V "drugih možganih" črevesja se pojavijo ključni dejavniki zdravja | Revija Quanta

Od trenutka, ko pogoltnete grižljaj hrane, do trenutka, ko zapusti vaše telo, se črevesje trudi predelati ta čudni zunanji material. Kose mora razdeliti na majhne koščke. Ločevati mora zdrava hranila od toksinov ali patogenov in absorbirati samo tisto, kar je koristno. In vse to počne, medtem ko premika delno predelano hrano v eno smer skozi različne tovarne prebave – usta, požiralnik, želodec, skozi črevesje in ven.

"Prebava je potrebna za preživetje," je rekel Marissa Scavuzzo, podoktorski raziskovalec na univerzi Case Western Reserve v Ohiu. "To počnemo vsak dan, a tudi, če res pomislite, zveni zelo tuje in tuje."

Razgradnja hrane zahteva usklajevanje med desetinami tipov celic in številnimi tkivi – od mišičnih celic in imunskih celic do krvnih in limfnih žil. Na čelu tega prizadevanja je lastna mreža živčnih celic črevesja, znana kot črevesni živčni sistem, ki se prepleta skozi črevesne stene od požiralnika do rektuma. To omrežje lahko deluje skoraj neodvisno od možganov; Pravzaprav si je zaradi svoje kompleksnosti prislužil vzdevek »drugi možgani«. In tako kot možgani so sestavljeni iz dveh vrst celic živčnega sistema: nevronov in glije.

Glija, za katero so nekoč mislili, da je le lepilo, ki zapolnjuje prostor med nevroni, je bila večino 20. stoletja v možganih večinoma prezrta. Jasno je, da so bili nevroni celice, ki so poskrbele za dogajanje: z električnim in kemičnim signaliziranjem materializirajo naše misli, občutke in dejanja. Toda v zadnjih nekaj desetletjih so glije izgubile svojo identiteto pasivnih služabnikov. Nevroznanstveniki vedno bolj odkrivajo da glia igra fiziološke vloge v možganih in živčnem sistemu, ki so se nekoč zdele rezervirane za nevrone.

Podoben glialni obračun se zdaj dogaja v črevesju. Številne študije so pokazale na različne aktivne vloge črevesne glije pri prebavi, absorpciji hranil, pretoku krvi in ​​imunskem odzivu. Drugi razkrivajo raznolikost glialnih celic, ki obstajajo v črevesju, in kako lahko vsaka vrsta natančno prilagodi sistem na prej neznane načine. Ena nedavna študija, ki še ni bila strokovno pregledana, je identificirala novo podskupino glialnih celic, ki zaznavajo hrano, ko se ta premika skozi prebavni trakt, s čimer črevesnemu tkivu signalizirajo, naj se krči in premika po svoji poti.

Zdi se, da črevesna glija sedi na vmesniku številnih različnih vrst tkiv in bioloških procesov, je dejal Seyedeh Faranak Fattahi, docentka celične molekularne farmakologije na Kalifornijski univerzi v San Franciscu. "Povezujejo veliko pik med različnimi fiziološkimi vlogami."

Zdaj jih povezujejo s posebnimi gastrointestinalnimi motnjami in simptomi bolečine. Razumevanje različnih vlog, ki jih imajo v črevesju, bi lahko bilo ključnega pomena za razvoj zdravljenja, je dejal Scavuzzo. "Upajmo, da je to kot začetek renesanse glialnih celic v črevesju."

Glia naredi vse

Znanstveniki že več kot stoletje poznajo enterično glijo, vendar do nedavnega nihče ni imel orodij za njihovo preučevanje. Raziskovalci bi lahko pregledali nevrone tako, da bi zaznali akcijske potenciale, ki jih sprožijo. Toda v primerjavi z nevroni so glialne celice elektrofiziološko »dolgočasne«. Brian Gulbransen, izredni profesor nevroznanosti na Michigan State University. Poleg nekaj poročil, ki so kazala na njihovo vlogo pri ohranjanju zdravega črevesnega tkiva, so ostali premalo raziskani in cenjeni.

To se je v zadnjem desetletju spremenilo. Nova orodja, ki znanstvenikom omogočajo, da manipulirajo z aktivnostjo genov v gliji ali jih vizualizirajo na različne načine, so "dramatično spremenila način, kako gledamo na enterični živčni sistem," je dejal Keith Sharkey, profesor fiziologije in farmakologije na Univerzi v Calgaryju. Na primer, slikanje s kalcijem, metoda, ki jo je Gulbransen razvil, ko je bil podoktorski raziskovalec v Sharkeyjevem laboratoriju, jim je omogočila analizo glialne aktivnosti s sledenjem ravni kalcija v celicah.

Zahvaljujoč nekaterim od teh novejših tehnologij znanstveniki zdaj vedo, da je črevesna glija med prvimi, ki se odzovejo na poškodbe ali vnetja v črevesnem tkivu. Pomagajo ohranjati pregrado črevesja, da preprečijo toksine. Posredujejo pri kontrakcijah črevesja, ki omogočajo pretok hrane skozi prebavni trakt. Glija uravnava izvorne celice v zunanji plasti črevesja in je ključna za regeneracijo tkiva. Klepetajo z mikrobiomom, nevroni in celicami imunskega sistema ter upravljajo in usklajujejo njihove funkcije.

"Mislimo, da naredijo vse," je dejal Gulbransen. "Več ko ljudje izvejo o njih, manj presenetljivo je, da opravljajo te različne vloge."

Lahko se tudi premikajo med vlogami. Dokazano je, da v laboratorijskih posodah spreminjajo svojo identiteto in prehajajo iz ene vrste glialnih celic v drugo – uporabna sposobnost v nenehno spreminjajočem se črevesnem okolju. So "tako dinamični, obdarjeni s funkcionalno sposobnostjo, da počnejo toliko različnih stvari, sedijo v tem neverjetno nihajočem in kompleksnem okolju," je dejal Scavuzzo.

Čeprav vznemirjenje nad glio v enteričnem živčnem sistemu narašča, imajo znanstveniki, kot je Scavuzzo, precej osnovna vprašanja, ki jih je treba še rešiti - na primer, koliko vrst črevesne glije sploh obstaja.

Sila, s katero je treba računati

Scavuzzo je nad prebavo navdušila že v otroštvu, ko je bila priča zdravstvenim težavam svoje matere zaradi prirojeno skrajšanega požiralnika. Gledanje njene matere skozi prebavne zaplete je Scavuzzo prisililo, da je v odrasli dobi preučevala črevesje, da bi našla zdravljenje za bolnike, kot je njena mama. »Odraščala sem ob zavedanju in razumevanju, da so te stvari pomembne,« je rekla. "Več kot vemo, bolje lahko posredujemo."

Leta 2019, ko je Scavuzzova začela svoje podoktorske raziskave pri Case Western pod Paul Tesar, svetovna strokovnjakinja za glialno biologijo, je vedela, da želi razkriti raznolikost enterične glije. Kot edina znanstvenica v Tesarjevem laboratoriju, ki preučuje črevesje in ne možganov, se je s kolegi pogosto šalila, da preučuje kompleksnejši organ.

Prvo leto se je zelo trudila, ko je poskušala preslikati posamezne celice v črevesju, kar se je izkazalo za ostro raziskovalno okolje. Posebej naporen je bil sam začetek tankega črevesa, dvanajstnika, kamor je usmerila študij. Kisli žolč in prebavni sokovi dvanajstnika so razgradili RNA, genetski material, ki je vseboval namige o identiteti celic, zaradi česar ga je bilo skoraj nemogoče izločiti. V naslednjih nekaj letih pa je razvila nove metode za delo na občutljivem sistemu.

Te metode so ji omogočile, da je dobila "prvi vpogled v raznolikost teh glialnih celic" v vseh tkivih dvanajstnika, je dejal Scavuzzo. Junija je v članku, objavljenem na strežniku za prednatis biorxiv.org, ki še ni bil strokovno pregledan, poročala o odkritju njene ekipe šest podtipov glialnih celic, vključno s tisto, ki so jo poimenovali "centralne celice".

Celice središča izražajo gene za mehanosenzorični kanal, imenovan PIEZO2 – membranski protein, ki lahko zazna silo in se običajno nahaja v tkivih, ki se odzivajo na fizični dotik. Drugi raziskovalci pred kratkim najdeno PIEZO2 prisoten v nekaterih črevesnih nevronih; kanal omogoča nevronom, da zaznavajo hrano v črevesju in jo premikajo. Scavuzzo je domneval, da lahko celice glialnega vozlišča tudi zaznavajo silo in drugim črevesnim celicam ukažejo krčenje. Našla je dokaze, da te središčne celice niso obstajale le v dvanajstniku, ampak tudi v ileumu in debelem črevesu, kar nakazuje, da verjetno uravnavajo motiliteto v prebavnem traktu.

Izbrisala je PIEZO2 iz celic enterične glije pri miših, zaradi česar je mislila, da bodo celice izgubile sposobnost zaznavanja sile. Imela je prav: gibljivost črevesja se je upočasnila in vsebina hrane se je kopičila v želodcu. Toda učinek je bil subtilen, kar odraža dejstvo, da tudi druge celice igrajo vlogo pri fizičnem premikanju delno prebavljene hrane skozi črevo, je dejal Scavuzzo.

Možno je, da bi lahko vsaka vključena vrsta celic uravnavala drugačno vrsto krčenja, je predlagala - "ali pa bi lahko bili samo dodatni mehanizmi, ki so jih organizmi razvili, da bi zagotovili, da lahko še naprej prebavljamo hrano, da ostanemo živi." Pri prebavi je verjetno veliko varnih pred napakami, ker je to tako pomemben proces, je dodala.

Eksperiment je ponudil jasen dokaz, da lahko poleg drugih celic "glialne celice zaznavajo tudi fizične sile" prek tega mehanosenzoričnega kanala, je dejal Vasilis Pachnis, vodja laboratorija za razvoj živčnega sistema in homeostazo na Inštitutu Francis Crick. Potem, ko zaznajo spremembo sile, lahko preusmerijo aktivnost nevronskih vezij, da sprožijo mišične kontrakcije. "To je čudovito delo," je dejal.

Hub celice so le ena od mnogih glialnih podvrst, ki igrajo funkcionalne vloge v črevesju. Scavuzzovih novih šest podtipov, dodanih tem označena v prejšnjih raziskavah, skupaj razkrivajo 14 znanih podskupin glije v dvanajstniku, ileumu in debelem črevesu. V prihodnjih letih bo verjetno odkritih še več, vsako z novim potencialom za boljšo razlago delovanja prebave in omogočanje raziskovalcem, da razvijejo zdravljenje za različne gastrointestinalne motnje.

Bolečina v črevesju

Bolezni prebavil pogosto prihajajo z dozo bolečine, poleg motečih prebavnih težav. Uživanje napačne hrane ali preveč prave lahko povzroči bolečine v trebuhu. Te črevesne občutke poganjajo enterične živčne celice, vključno z glijo. Ker je zdaj znano, da glia nadzoruje aktivnost imunskih celic, se sumi, da igrajo vlogo pri številnih gastrointestinalnih motnjah in boleznih, zaradi česar so dobre potencialne tarče za zdravljenje.

Pred nekaj leti sta Pachnis in njegova skupina ugotovila, da je glia med prvimi tipi celic, ki se odzovejo na poškodbo ali vnetje v črevesju miši, in da lahko poseganje v enterične glialne celice povzroči tudi vnetni odziv. Zdi se, da glija v črevesju opravlja podobne vloge kot prave imunske celice, je dejal Pachnis, zato lahko njihova disfunkcija povzroči kronične avtoimunske motnje in vnetne črevesne bolezni, kot sta ulcerozni kolitis in Crohnova bolezen. "Glialne celice vsekakor igrajo vlogo pri začetku, patogenezi in napredovanju različnih bolezni črevesja," je dejal.

Glija je verjetno vpletena zaradi svoje osrednje vloge pri komunikaciji med mikrobiomom, imunskimi celicami in drugimi črevesnimi celicami. Zdrava glija krepi črevesno epitelijsko pregrado, plast celic, ki preprečuje toksine in patogene ter absorbira hranila. Toda pri bolnikih s Crohnovo boleznijo glialne celice ne delujejo pravilno, kar ima za posledico šibkejšo pregrado in neustrezen imunski odziv.

"Različni podtipi glije lahko delujejo drugače ali ne delujejo pri številnih boleznih in motnjah, kjer je prizadeta gibljivost," je dejal Scavuzzo. Povezujejo jih tudi z vnetjem živčevja, preobčutljivostjo organov in celo smrtjo nevronov.

Na primer, Gulbransen in njegova ekipa so to nedavno odkrili glia prispevajo k bolečinam v črevesju z izločanjem molekul, ki senzibilizirajo nevrone. To je verjetno adaptivni odziv, katerega namen je pritegniti pozornost črevesja na škodljive snovi, da se jih znebijo, je dejal Gulbransen, kar kot stranski učinek povzroča bolečino.

Ugotovitve, objavljene danes v Znanost, kažejo, da bi lahko ciljanje na glio pomagalo ublažiti nekatere bolečine, ki jih povzročajo vnetne črevesne motnje.

Tudi sama glija je lahko pod stresom zaradi genetskih težav, izpostavljenosti metabolitom iz mikrobioma, slabe prehrane ali drugih dejavnikov. Fattahi je opazil, da ne glede na vzrok obremenjena črevesna glija vpliva na celotno tkivo in včasih celo poškoduje sosednje nevrone ali pridobi imunske celice, kar povzroči dodatno vnetje in bolečino.

Te nove študije črevesne glije bodo v veliki meri pripomogle k razlagi številnih gastrointestinalnih motenj, ki so jih raziskovalci težko razumeli in zdravili, je dejal Sharkey. "Zelo sem navdušen, ko vidim, kako so se te celice razvile, da so z leti postale osrednje osebe v enterični nevrobiologiji."

Vedno bolj jasno postaja, da nevron ne deluje sam v enteričnem sistemu, je dodal. "Ima te čudovite partnerje v gliji, ki mu resnično omogočajo, da opravi svoje delo na najbolj učinkovit in uspešen način."

Quanta izvaja vrsto anket, da bi bolje služil svojemu občinstvu. Vzemite našo anketa bralcev biologije in vključeni boste v brezplačno zmago Quanta trgovsko blago.