腸の「第二の脳」では、健康の主要な因子が出現 | クアンタマガジン

一口食べ物を飲み込んだ瞬間から体から排出される瞬間まで、腸はこの奇妙な外部物質を処理するために苦労しています。 チャンクを小さなビットに分割する必要があります。 健康的な栄養素を毒素や病原体から区別し、有益なものだけを吸収する必要があります。 そして、部分的に加工された食品を、口、食道、胃、腸を通って外へというさまざまな消化工場を通って一方向に移動させながら、これらすべてを行います。

「生きていくためには消化が必要だ」 マリッサ・スカヴッツォ、オハイオ州ケースウェスタンリザーブ大学の博士研究員。 「私たちはそれを毎日行っていますが、よく考えてみると、それは非常に異質で異質なものに思えます。」

食物を分解するには、筋肉細胞や免疫細胞から血管やリンパ管に至るまで、数十種類の細胞と多くの組織にわたる調整が必要です。 この取り組みを主導しているのは、食道から直腸まで腸壁を縫うように通過する、腸神経系として知られる腸独自の神経細胞ネットワークです。 このネットワークは脳からほぼ独立して機能します。 実際、その複雑さから「第二の脳」というあだ名が付けられています。 そして、脳と同じように、ニューロンとグリアという XNUMX 種類の神経系細胞で構成されています。

グリアは、かつてはニューロン間の空間を埋める単なる接着剤であると考えられていましたが、20世紀のほとんどの間、脳内ではほとんど無視されました。 明らかに、ニューロンは物事を実現する細胞であり、電気的および化学的信号伝達を通じて、私たちの思考、感情、行動を具体化します。 しかし、ここ数十年で、グリアは受動的な奉仕者としてのアイデンティティを脱ぎ捨てました。 神経科学者 ますます発見されました グリアは、かつてはニューロン専用と思われていた脳や神経系において生理学的役割を果たしているということです。

同様のグリア計算が腸内でも現在行われています。 多くの研究は、腸内グリアが消化、栄養吸収、血流、免疫反応においてさまざまな積極的な役割を果たすことを指摘しています。 他の研究では、腸内に存在するグリア細胞の多様性と、それぞれの種類がこれまで知られていなかった方法でどのようにシステムを微調整するかを明らかにしています。 まだ査読されていない最近の研究では、食物が消化管を移動するときにそれを感知し、その途中で食物を収縮させて移動させるよう腸組織に信号を送るグリア細胞の新しいサブセットが特定された。

腸内グリアは「多くの異なる組織タイプと生物学的プロセスの境界面に位置しているようだ」と述べた。 セイデ・ファラナク・ファタヒ、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の細胞分子薬理学の助教授。 彼らは「さまざまな生理学的役割の間の多くの点を結びつけています」。

現在、それらは特定の胃腸障害や痛みの症状と関連していると考えられています。 スカヴッツォ氏は、腸内でそれらが果たすさまざまな役割を理解することは、治療法を開発する上で重要になる可能性があると述べた。 「これが腸内のグリア細胞のルネッサンスの始まりのようなものであることを願っています。」

グリアは何でもする

科学者たちは腸内グリアについて XNUMX 世紀以上前から知っていましたが、最近まで誰もグリアを研究するためのツールを持っていませんでした。 研究者は、ニューロンが発火する活動電位を検出することでニューロンを検査できる可能性があります。 しかし、ニューロンと比較すると、グリア細胞は電気生理学的に「退屈」だという。 ブライアン・グルブランセン、ミシガン州立大学の神経科学准教授。 健康な腸組織の維持におけるそれらの役割を指摘したいくつかの報告を除けば、それらは依然として十分に研究されておらず、過小評価されていました。

それはここXNUMX年ほどで変わりました。 科学者がグリアの遺伝子活動を操作したり、さまざまな方法で視覚化したりできる新しいツールは、「腸神経系に対する見方を劇的に変えた」と同氏は述べた。 キース・シャーキー、カルガリー大学の生理学および薬理学の教授。 たとえば、グルブランセンがシャーキーの研究室のポスドク研究員だったときに開発した方法であるカルシウムイメージングにより、細胞内のカルシウムレベルを追跡することでグリアの活動を分析できるようになりました。

これらの新しいテクノロジーのおかげで、科学者たちは現在、腸内グリアが腸組織の損傷や炎症に対する最初の応答者のXNUMXつであることを知っています。 これらは、毒素の侵入を防ぐために腸のバリアを維持するのに役立ちます。 それらは、食物が消化管を通って流れることを可能にする腸の収縮を仲介します。 グリアは腸の外層にある幹細胞を制御しており、組織の再生に重要です。 彼らはマイクロバイオーム、ニューロン、免疫系細胞と対話し、それらの機能を管理および調整します。

「彼らは何でもやっていると我々は考えている」とグルブランセン氏は語った。 「人々が彼らについて知れば知るほど、彼らがこれらの多様な役割を果たしていることに驚くことは少なくなります。」

役割間を移動することもできます。 それらは実験室の皿の中で、あるグリア細胞の種類から別の種類のグリア細胞に移行してアイデンティティを変えることが示されており、これは絶えず変化する腸内環境において有用な能力です。 彼らは「非常にダイナミックで、この信じられないほど変動する複雑な環境に座って、非常に多くの異なることを実行する機能的能力に恵まれています」とスカヴッツォ氏は言いました。

腸内神経系におけるグリアについての興奮が高まっている一方で、スカヴッツォのような科学者には、腸内グリアには一体何種類存在するのかなど、まだ解決すべきかなり基本的な疑問が残されている。

考慮すべき力

スカヴッツォは、先天性食道短縮症による母親の病気を目の当たりにした幼少期に、消化に興味を持つようになりました。 母親が消化器系の合併症を経験するのを見て、スカヴッツォさんは母親のような患者の治療法を見つけるために大人になってから腸を研究することを余儀なくされました。 「私はこれが重要であることを知り、理解して育ちました」と彼女は言いました。 「知識が増えれば増えるほど、より適切に介入できるようになります。」

2019 年、Scavuzzo が Case Western で博士研究員としての研究を開始したとき、 ポール・テサールグリア生物学の世界的専門家である彼女は、腸内グリアの多様性を解明したいと考えていました。 テサールの研究室で脳ではなく腸を研究している唯一の科学者である彼女は、より複雑な器官を研究しているのだと同僚とよく冗談を言いました。

最初の年、彼女は腸内の個々の細胞の地図を作成することに大苦戦し、それが過酷な研究環境であることが判明しました。 彼女が研究に集中した小腸の始まり、十二指腸は特に大変でした。 酸性の胆汁と十二指腸の消化液により、細胞の正体を知る手がかりとなる遺伝物質であるRNAが分解され、抽出がほぼ不可能になった。 しかし、その後数年間にわたって、彼女は繊細なシステムに取り組むための新しい方法を開発しました。

これらの方法により、彼女は十二指腸のすべての組織にわたって「これらのグリア細胞の多様性を初めて垣間見ることができた」とスカヴッツォ氏は述べた。 XNUMX月に、まだ査読されていないbiorxiv.orgプレプリントサーバーに公開された論文の中で、彼女はチームが発見したことを報告した。 グリア細胞のXNUMXつのサブタイプその中には「ハブセル」と名付けられたものもあります。

ハブ細胞は、PIEZO2 と呼ばれる機械感覚チャネルの遺伝子を発現します。PIEZOXNUMX は、力を感知する膜タンパク質であり、通常は物理的接触に反応する組織に見られます。 その他の研究者 最近見つかった PIEZO2 は一部の腸ニューロンに存在します。 このチャネルにより、ニューロンは腸内の食物を感知し、食物を移動させることができます。 スカヴッツォは、グリアハブ細胞も力を感知し、他の腸細胞に収縮を指示することができると仮説を立てました。 彼女は、これらのハブ細胞が十二指腸だけでなく回腸や結腸にも存在するという証拠を発見しました。これは、ハブ細胞が消化管全体の運動性を調節している可能性が高いことを示唆しています。

彼女は、マウスの腸内グリアハブ細胞から PIEZO2 を削除しました。これにより、細胞が力を感知する能力が失われるのではないかと考えました。 彼女は正しかった。腸の運動性が低下し、胃の中に食物の内容物が蓄積したのだ。 しかし、その効果は微妙であり、これは他の細胞も部分的に消化された食物を腸内で物理的に移動させる役割を果たしているという事実を反映しているとスカヴッツォ氏は述べた。

関係する各細胞タイプが異なる種類の収縮を調節している可能性がある、と彼女は示唆した。「あるいは、それらは、私たちが生き続けるために食物を消化し続けることができるようにするために生物が進化させた追加のメカニズムである可能性もあります。」 消化は非常に重要なプロセスであるため、消化には多くのフェイルセーフが存在する可能性が高い、と彼女は付け加えた。

この実験は、他の細胞に加えて、「グリア細胞もこの機械感覚チャネルを通じて物理的な力を感知できる」という明確な証拠を提供したと述べた。 ヴァシリス・パクニス、フランシス・クリック研究所の神経系発達および恒常性研究室の所長。 次に、力の変化を感知すると、神経回路の活動を変化させて筋肉の収縮を引き起こすことができます。 「素晴らしい作品だ」と彼は言った。

ハブ細胞は、腸内で機能的な役割を果たす多くのグリア サブタイプのうちの XNUMX つにすぎません。 Scavuzzo の新しい XNUMX つのサブタイプに追加 先行研究で特徴付けられている, これらを総合すると、十二指腸、回腸、結腸にわたるグリアの 14 の既知のサブグループが明らかになります。 今後数年間でさらに多くのものが発見される可能性があり、それぞれが消化の仕組みをよりよく説明し、研究者がさまざまな胃腸障害の治療法を開発できるようにする新たな可能性を秘めています。

腸の痛み

胃腸疾患は、消化器系の破壊的な問題に加えて、多くの場合、ある程度の痛みを伴います。 間違った食べ物を食べたり、適切な食べ物を食べすぎたりすると、腹痛を引き起こす可能性があります。 これらの腸の感情は、グリアを含む腸神経細胞によって駆動されます。 グリアは免疫細胞の活性を制御することが現在知られているため、多くの胃腸障害や疾患において役割を果たしていると疑われており、治療の良い標的となる可能性があります。

数年前、パクニス氏と彼のグループは、グリア細胞がマウスの腸内で傷害や炎症に反応する最初の細胞型の一つであり、腸内グリア細胞の改ざんによっても炎症反応が引き起こされる可能性があることを発見した。 腸内ではグリアが真の免疫細胞と同様の役割を果たしているようで、その機能不全が慢性的な自己免疫疾患や慢性的な自己免疫疾患を引き起こす可能性があるとパチニス氏は述べた。 炎症性腸疾患、潰瘍性大腸炎やクローン病など。 「グリア細胞は、腸のさまざまな病気の開始、発病、進行に間違いなく役割を果たしています」と彼は言いました。

グリアは、マイクロバイオーム、免疫細胞、および他の腸細胞の間の伝達における中心的な役割のため、おそらく関与していると考えられます。 健康なグリアは、毒素や病原体を防ぎ、栄養素を吸収する細胞の層である腸の上皮バリアを強化します。 しかし、クローン病患者では、グリア細胞が適切に機能せず、その結果、バリアが弱くなり、不適切な免疫反応が引き起こされます。

「グリアの異なるサブタイプは、運動性が影響を受ける幅広い疾患や障害において、異なる機能を発揮したり、機能不全に陥ったりする可能性があります」とスカヴッツォ氏は述べた。 また、神経炎症、臓器の過敏症、さらにはニューロン死にも関連していると考えられています。

たとえば、グルブランセンと彼のチームは最近、次のことを発見しました。 グリアは腸痛の一因となる ニューロンを感作する分子を分泌することによって。 これは腸の注意を有害な物質に向けて処理することを目的とした適応反応である可能性が高く、副作用として痛みを引き起こすとグルブランセン氏は述べた。

本日発表された調査結果 科学シグナリングらは、グリアを標的とすることが、腸の炎症性疾患によって引き起こされる痛みの一部を軽減するのに役立つ可能性があることを示唆しています。

グリア自体も、遺伝的問題、マイクロバイオームからの代謝産物への曝露、不適切な食事、またはその他の要因によってストレスを受ける可能性があります。 ファタヒ博士は、原因に関係なく、ストレスを受けた腸内グリアが組織全体に影響を及ぼし、場合によっては隣接するニューロンを損傷したり免疫細胞を動員したりして、さらなる炎症や痛みを引き起こすことを観察しました。

腸内グリアに関するこれらの新しい研究は、研究者たちが理解して治療するのに苦労してきた多くの胃腸疾患の説明に大いに役立つだろうとシャーキー氏は述べた。 「これらの細胞が長年にわたってどのように進化して腸内神経生物学の中心人物となったのかを見るのが本当に楽しみです。」

腸内系ではニューロンが単独で活動しているわけではないことがますます明らかになっている、と同氏は付け加えた。 「グリアには美しいパートナーがおり、そのおかげで最も効率的かつ効果的な方法で業務を遂行できるのです。」

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