胃腸道處于持續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這些運(yùn)動(dòng)被胃腸內(nèi)容物所調(diào)控，并通過(guò)機(jī)械分解和推動(dòng)來(lái)幫助消化。腸道中的機(jī)械感知被認(rèn)為對(duì)于調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)是必不可少的；然而，目前對(duì)于參與這種感知的神經(jīng)元群體、涉及的分子以及功能影響尚不清楚。

機(jī)械敏感性通道PIEZO2是由2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主美國(guó)分子生物學(xué)家和神經(jīng)學(xué)家Ardem Patapoutian發(fā)現(xiàn)的。研究表明它不僅在感知輕觸和本體感知等生理過(guò)程中起著至關(guān)重要的調(diào)控作用，還在內(nèi)部感知中發(fā)揮關(guān)鍵功能。

近日，Ardem Patapoutian團(tuán)隊(duì)在Cell上發(fā)表研究，證實(shí)了PIEZO2蛋白在感知腸道內(nèi)容物和調(diào)節(jié)胃、小腸和結(jié)腸中食物傳輸速率方面的重要性，進(jìn)一步完善了背根神經(jīng)節(jié)中PIEZO2蛋白的作用。該研究為我們深入理解機(jī)體對(duì)于消化過(guò)程中的感知與調(diào)控提供了新的見解。

1. PIEZO2缺乏的個(gè)體中存在胃腸道功能障礙

為了解PIEZO2在人體胃腸功能中的作用，我們對(duì)攜帶PIEZO2缺失功能變異的個(gè)體進(jìn)行了胃腸道健康和病史評(píng)估，并通過(guò)使用PROMIS問(wèn)卷收集了患者報(bào)告的胃腸癥狀。研究結(jié)果顯示[Fig.1]，PIEZO2缺陷個(gè)體在胃腸功能方面存在感知障礙，如排便異常和胃腸不適，影響其生活質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)揭示了PIEZO2在人類胃腸生理和病理生理學(xué)中的重要作用，為進(jìn)一步研究胃腸功能障礙的發(fā)病機(jī)制和治療提供了新的線索。

Figure 1 PIEZO2缺乏個(gè)體中存在胃腸功能障礙

2. 感覺神經(jīng)元中Piezo2對(duì)于小鼠胃腸功能是必需的

為研究神經(jīng)元Piezo2在胃腸道功能中的作用，研究人員構(gòu)建了外周感覺神經(jīng)元Piezo2特異性敲除鼠模型（Piezo2SNS小鼠）[Fig.2A]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與Piezo2WT同胞對(duì)照相比，Piezo2SNS小鼠的胃腸道通過(guò)時(shí)間加快[Fig.2B]，糞便水含量顯著增加[Fig.2C,D]，干糞便重量顯著較低[Fig.2E,H]，糞便尺寸較小[Fig.2F,G]。有趣的是，在禁食的Piezo2SNS和Piezo2WT小鼠之間沒有觀察到任何差異[Fig.2I]。提示腸道內(nèi)容物施加的機(jī)械信號(hào)通過(guò)Piezo2直接或間接地在體內(nèi)調(diào)節(jié)胃腸道通過(guò)，且Piezo2依賴的胃腸道通過(guò)“減速”僅發(fā)生在充實(shí)的胃腸道內(nèi)。

Figure 2感覺神經(jīng)元中Piezo2通道調(diào)控小鼠胃腸道功能

3. 小鼠體感神經(jīng)元Piezo2對(duì)胃腸道傳輸起重要作用

Piezo2 在影響胃腸道運(yùn)動(dòng)的細(xì)胞中表達(dá)，包括支配腸道的脊髓和迷走神經(jīng)起源的外在神經(jīng)元，以及小腸和結(jié)腸的腸嗜鉻細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用 Phox2bCre鼠，特異性敲除迷走神經(jīng)節(jié)中的Piezo2后，小鼠的胃腸道傳輸時(shí)間和排便頻率，以及糞便水含量、干糞重量和新鮮糞便尺寸都無(wú)明顯異常[Fig.3A]。使用 Hoxb8Cre靶向尾部 DRG 和腸道上皮細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胃腸道傳輸時(shí)間加速，排便頻率增加，糞便水含量增加，糞便尺寸（干燥和新鮮）減少[Fig.3B]，與Piezo2SNS模型相似。

使用Vil1Cre鼠，特異性敲除腸道上皮細(xì)胞中的Piezo2后，小鼠的排便頻率、水含量、糞便尺寸和重量都無(wú)明顯異常[Fig.3C]。在鞘內(nèi)注射 AAV-PHP.s 病毒去除DRG神經(jīng)元中的Piezo2后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠胃腸道傳輸時(shí)間顯著減少，排便頻率增加[Fig.3D]。這些發(fā)現(xiàn)提示DRGs中的Piezo2對(duì)維持胃腸道傳輸穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。

Figure 3小鼠背根神經(jīng)節(jié)中Piezo2對(duì)于胃腸道傳輸是必要的

4. 神經(jīng)元Piezo2介導(dǎo)了小鼠的胃排空、腸傳輸和結(jié)腸傳輸

為了調(diào)查Piezo2表達(dá)的體感神經(jīng)元是否調(diào)節(jié)整個(gè)胃腸道的運(yùn)動(dòng)功能。研究人員用一種不可吸收的近紅外熒光染料（GastroSense-750）灌胃Piezo2SNS和野生型仔鼠[Fig.4A]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在灌胃后30分鐘和45分鐘觀察到Piezo2SNS小鼠胃排空速度較野生型對(duì)照組更快[Fig.4B]；在十二指腸植入導(dǎo)管輸注染料，并量化了繞過(guò)胃的腸道傳輸時(shí)間[Fig.4C]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Piezo2SNS小鼠的小腸傳輸時(shí)間顯著減少[Fig.4D]；在盲腸植入導(dǎo)管輸注染料到結(jié)腸，繞過(guò)胃和小腸來(lái)直接檢查結(jié)腸傳輸[Fig.4E]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Piezo2SNS小鼠的結(jié)腸傳輸時(shí)間顯著減少[Fig.4F]。

這些數(shù)據(jù)表明，在腸內(nèi)容物存在的情況下，Piezo2感覺神經(jīng)元調(diào)節(jié)胃、小腸和結(jié)腸的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。另外，研究者還進(jìn)行了腹腔神經(jīng)節(jié)切除術(shù)（CGX）[Fig.4G]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CGX后野生型小鼠的胃腸道傳輸時(shí)間顯著縮短，而Piezo2SNS組沒有變化[Fig.4H]，結(jié)果提示，感覺神經(jīng)元中的效應(yīng)通過(guò)交感神經(jīng)作用于胃腸道傳輸，并且Piezo2-外部感覺神經(jīng)支配產(chǎn)生GI傳輸加速的上限效應(yīng)。

Figure 4神經(jīng)元中Piezo2調(diào)控小鼠的胃排空、小腸傳輸和結(jié)腸傳輸

5. Piezo2表達(dá)的體感神經(jīng)支配胃腸道

將AAV9-flex-GFP通過(guò)硬膜外注射到Piezo2Cre小鼠（Piezo2-ires-Cre:AAV9-flex-GFP，Piezo2GFP）中[Fig.5A]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在胃腸道的下部，結(jié)腸呈現(xiàn)出最高的神經(jīng)支配密度和最豐富的IGVE網(wǎng)絡(luò)[Fig.5B,C]。有趣的是，整體制片顯像顯示Piezo2GFP標(biāo)記主要在胃內(nèi)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)節(jié)內(nèi)擴(kuò)張末梢（IGVEs）[Fig.5D]。提示源自DRG的Piezo2感覺末梢支配胃、小腸和結(jié)腸，以IGVEs為主要形態(tài)。

Figure 5 Piezo2表達(dá)的DRG神經(jīng)元可支配胃腸道

6. 背根神經(jīng)節(jié)中Piezo2可以感知結(jié)腸擴(kuò)張

為了研究小鼠對(duì)直腸擴(kuò)張的反應(yīng)，研究人員在Piezo2SNS和Piezo2WT小鼠中引入了玻璃珠并量化其排出時(shí)間[Fig.6A]。在使用1 mm和2 mm珠子時(shí)，我們沒有觀察到兩組小鼠排出時(shí)間的顯著差異[Fig.6B,C]。然而，當(dāng)使用較大的3 mm珠子時(shí)，與Piezo2WT對(duì)照組相比，Piezo2SNS小鼠的珠子排出時(shí)間顯著增加[Fig.6D]。當(dāng)測(cè)試4 mm珠子時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Piezo2SNS小鼠的珠子排出時(shí)間明顯延遲[Fig.6E]。

接下來(lái)，為探討Piezo2是否直接需要感知胃腸道內(nèi)的機(jī)械刺激。研究人員采用結(jié)腸制備方法，在麻醉的小鼠中引入軟刷并充氣結(jié)腸，同時(shí)使用鈣敏感指示劑GCaMP6f記錄DRG神經(jīng)元的活動(dòng)[Fig.6F]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Piezo2WT小鼠在經(jīng)過(guò)皮膚刺激（噴氣、輕撫和有害夾緊）后的骶1級(jí)（S1）神經(jīng)元表現(xiàn)出快速而強(qiáng)烈的反應(yīng)[Fig.G,H]。引入和拿出結(jié)腸軟刷，并在Piezo2WT小鼠中充氣結(jié)腸球后出現(xiàn)鈣響應(yīng)[Fig.6G-I]。對(duì)溫和刺激（噴氣和刷過(guò)）的反應(yīng)在Piezo2cKO小鼠的體感神經(jīng)元中明顯減弱[Fig.6G,J]，證實(shí)了Piezo2在觸摸感覺中的作用。值得注意的是，Piezo2cKO小鼠的所有結(jié)腸刺激反應(yīng)（刷子插入和取出以及充氣球）均被消除，僅有對(duì)疼痛夾緊的反應(yīng)保留[Fig.6G,J,K]。以上結(jié)果提示，來(lái)自DRG神經(jīng)元Piezo2是結(jié)腸擴(kuò)張的關(guān)鍵感受器。

Figure 6 背根神經(jīng)節(jié)中的Piezo2是結(jié)腸擴(kuò)張的關(guān)鍵感受器

總結(jié)

綜上，本研究證實(shí)背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中的Piezo2是感知胃腸內(nèi)容物并減慢食物在胃、小腸和結(jié)腸中傳輸速率所必需的。這對(duì)于胃腸內(nèi)容物如何觸發(fā)機(jī)械感知的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元來(lái)控制胃腸系統(tǒng)傳輸提供了分子和細(xì)胞層面的解釋。目前尚不清楚感覺末梢中的Piezo2是檢測(cè)胃腸內(nèi)容物通過(guò)腸道還是由胃腸內(nèi)容物觸發(fā)的持續(xù)性腸道收縮。

文章還提出多個(gè)未來(lái)研究方向：

• Piezo2離子通道在迷走神經(jīng)元和腸神經(jīng)元中的作用；

• 在環(huán)境因素（飲食、壓力和運(yùn)動(dòng)）改變時(shí)不同的神經(jīng)和非神經(jīng)系統(tǒng)如何相互作用來(lái)協(xié)調(diào)腸道運(yùn)動(dòng)；

• 明確PIEZO2在胃腸疾病中功能如何改變。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.07.006

參考文獻(xiàn)

Servin-Vences MR, Lam RM, Koolen A, et al. PIEZO2 in somatosensory neurons controls gastrointestinal transit. Cell. 2023;186(16):3386-3399.e15. doi:10.1016/j.cell.2023.07.006

編譯作者：Lily（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）






標(biāo)簽：腦科學(xué)