH 可能會損害單個 IPANs 節律性放電的能力，或者 IPANs 同步進入網絡爆發放電模式的能力。”
“IPANs 未能完全激活和同步可能會阻止產生 (1) 運動迴路的同步節律性肌間神經網絡激活，以及 (2) 在 CMCs 期間總和為更大收縮力的同步收縮。”
“最後，我們注意到 II 型鈣黏蛋白是同源性突觸細胞黏附分子。”
“將兩種 II 型鈣黏蛋白 Cdh6 和 Cdh8 的表達限制在小鼠結腸 IPANs 中，提高了這些鈣黏蛋白支持 IPAN-IPAN 突觸連接的可能性。”
“雖然廣義上講，IPANs 不知道接收突觸輸入，並且實際上已通過電生理學方法通過缺乏突觸輸入來表徵，但一些工作實際上表明可能存在 AH-AH 神經元互連對。”
“對腸神經元突觸的免疫組織化學和電子顯微鏡研究進一步表明，推測為 IPANs 的鈣結合蛋白陽性神經元確實接收突觸，儘管比非鈣結合蛋白神經元少，並且其中一些突觸也具有鈣結合蛋白反應性。”
“這些觀察結果為提出的“IPAN 驅動迴路”理論提供了信息，在該理論中，IPANs 形成一個相互連接的正反饋網絡，以同步和放大感覺信號，從而激活大片腸神經迴路。”
“相比之下，最近有人提出，ENS 大區域的激活是由中間神經元網絡驅動的。”
“進一步的研究可能會確定突觸黏附分子（例如 Cdh6 和 Cdh8）是否實際上支持“IPAN 驅動迴路”背後的 IPAN-IPAN 突觸。”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Synaptic cell adhesion molecule Cdh6 identifies a class of sensory neurons with novel functions in colonic motility

by Gomez-Fritte... 於 www.biorxiv.org 08-08-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.08.06.606748v1

深入探究

Cdh6+ IPANs 的發現如何推動針對胃腸道疾病（如腸易激綜合徵）的新療法發展？

Cdh6+ IPANs 的發現為治療腸易激綜合徵 (IBS) 等胃腸道疾病開闢了新的途徑，它為開發更精確、副作用更小的療法帶來了希望。以下是一些潛在的治療策略：

靶向 Cdh6+ IPANs 以調節腸道運動： IBS 的一個主要症狀是腸道運動異常，表現為腹瀉或便秘。由於 Cdh6+ IPANs 在啟動結腸運動複合體 (CMCs) 中起著至關重要的作用，因此針對這些神經元可能有助於恢復正常的腸道運動。例如，開發可以選擇性激活 Cdh6+ IPANs 的藥物可以緩解便秘。相反，抑制這些神經元的活性可能有助於治療腹瀉型 IBS。
調節 IH 電流以控制腸道節律性： 研究表明，Cdh6+ IPANs 中的超極化激活電流 (IH) 對於產生自發性 CMCs 至關重要。因此，調節 IH 電流可能是治療 IBS 的另一個靶點。增強 IH 電流可以促進腸道運動，而抑制它可以減緩腸道運動。
開發基於 Cdh6 的生物標記物以進行個性化治療： Cdh6 可以作為 IBS 患者的潛在生物標記物。通過分析患者的 Cdh6 表達水平或功能，醫生可以更準確地診斷 IBS 並制定個性化治療方案。

然而，需要進一步的研究來充分了解 Cdh6+ IPANs 在 IBS 中的作用，並開發安全有效的治療方法。

如果 Cdh6+ IPANs 的激活實際上抑制了近端結腸中的 CMCs，那麼是什麼機制導致了這種區域特異性效應？

如果 Cdh6+ IPANs 的激活抑制了近端結腸中的 CMCs，則可能存在以下幾種機制導致這種區域特異性效應：

神經迴路差異： 近端和遠端結腸的神經迴路可能存在差異。遠端結腸的 Cdh6+ IPANs 可能主要通過興奮性膽鹼能通路投射到上行神經元，從而觸發 CMCs。相反，近端結腸的 Cdh6+ IPANs 可能主要通過抑制性通路（例如，抑制性中間神經元或嘌呤能神經元）投射到下行神經元，從而抑制 CMCs。
受體分佈差異： 近端和遠端結腸的腸神經元上可能表達不同亞型的膽鹼能受體或其他神經遞質受體。這些受體亞型可能對 Cdh6+ IPANs 釋放的神經遞質表現出不同的反應，從而導致區域特異性效應。
腸道激素的調節作用： 腸道激素，例如胃泌素和膽囊收縮素，可以調節腸道運動。這些激素在近端和遠端結腸的濃度可能不同，並且可能差異性地調節 Cdh6+ IPANs 的活性或其下游神經元的興奮性。

需要進一步的研究來闡明這些潛在機制，並確定導致近端結腸中 Cdh6+ IPANs 激活產生抑制效應的確切原因。

除了神經元活動，還有哪些其他因素可能影響腸道運動的節律性和協調性？

除了神經元活動，還有許多其他因素可以影響腸道運動的節律性和協調性，包括：

Cajal 間質細胞 (ICCs)： ICCs 是位於腸道平滑肌層中的起搏細胞，它們產生慢波電位，驅動腸道平滑肌的節律性收縮。ICCs 的功能障礙會導致腸道運動障礙，例如胃輕癱和慢性便秘。
腸道激素： 如前所述，腸道激素可以調節腸道運動。例如，胃泌素可以刺激胃腸道平滑肌的收縮，而生長抑素可以抑制胃腸道平滑肌的收縮。
免疫細胞： 腸道中存在大量的免疫細胞，它們可以釋放細胞因子和其他炎症介質，影響腸道運動。例如，在炎症性腸病 (IBD) 中，免疫細胞釋放的炎症介質會導致腸道運動過度活躍，從而導致腹瀉。
腸道微生物群： 腸道微生物群可以通過產生短鏈脂肪酸 (SCFAs) 和其他代謝物來影響腸道運動。SCFAs 可以激活腸道上皮細胞和神經元上的受體，從而調節腸道運動。
機械刺激： 食物在腸道中的機械刺激可以激活腸道壁上的機械感受器，觸發腸道運動反射。

總之，腸道運動的節律性和協調性受到神經元活動、ICCs、腸道激素、免疫細胞、腸道微生物群和機械刺激之間複雜相互作用的影響。了解這些因素之間的相互作用對於開發治療腸道運動障礙的新療法至關重要。