Cajal间质细胞在胃肠神经系统中的重要作用

李琳

Cajal间质细胞在胃肠神经系统中的重要作用

李琳

胃肠道神经-Cajal间质细胞-平滑肌网络结构是调节胃肠道运动的主要系统。其中，Cajal间质细胞被认为是胃肠道动力的“起搏细胞”及神经信号传导的“中介细胞”，在胃肠道运动调节中起关键性作用。近些年，随着各方面研究的广泛开展，对Cajal间质细胞的病理、电生理、细胞信号传导及与上下游网络结构关系等认识越来越深入。而且发现，Cajal间质细胞与很多疾病的发生均有密切联系。

Cajal间质细胞；酪氨酸激酶受体；干细胞因子

目前普遍认为，胃肠道神经-Cajal间质细胞（interstritial cell of Cajal，ICC）-平滑肌网络结构是调节胃肠道运动的主要方面。ICC插入神经肌肉间，与神经末端构成突触样连接，与平滑肌形成缝隙连接。此类细胞被认为是胃肠道动力的“起搏细胞”及神经信号传导的“中介细胞”，在胃肠道动力调节的诸多因素中，对胃肠动力的形成和调节起关键性作用。近30年来，随着技术的进步，诸如ICC的基因修饰小鼠模型建立、免疫组织化学方法鉴定等技术的应用，关于ICC的研究也越来越多。大量的研究认为，ICC是胃肠运动的起搏细胞并介导神经递质的传递。这些细胞表达酪氨酸激酶受体c-Kit，并以干细胞因子（stem cell factor，SCF）为配体，其生长发育和表型的维持有赖于SCF与c-Kit的结合发挥的信号传导作用。近年研究发现，ICC与某些疾病的发病有联系。

1 ICC的形态学特征以及各亚种群的分布

消化道内ICC呈网络状分布，胞体呈纺锤型或圆形，发出细长的细胞突起，突起与平滑肌细胞及自主神经形成广泛的联系。在电镜下，ICC的特征可以概括为以下几个特点：⑴线粒体的数量多，体积大；⑵有胞膜小凹；⑶发育良好的粗、滑面内质网；⑷大量中间丝；⑸ICC间3级神经纤维间有突触样结构；⑹缺乏肌动纤维；⑺与平滑肌形成缝隙连接。

按ICC分布的部位，从黏膜到浆膜可分为6类[1]：黏膜下ICC（submucosal ICC，ICC-SM），位于黏膜下环形肌层表面。深层肌丛ICC（deep muscular plexus ICC，ICC-DMP），处于环状肌层内。肌内ICC（intramuscular ICC，ICC-IM），存在于环状肌和纵行肌内。隔膜ICC（septal ICC，ICC-SEP），位于肌间层的隔膜内。肌间ICC（myenteric ICC，ICC-MY），位于环状和纵行肌束之间。浆膜下ICC（subserosal ICC，ICC-SS），位于浆膜层和纵形肌层之间。

2 ICC的电生理特性

绝大多数研究认为，ICC是胃肠活动的起搏细胞，并介导信号的传递，在胃肠道以慢波的形式传播，并能启动节律性电活动。消化道平滑肌在静息膜电位的基础上，可自发地周期性地产生去极化和复极化，形成缓慢的节律性电位波动。由于其频率较慢，因而称为慢波。Sanders等[2]认为，慢波电流在ICC的激活依赖于一定的电压梯级，这最可能依赖于钙离子激活氯通道（calcium-activated cholirde channels，CaCCs）激活Ca2+内流而产生的电压。慢波是由ICC产生的，而不是由平滑肌细胞产生的。实验观察到，在ICC-MY中记录到的慢波振幅远大于在毗邻平滑肌细胞中记录到的。慢波在胃肠道器官中可以长距离传播，要维持这一运动形式，慢波在传播过程中就必然会重新产生，而平滑肌细胞没有产生慢波的能力，因此这很可能是ICC网络结构的作用。这正解释了慢波在胃肠道的各个区域是持续存在的，而不是只存在于产生慢波的区域[3]。慢波可决定消化道平滑肌的收缩节律，故又称基本电节律。慢波的幅度为5～15 mV。持续时间为数秒至十几秒。慢波的频率变动在3～12次/min，随所在消化道部位的不同而异，人类胃平滑肌的慢波频率为3次/min，十二指肠为11～12次/min，回肠末端为8～9次/min。目前认为，节律性慢波起源于广泛存在于胃体、胃窦及幽门部的环形肌和纵形肌交界处间质中的ICC。ICC既非神经细胞又非平滑肌细胞，是一种兼有成纤维细胞和平滑肌细胞特性的间质细胞，它们与平滑肌细胞之间距离很近，并在多处形成缝隙连接，因而慢波可以电紧张的形式传至纵形肌和环形肌层。实验证明，慢波活动受自主神经的调节，交感神经活动增起时，慢波的幅度减小。副交感神经活动增强时，其幅度则增加。但在去除平滑肌的神经支配或用药物阻断神经冲动后，慢波依然存在，提示慢波的产生并不依赖于神经的支配。实验还观察到，在纵形肌和环形肌交界处，慢波波幅最大，并从交界向两肌层传播。若将附着于两肌层交界处的ICC去除，慢波即消失。若电刺激带有ICC的游离小肠肌条，则可产生慢波。表明ICC是慢波产生的必要条件，并在两肌层间起“桥梁”作用。

ICC的形态学特征也提示，这类细胞与胃肠活动的起搏有关。电镜观察发现，这类细胞有胞膜小凹。众所周知，细胞小凹在信号传递中起着重要的作用。最近发现，缺乏胞膜小凹的小鼠（微囊蛋白1基因敲除的小鼠）的ICC不能表达anoctamin-1（ANO1）蛋白，这种蛋白是一种与CaCCs活性密切相关的膜蛋白，而CaCCs是慢波产生的基础。ICC的另一形态学特征是，ICC的胞体存在众多突触，这使得ICC与平滑肌细胞及自主神经形成广泛的联系。此外，电镜观察到ICC具有丰富的线粒体，而胃肠活动起搏需要大量的能量，线粒体能为此提供能量。所以，ICC在胃肠活动起搏中起着重要的作用[4]。

3 ICC与肠神经的联系

Cajal认为，在肠神经信号传递中，ICC可能起着重要作用，但这一直得不到证明，直到超微结构的研究。Imaizumi和Hama的研究支持Cajal的理论，他们观察到相思鸟的胃中ICC和肠神经存在密切的联系，认为ICC可能参与了神经刺激从神经到平滑肌的传递过程。在小鼠和蝙蝠的小肠研究中，Yamamoto也有相似的发现。越来越多的ICC超微结构研究证实，ICC与神经纤维之间存在突触样的结构。用免疫组织化学的方法也观察到不同物种的ICC与神经纤维之间存在密切的联系[5]。免疫组织化学方面的研究也为ICC与神经纤维之间存在突触样的结构的理论提供了证据。ICC-IM能把信号从神经纤维传递到平滑肌细胞，这是合乎逻辑的，ICC与和它比邻的平滑肌细胞之间可能以某种方式存在连接。超微结构研究显示，ICC-IM与平滑肌细胞之间存在缝隙连接。

如果ICC参与神经传递，那么它必须能够表达某种受体并对神经递质产生效应，有转换信号的作用。研究表明，ICC可以表达多种受体，例如神经激肽受体(NK1和NK3受体)、肠血管活性肽受体(VIP-1受体)、乙酰胆碱受体(毒蕈碱M2和M3受体)。研究发现，ICC能对胃肠道的NO产生效应并取决于环鸟苷酸的量。ICC的内在NK1受体能对P物质和神经刺激产生反应。

肠神经系统包含兴奋性和抑制性神经元，它不仅能调控平滑肌的收缩和舒张，也能调节胃肠道的活动。ICC能自发地产生慢波并调控平滑肌的收缩节律，是信号从肠神经传到胃肠道平滑肌的必要条件。利用现代基因技术的一些新研究也支持ICC能够介导肠神经信号的传递。有研究[6]利用三苯氧胺激活或灭活某些特定基因检测了鼠科动物回结肠的兴奋性和抑制性神经冲动传递，提示ICC参与了抑制性神经冲动的传递。另外有研究发现，三苯氧胺诱导的Prkg1基因敲除的小鼠ICC下降60%，并导致严重的胃肠功能紊乱。Prkg1是一种胃肠道NO神经传递重要介质，例如胃肠通过时间大幅度增加，NO依赖性神经反应消失。Lies等[7]利用基因敲出技术证明，ICC-IM参与硝基能抑制性神经效应器反应。

4 ICC与SCF/c-kit

c-Kit是ICC的特异性标志物，SCF是c-Kit的天然配体, SCF与c-Kit结合后所启动的信号通路，对ICC的增殖、分化及表型维持至关重要[8-9]。编码c-Kit的小鼠w位点突变及编码干细胞因子的sl位点突变均可导致胃肠道肌间丛ICC缺失，肠慢波消失。有研究显示，c-kit、SCF基因异常表达及相应的信号通路受损可引起ICC表型发生转化，导致形态和功能异常。Brading等人研究发现，微环境中SCF浓度对ICC的培养至关重要，ICC的培养必须依赖SCF才能成活，不加SCF的培养基ICC基本不能存活。这些研究说明，正常的SCF/c-Kit信号通路对ICC的表型维持和生理功能的实现具有不可替代的作用，而c-Kit和SCF基因的正常表达是维持这一信号通路的必要条件[10]。

5 ICC与胃肠运动功能障碍性疾病

研究发现，ICC网络结构破坏虽然不是胃肠动力障碍性疾病的唯一原因，但ICC在胃肠运动中起着保护作用，与许多胃肠动力障碍性疾病有关。如长期未经过正规治疗的糖尿病患者常表现出消化道症状（恶心、呕吐、腹痛、腹泻、便秘等）。

在1型糖尿病人的肠活检组织中，免疫组织化学染色法发现ICC明显减少,同时发现抑制性的神经分布减少，而兴奋性的神经分布增多。胃肠道的不同部位或在不同的时间阶段，ICC表达ANO1变体的种类不同。最近一项研究发现，糖尿病人的胃肌层ICC表达的ANO1变体改变，提示糖尿病人异常的胃肠道起搏可能与通道重塑有关。Tomas等人用c-kit免疫染色揭示，糖尿病小鼠模型中,胃体和胃窦部的ICC明显减少，并以胃窦远端最为明显。其肌间神经丛、环形肌和纵行肌内的ICC所占比例明显降低。

先天性巨结肠（Hirschsprung Discase，HD）[11]是受累肠段黏膜下和肌间神经丛副交感神经节细胞缺失，导致病变结肠持续痉挛收缩，肠内容物排出受阻为特征的一种先天性肠道动力障碍性疾病。越来越多的学者[12]认识，到此病患儿肠运动功能障碍与ICC分布、数量及功能异常有关。HD患儿除神经节细胞减少外，病变肠段还缺少慢波活动，ICC数量的减少和网络结构的破坏ICC变化，同时在许多相关研究中发现，肠神经元与ICC破坏的严重程度存在一致性。应用免疫组织化学方法还发现ICC表达连接蛋白CX43，该蛋白是细胞间缝隙连接蛋白。而HD的受累肠段不表达CX43，其周围部分CX43也减少。因此，ICC的改变被认为是HD疾病发生发展过程中的重要因素。

贲门失迟缓症（achalasia of cardia，AOC）是食管神经肌肉功能障碍性疾病，其组织学表现以贲门部肌间神经节细胞先天发育不良或缺如为特征。Villanacci等人采用免疫组织化学技术，发现AOC疾病组标本中ICC较对照组明显减少。另一研究通过电镜观察AOC患者食管ICC，发现其线粒体及滑面内质网均有明显减少[13]。国内有研究人员对取自13例AOC患者贲门部的活检组织进行免疫组化染色，也发现ICC明显减少或缺如。胃切除后，小肠运动失衡会致小肠内容物滞留于输入袢，引起输入袢综合征。Kiyo hara报道1例输入袢综合征的患者，扩张的小肠活检肠肌层ICC数量减少。

慢性假性肠梗阻（chronic intestinal pseudo-obstruction，CIPO）是一组表现为反复发作或持续存在的肠梗阻症状和体征，但肠道中没发现机械性梗阻的疾病。Jain等人在研究肠的运动性疾病时发现，原发性CIPO患者c-kit、ICC全部缺失，而正常对照组、其他17例非原发性CIPO肠道动力疾病组患者ICC的数目和分布均正常。Streutkerc对38例假性肠梗阻的结肠和小肠活检组织进行免疫组化分析，发现10例患者CD117和CD34阳性的纤维母细胞明显减少，因而ICC缺失可能是假性肠梗阻发生的原因。

慢输型便秘（Slow transit constipation，STC）是指结肠传输功能障碍致肠内容物传输缓慢所引起的便秘，又称结肠无力，属慢性、原发性、功能性、结肠慢传输性便秘。胃肠症状有腹痛、腹胀、不适、恶心、排便困难，结肠通过延缓，但无巨结肠，也无盆底功能障碍。张旭等[14]对ICC的特异性标志物c-kit细胞进行免疫组化染色，观察到大鼠小肠肌层与远端结肠肌层ICC减少及分布改变，认为这是STC患者肠道运动功能障碍产生的重要原因。Collins等[15]用经皮电刺激STC患者并取得了较好的治疗效果，这提示ICC所发出的胃肠慢波电位可能是STC新型诊疗手段靶点。

[1]Blair PJ,Rhee PL,Sanders KM,et al.The Significance of Inter⁃stitial Cells in Neurogastroenterology[J].J Neurogastroenterol Mo⁃til,2014,20(3):294-317.

[2]Sanders KM,Zhu MH,Britton F,et al.Anoctamins and gastrointes⁃tinal smooth muscle excitability[J].Exp Physiol,2012,97(2): 200-206.

[3]Tian H,Huang D,Li T,et al.The protective effects of total phenols in magnolia officinalix rehd.et wils on gastrointestinal tract dys⁃motility is mainly based on its influence on interstitial cells of cajal [J].Int J Clin Exp Med,2015,8(11):20279-20286.

[4]Janevska V,Qerimi A,Basheska N,et al.Superficial leiomyomas of the gastrointestinal tract with interstitial cells of Cajal[J].Int J Clin Exp Pathol,2015,8(12):15977-15984.

[5]Blair PJ,Bayguinov Y,Sanders KM,et al.Relationship between enteric neurons and interstitial cells in the primategastrointesti⁃nal tract[J].Neurogastroenterol Motil,2012,24(9):437-449.

[6]Klein S,Seidler B,Kettenberger A,et al.Interstitial cells of Cajal integrate excitatory and inhibitory neurotransmission with intesti⁃nal slow-wave activity[J].Nat Commun,2013,4(5):1630.

[7]Lies B,Gil V,Groneberg D,et al.Interstitial cells of Cajal mediate nitrergic inhibitory neurotransmission in the murine gastrointesti⁃nal tract[J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol,2014,307(1): 98-106.

[8]Ilie CA,Rusu MC,Didilescu AC,et al.Embryonic hematopoietic stem cells and interstitial Cajal cells in the hindgut of late stage human embryos:evidence and hypotheses[J].Ann Anat,2015,200, 20-29.

[9]Meng W,Zhou J,Elliott R,et al.Is there a role for human pluripo⁃tent stem cells in modelling interstitial cells of Cajal and gut motil⁃ity disorders?[J].Curr Stem Cell Res Ther,2015,10(3):251-257.

[10]Lin XL,Tang XD,Cai ZX,et al.NPs/NPRs Signaling Pathways May Be Involved in Depression-Induced Loss of Gastric ICC by De⁃creasing the Production of mSCF[J].PLoS One,2016,11(2): e0149031.

[11]Chen ZH,Zhang YC,Jiang WF,et al.Characterization of intersti⁃tial Cajal progenitors cells and their changes in Hirschsprung's dis⁃ease[J].PLoS One,2014,9(1):e86100.

[12]Lemos SP,Martins JL,Lemos PV,et al.Abnormalities of digestive tract innervation in rat fetus treated with ethylenethiourea[J].Acta Cir Bras,2012,27(3):244-250.

[13]Collins B,Norton C,Maeda Y.Percutaneous tibial nerve stimula⁃tion for slow transit constipation:a pilot study[J].Colorectal Dis, 2012,14(4):e165-e170.

[14]张旭，徐华，毕淑英，等.大鼠胃肠道不同部位Cajal间质细胞与慢传输型便秘的关系[J].胃肠病学和肝病学杂志，2012，21（6）：536-540.

[15]Collins B,Norton C,Maeda Y.Percutaneous tibial nerve stimula⁃tion for slow transit constipation:a pilot study[J].Colorectal Dis, 2012,14(4):165-170.

（收稿：2016-05-26 修回：2017-06-20）

（责任编辑 李 勇）

R656.6+2

：A

：1007-6948(2017)04-0454-03

10.3969/j.issn.1007-6948.2017.04.036

天津市南开医院胃肠外科（天津 300100）

李琳,E-mail：wolongshusheng@sina.com