În „al doilea creier” al intestinului, apar agenți cheie ai sănătății | Revista Quanta

Din momentul în care înghiți o mușcătură de mâncare până în momentul în care iese din corpul tău, intestinul se străduiește să proceseze acest material ciudat din exterior. Trebuie să descompună bucăți în bucăți mici. Trebuie să distingă nutrienții sănătoși de toxine sau agenți patogeni și să absoarbă doar ceea ce este benefic. Și face toate acestea în timp ce mută alimentele parțial procesate într-un singur sens prin diferite fabrici de digestie - gură, esofag, stomac, prin intestine și afară.

„Digestia este necesară pentru supraviețuire”, a spus Marissa Scavuzzo, cercetător postdoctoral la Case Western Reserve University din Ohio. „O facem în fiecare zi, dar, de asemenea, dacă te gândești cu adevărat la asta, sună foarte străin și străin.”

Descompunerea alimentelor necesită coordonare între zeci de tipuri de celule și multe țesuturi - de la celulele musculare și celulele imune până la vasele de sânge și limfatice. În fruntea acestui efort se află propria rețea de celule nervoase a intestinului, cunoscută sub numele de sistemul nervos enteric, care trece prin pereții intestinali de la esofag până la rect. Această rețea poate funcționa aproape independent de creier; într-adevăr, complexitatea sa ia adus porecla „al doilea creier”. Și la fel ca creierul, este format din două tipuri de celule ale sistemului nervos: neuroni și glia.

Glia, odată considerată a fi un simplu lipici care umple spațiul dintre neuroni, a fost în mare parte ignorată în creier pentru o mare parte a secolului al XX-lea. În mod clar, neuronii au fost celulele care au făcut ca lucrurile să se întâmple: prin semnalizare electrică și chimică, ei ne materializează gândurile, sentimentele și acțiunile. Dar în ultimele decenii, glia și-au renunțat la identitatea de servitori pasivi. Oamenii de știință au descoperit din ce în ce mai mult că glia joacă roluri fiziologice în creier și în sistemul nervos care păreau cândva rezervate neuronilor.

O evaluare glială similară se întâmplă acum în intestin. O serie de studii au subliniat diferitele roluri active pe care le joacă glia enterică în digestie, absorbția nutrienților, fluxul sanguin și răspunsurile imune. Alții dezvăluie diversitatea celulelor gliale care există în intestin și modul în care fiecare tip poate ajusta sistemul în moduri necunoscute anterior. Un studiu recent, care nu a fost încă revizuit, a identificat un nou subset de celule gliale care simte alimentele pe măsură ce se deplasează prin tractul digestiv, semnalând țesutului intestinal să se contracte și să o miște pe parcurs.

Glia enterică „pare să se așeze la interfața multor tipuri diferite de țesuturi și procese biologice”, a spus Seyedeh Faranak Fattahi, profesor asistent de farmacologie moleculară celulară la Universitatea din California, San Francisco. Ele „conectează o mulțime de puncte între diferite roluri fiziologice”.

Acestea sunt acum legate de tulburări gastrointestinale specifice și simptome de durere. Înțelegerea diferitelor roluri pe care le joacă în intestin ar putea fi critică pentru dezvoltarea tratamentelor, a spus Scavuzzo. „Sperăm că acesta este ca începutul renașterii celulelor gliale în intestin.”

Glia face totul

Oamenii de știință știu despre glia enterică de peste un secol, dar până de curând nimeni nu avea instrumente pentru a le studia. Cercetătorii ar putea examina neuronii prin captarea potențialelor de acțiune pe care le declanșează. Dar, în comparație cu neuronii, celulele gliale sunt „plictisitoare” din punct de vedere electrofiziologic Brian Gulbransen, profesor asociat de neuroștiințe la Universitatea de Stat din Michigan. În afară de câteva rapoarte care au indicat rolul lor în menținerea țesutului intestinal sănătos, ei au rămas substudiați și subapreciați.

Asta s-a schimbat în ultimul deceniu și ceva. Noile instrumente care permit oamenilor de știință să manipuleze activitatea genelor în glia sau să le vizualizeze în moduri diferite au „schimbat dramatic modul în care privim sistemul nervos enteric”, a spus. Keith Sharkey, profesor de fiziologie și farmacologie la Universitatea din Calgary. De exemplu, imagistica cu calciu, o metodă dezvoltată de Gulbransen în timp ce era cercetător postdoctoral în laboratorul lui Sharkey, le-a permis să analizeze activitatea glială prin urmărirea nivelurilor de calciu din celule.

Datorită unora dintre aceste tehnologii mai noi, oamenii de știință știu acum că glia enterică este printre primii care au răspuns la leziuni sau inflamații în țesutul intestinal. Ele ajută la menținerea barierei intestinale pentru a menține toxinele în afara. Ele mediază contracțiile intestinului care permit alimentelor să curgă prin tractul digestiv. Glia reglează celulele stem din stratul exterior al intestinului și sunt esențiale pentru regenerarea țesuturilor. Ei discută cu microbiomul, neuronii și celulele sistemului imunitar, gestionând și coordonându-și funcțiile.

„Credem că ei fac totul”, a spus Gulbransen. „Cu cât oamenii află mai multe despre ei, este mai puțin surprinzător că îndeplinesc aceste roluri diverse.”

De asemenea, se pot muta între roluri. S-a demonstrat că își schimbă identitatea, trecând de la un tip de celule gliale la altul, în vasele de laborator - o abilitate utilă în mediul intestinal în continuă schimbare. Sunt „atât de dinamici, înzestrați cu capacitatea funcțională de a face atât de multe lucruri diferite, stând în acest mediu incredibil de fluctuant și complex”, a spus Scavuzzo.

Chiar dacă se formează entuziasm cu privire la glia în sistemul nervos enteric, oameni de știință precum Scavuzzo mai au de rezolvat întrebări destul de elementare - cum ar fi câte tipuri de glia enterică există.

O forță de socotit

Scavuzzo a devenit fascinată de digestia în copilărie când a fost martoră la problemele medicale ale mamei sale din cauza esofagului scurtat congenital. Privind mama ei trecând prin complicații gastro-intestinale, Scavuzzo a determinat-o să studieze intestinul la vârsta adultă pentru a găsi tratamente pentru pacienți precum mama ei. „Am crescut cunoscând și înțelegând aceste lucruri importante”, a spus ea. „Cu cât știm mai multe, cu atât putem interveni mai bine.”

În 2019, când Scavuzzo și-a început cercetarea postdoctorală la Case Western sub Paul Tesar, un expert mondial în biologie glială, știa că vrea să dezlege diversitatea gliei enterice. Fiind singurul om de știință din laboratorul lui Tesar care examinează intestinul și nu creierul, ea glumea adesea cu colegii ei că studia organul mai complex.

În primul an, ea s-a luptat masiv în încercarea de a cartografi celulele individuale din intestin, ceea ce s-a dovedit a fi un mediu de cercetare dur. Însuși începutul intestinului subțire, duodenul, unde și-a concentrat studiile, a fost deosebit de greu. Bila acidă și sucurile digestive ale duodenului au degradat ARN-ul, materialul genetic care deținea indicii despre identitățile celulelor, făcându-l aproape imposibil de extras. În următorii câțiva ani, însă, ea a dezvoltat noi metode de a lucra asupra sistemului delicat.

Aceste metode i-au permis să obțină „prima privire asupra diversității acestor celule gliale” în toate țesuturile duodenului, a spus Scavuzzo. În iunie, într-o lucrare publicată pe serverul de preprint biorxiv.org care nu a fost încă evaluată de colegi, ea a raportat descoperirea echipei sale de șase subtipuri de celule gliale, inclusiv una pe care au numit-o „celule hub”.

Celulele hub exprimă gene pentru un canal mecanosenzorial numit PIEZO2 - o proteină membranară care poate simți forța și se găsește de obicei în țesuturile care răspund la atingerea fizică. Alți cercetători recent găsită PIEZO2 prezent în unii neuroni intestinali; canalul permite neuronilor să simtă alimentele din intestine și să o miște de-a lungul. Scavuzzo a emis ipoteza că celulele hub gliale pot simți și forța și pot instrui alte celule intestinale să se contracte. Ea a găsit dovezi că aceste celule hub au existat nu numai în duoden, ci și în ileon și colon, ceea ce sugerează că probabil reglează motilitatea în tractul digestiv.

Ea a șters PIEZO2 din celulele hubului gliei enterice la șoareci, ceea ce a crezut că ar face celulele să-și piardă capacitatea de a simți forța. Avea dreptate: motilitatea intestinală a încetinit, iar conținutul alimentar s-a acumulat în stomac. Dar efectul a fost subtil, ceea ce reflectă faptul că alte celule joacă, de asemenea, un rol în deplasarea fizică a alimentelor parțial digerate prin intestin, a spus Scavuzzo.

Este posibil ca fiecare tip de celulă implicat să regleze un alt tip de contracție, a sugerat ea – „sau ar putea fi doar mecanisme suplimentare pe care organismele le-au dezvoltat pentru a ne asigura că ne putem digera în continuare alimentele pentru a rămâne în viață”. Probabil că există multe sisteme de siguranță în digestie, deoarece este un proces atât de important, a adăugat ea.

Experimentul a oferit dovezi clare că, pe lângă alte celule, „celulele gliale pot simți și forțele fizice” prin acest canal mecanosenzorial, a spus Vassilis Pachnis, șeful laboratorului de dezvoltare și homeostazie a sistemului nervos de la Institutul Francis Crick. Apoi, după ce au simțit schimbarea forței, ei pot schimba activitatea circuitelor neuronale pentru a declanșa contracții musculare. „Este o lucrare minunată”, a spus el.

Celulele hub sunt doar unul dintre multele subtipuri gliale care joacă roluri funcționale în intestin. Noile șase subtipuri ale lui Scavuzzo, adăugate la acestea caracterizat în cercetările anterioare, împreună dezvăluie 14 subgrupuri cunoscute de glia în duoden, ileon și colon. Este posibil să se descopere mai multe în următorii ani, fiecare cu un potențial nou de a explica mai bine cum funcționează digestia și de a permite cercetătorilor să dezvolte tratamente pentru o varietate de tulburări gastro-intestinale.

O durere în intestin

Bolile gastrointestinale vin adesea cu o doză de durere, pe lângă problemele digestive perturbatoare. Mâncarea alimentelor greșite sau prea mult din cea potrivită poate provoca dureri de stomac. Aceste sentimente intestinale sunt conduse de celulele nervoase enterice, inclusiv glia. Deoarece se știe acum că glia controlează activitatea celulelor imune, se suspectează că joacă un rol în multe tulburări și boli gastrointestinale, făcându-le ținte potențiale bune pentru tratamente.

Cu câțiva ani în urmă, Pachnis și grupul său au descoperit că glia sunt printre primele tipuri de celule care răspund la leziuni sau inflamații în intestinul șoarecelui și că manipularea celulelor gliale enterice poate crea, de asemenea, un răspuns inflamator. În intestinul gliei par să îndeplinească roluri similare cu cele ale celulelor imunitare adevărate, a spus Pachnis, și astfel disfuncția lor poate duce la tulburări autoimune cronice și boli inflamatorii intestinale, cum ar fi colita ulceroasă și boala Crohn. „Celulele gliale cu siguranță joacă un rol în inițierea, patogeneza și progresia diferitelor boli ale intestinului”, a spus el.

Glia este probabil implicată din cauza rolului lor central în comunicarea dintre microbiom, celulele imune și alte celule intestinale. Glia sănătoasă întărește bariera epitelială a intestinelor, un strat de celule care ține afară toxinele și agenții patogeni și absoarbe nutrienții. Dar la pacienții cu boala Crohn, celulele gliale nu funcționează corect, rezultând o barieră mai slabă și un răspuns imun inadecvat.

„Diferitele subtipuri de glia pot funcționa diferit sau pot disfuncționa într-o gamă largă de boli și tulburări în care motilitatea este afectată”, a spus Scavuzzo. Ele au fost, de asemenea, legate de inflamația neuronală, hipersensibilitatea la nivelul organelor și chiar moartea neuronilor.

De exemplu, Gulbransen și echipa sa au descoperit recent asta glia contribuie la durerea intestinală prin secretarea de molecule care sensibilizează neuronii. Acesta este probabil un răspuns adaptativ menit să atragă atenția intestinului asupra substanțelor dăunătoare pentru a le elimina, a spus Gulbransen, care ca efect secundar provoacă durere.

Constatările, publicate astăzi în Semnalizarea științifică, sugerează că țintirea gliei ar putea ajuta la atenuarea durerii create de tulburările inflamatorii ale intestinului.

Glia în sine poate deveni stresată de probleme genetice, expunerea la metaboliți din microbiom, dietă proastă sau alți factori. Fattahi a observat că, indiferent de cauză, glia enterică stresată influențează întregul țesut și, uneori, chiar dăunează neuronilor vecini sau recrutează celule imunitare, provocând inflamații și dureri suplimentare.

Aceste noi studii asupra gliei enterice vor explica multe tulburări gastro-intestinale pe care cercetătorii s-au străduit să le înțeleagă și să le trateze, a spus Sharkey. „Sunt foarte încântat să văd cum au evoluat aceste celule pentru a deveni figuri centrale în neurobiologia enterică de-a lungul anilor.”

Devine din ce în ce mai clar că neuronul nu acționează singur în sistemul enteric, a adăugat el. „Are acești parteneri frumoși în glia care îi permit cu adevărat să-și facă treaba în cel mai eficient și eficient mod.”

Cuante efectuează o serie de sondaje pentru a servi mai bine publicul nostru. Ia-ne sondaj cititor de biologie și vei fi înscris pentru a câștiga gratuit Cuante mărfuri.