Cell：肠道如何自主维持健康？科学家揭示Piezo1机械力感知维持肠道稳态机制

胃肠道 (GI) 在协调消化和屏障免疫的过程中会经历多种机械力。这些过程的核心调控者是肠神经系统 (ENS)，它能够检测管腔压力，从而独立于中枢和外周神经系统的外部输入来调节蠕动。然而，胃肠道中约5亿个肠神经元如何感知并响应机械力仍不清楚。

基于此，2025年3月24日西奈山伊坎医学院Ruaidhrı´ Jackson研究团队在Cell杂志发表了“Enteric neuronal Piezo1 maintains mechanical and immunological homeostasis by sensing force”揭示了肠道神经元Piezo1通过感知力来维持机械和免疫稳态。

在此研究中，作者发现机械感受器Piezo1在胆碱能肠神经元中功能性表达。通过光遗传学刺激Piezo1阳性的胆碱能肠神经元可驱动结肠运动，而Piezo1的缺失则会降低胆碱能神经元的活性并减缓蠕动。此外，胆碱能肠神经元中Piezo1的缺失会消除运动诱导的胃肠道运动加速。最后，作者揭示了肠神经元中的Piezo1功能对于结肠炎中的运动变化至关重要，并起到预防异常炎症和组织损伤的作用。

图一 Piezo1 特异性表达在胆碱能肠神经元中

作者整合了三个公开可用的小鼠肠神经元单细胞RNA测序数据集研究机械敏感性Piezo离子通道在肠神经系统中的表达谱。虽然Piezo2仅在一部分中间神经元/内在初级传入神经元（IPANs）中表现出有限的表达，而Piezo1在由胆碱乙酰转移酶阳性（ChAT+）标记的多个胆碱能簇中高度表达，包括超过50%的所有兴奋性运动神经元。此外，通过对人类肠神经元数据集的挖掘，发现PIEZO1也由人类胆碱能神经元表达。接下来，作者对从Ai9fl/flPirtcre小鼠中酶解分离的单个tdTomato+肠神经元进行了RT-qPCR发现在所有肠神经元中约有26.7%表达Piezo1，而超过91.7%的Piezo1+肠神经元是胆碱能神经元。为了验证Piezo1在ENS中的原位表达，构建了在Piezo1+细胞中表达flpo重组酶的Piezo1flpo小鼠。作者在小鼠结肠的几种细胞类型中检测到了Piezo1驱动的GFP表达。由肠神经元Piezo1驱动的GFP在胃中未观察到，但在小肠、盲肠和结肠中表达，主要在胆碱能肌间神经元中表达。Piezo1在所有肠神经元（由抗Hu+肠神经元胞体标记物鉴定）中约有15%表达，并在结肠中超过20%的胆碱能神经元中表达。几乎所有鉴定出的Piezo1+神经元都共表达ChAT。还进一步确认了PIEZO1蛋白在Piezo1tdTomato融合蛋白报告基因小鼠品系的肌间胆碱能神经元中表达。此外，发现PIEZO1定位于黏膜中的神经元突起。

图二 光遗传学和化学遗传学操控Piezo1阳性胆碱能肠神经元可调节肠道运动

为了研究Piezo1+肠神经元在结肠中的功能，作者采用了一种交叉遗传学方法生成Piezo1flpoChATcre ReaChR-mCitrinestop/stop小鼠。观察到只有当Piezo1flpo、ChATcre与ReaChR-mCitrinestop/stop转基因共表达时，mCitrine荧光才在ChAT+肠神经元中特异性表达。尽管mCitrine在ChAT+肠神经元中表达，但在背根神经节、结节神经节或腹腔神经节的神经元群体中未检测到表达。对从Piezo1flpoChATcre ReaChR-mCitrinestop/stop小鼠中分离出的mCitrine+和mCitrine-肠神经元进行了膜片钳记录。光学刺激仅在mCitrine+细胞中激活了依赖于光强度的全细胞内向电流。在体外实验中，对Piezo1+胆碱能肠神经元进行光遗传学刺激显著增加了来自Piezo1flpoChATcreReaChR-mCitrinestop/stop小鼠的完整结肠段的CMMC（结肠迁徙运动复合体）反应，而在对照组中没有观察到类似效应。为了探究自由活动的小鼠中光遗传学激活Piezo1+ ChAT+肠神经元是否能够加速结肠运动，作者使用了先前报道的一种可植入无线设备，光遗传学激活Piezo1+胆碱能肠神经元缩短了玻璃珠从小鼠结肠排出所需的时间。为了研究急性抑制Piezo1+胆碱能神经元是否能够在体内减缓胃肠道运动，将Piezo1flpo ChATcre小鼠与hM4Di小鼠杂交，为了检测Piezo1flpoChATcreGi和对照组小鼠在接受CNO处理后的总胃肠道转运时间，给小鼠灌胃了胭脂红红色染料，并测量了第一颗红色粪便排出的时间延迟。抑制Piezo1+ ChAT+神经元显著降低了肠道运动。此外，还通过测量口服给予的异硫氰酸荧光素（FITC）-葡聚糖沿Piezo1flpoChATcreGi和对照组小鼠胃肠道的分布来评估胃肠道转运。抑制Piezo1+ ChAT+神经元活性导致肠道运动减弱。最后，作者测试了胆碱能神经元中的Piezo1活性是否也是加速结肠转运所必需的，方法是将玻璃珠插入Piezo1flpoChATcreGi和对照组小鼠的结肠中。急性破坏Piezo1+ ChAT+神经元活性显著延迟了结肠玻璃珠的排出。

图三 Piezo1 对于兴奋性胆碱能肠神经元加速胃肠道转运是必需的

研究表明Piezo1在ENS的神经元中高度表达，并且仅与Hand2或Chat在肠神经元群体中共表达。与其他外在感觉神经元相比，Piezo1、Chat和Hand2在这些神经元中的表达有限。在ENS及胆碱能肌间神经元中敲除Piezo1会导致神经元活动减少，进而引起胃肠道转运延迟。通过一系列实验，包括使用carmine红染料测量胃肠道转运时间、FITC-葡聚糖测定法以及玻璃珠排出实验，发现Piezo1的缺失导致胃肠道转运速度减慢，水含量减少。从抑制性肠神经元中条件性敲除Piezo1并不影响胃肠道转运或结肠长度，表明Piezo1对兴奋性胆碱能神经元的作用更为关键。通过向Piezo1fl/fl小鼠的结肠壁注射AAVGFP-cre病毒或对照病毒（AAVGFP），进一步验证了Piezo1在胆碱能结肠肠神经元中的作用对于维持正常的结肠运动是必需的。使用6-羟基多巴胺（6-OHDA）处理以消除交感神经元后，尽管已知交感神经元可以减缓肠道运动，但即使在没有交感神经支配的情况下，胆碱能神经元中Piezo1的丢失仍然导致胃肠道运动减少。这强调了Piezo1在胆碱能神经元中的重要性独立于交感神经系统的状态。

图四 全文摘要图

总结

作者的研究结果揭示了肠神经系统在分子水平上如何直接感知管腔压力。证明Piezo1在肠神经系统中选择性且功能性表达，并在维持蠕动、增强运动期间的胃肠道（GI）动力以及预防炎症性肠病（IBD）小鼠模型中的组织损伤方面起关键作用。通过采用交叉遗传学策略，发现肠神经系统中的Piezo1阳性胆碱能兴奋性神经元是长期以来寻找的机械感受器，负责检测胃肠道压力，并且在体内对于维持正常的胃肠道动力和免疫稳态是十分必要的。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.02.031