Cajal间质细胞与(术后)胃肠道功能恢复的研究进展

李志飞，李胜利，李斌

(内蒙古自治区人民医院 肝胆胰脾外科，内蒙古 呼和浩特)

0 引言

Cajal 间质细胞(ICC)是中胚层衍生的间充质细胞，自1893年由 Sandago Puamony Cajal在胃肠道发现以来，受到诸多研究者的重视。随着研究的深入，发现ICC细胞不仅存在于胃肠道中，还广泛分布在输精管、输卵管及尿道、膀胱[1,2]，胆囊及肝外胆道系统[3]。近年来，研究发现不论在患病还是正常状态下，Cajal间质细胞对胃肠道动力调控方面都起着十分重要的作用[4]。不同的研究表明，ICC的病理变化或数量减少可能导致胃肠道运动障碍，影响正常的肠道功能。ICC功能的缺失，常会使患者出现腹泻和/或便秘，失眠，焦虑等不适，严重影响患者的身心健康[5]。

胆肠吻合术是治疗胆道疾病常用且疗效确切的手术方式，众多手术方式中，胆总管十二指肠吻合术和胆管空肠Roux-en-Y 吻合术是应用最广泛的手术方式[6]。消化道重建后，由于改变了胆道及肠道的正常解剖及生理功能，肠道正常的蠕动功能发生改变，使得病人出现不同程度的胃肠道功能障碍[7]。查阅文献得知，对胆肠吻合术后ICC功能与胃肠道功能恢复的关系研究甚少，本文将对近几年Cajal 间质细胞以及与胃肠道功能恢复关系的最新研究进展进行综述。

1 ICC的生理特点

1.1 ICC的分布

ICC 最初发现于胃肠道，又与平滑肌细胞和肠神经元紧密连接，因以上两者是胃肠道正常蠕动的先决条件[8]。因此，ICC在胃肠动力调节方面扮演着至关重要的作用[9]。目前的研究表明，ICC广泛分布于从食管至肛门括约肌的整个消化道，以及胆囊和肝外胆道系统[10,11]。基于其解剖位置、功能[12]以及所表达的酪氨酸受体C-kit的不同[8]，目前主要描述了四种ICC：(1)肌间神经丛ICC(ICC-MY)：ICC-MY的网状结构存在于肌间神经丛周围，位于环肌层及纵肌层之间。这种多极细胞的主要生理作用是产生并传播慢波电位，这对于肌层的分隔和收缩是至关重要的[13]；(2)肌层内ICC(ICC-IM)：其位于消化道的肌层内，呈双极纺锤形，与周围的平滑肌细胞定向排列。且优先接受肠道神经元的支配，其主要的生理作用是传播起搏信号[14]；(3)深部肌肉丛ICC(ICC-DMP)：仅在小肠壁肌肉层中发现，被认为是一种特殊类型的ICC-IM[12]，其主要作用是介导小肠内神经信号传导[15]；(4)黏膜下 ICC(ICC-SM/SMP)：位于环肌层与黏膜下结缔组织间，其扮演着神经传导以及起搏的角色[16]。

1.2 ICC的生理坚定鉴定方法特点

目前的研究表明，ICC可以通过CD117(C-kit)的表达来鉴定，CD117是c-kit基因表达的一种具有酪氨酸激酶活性的膜受体[17]。标记物是由原癌基因编码的145KD的跨膜糖蛋白。C-kit的表达可以用免疫组化的方法清楚的观察到，其是明确ICC结构，细胞网络定位和分布的重要工具。大多数ICC亚型，包括ICC-MP和ICC-SM都可通过用c-Kit抗体标记来鉴定。这一事实显著推进了ICC的研究鉴定，并使其在消化管壁上的外观研究成为可能[18]。值得注意的是，C-Kit不止表达于ICC，同时还表达于其它几种类型的细胞，如肥大细胞、黑色素细胞、生殖细胞等[8]，这使得ICC的观察研究受到了一定的影响。因此，一种新的更具有特异性的ICC标记物被提出来，这便是钙激活氯离子通道( Anoctamin 1，Ano1)。研究人员认为，在ICC的鉴别上，由Tmem16a编码的Ano1比C-kit标记ICC更为准确[19]，其主要作用是参与胃肠道慢波电位的产生。一项针对于慢性传输型便秘的研究发现[20]，组织中的ICC对Ano1具有免疫反应性，且与C-kit的免疫反应性几乎完全重叠，利用Ano1和C-kit的免疫反应性对相同组织标本鉴定发现，ICC的数量和分布范围几乎相同。但也有研究发现，Ano1不止表达于ICC，也表达于前肠上皮细胞[21]，因此，使用C-Kit和Ano1进行双重标记，并且结合细胞形态学的观察，被认为是一种比使用任何单一标记物鉴别胃肠道中ICC类型的更为可靠方法，且这种方法正迅速成为ICC免疫组织学鉴定的标准[22]。此外，腹腔迁移神经管细胞(VENT)也可在食道，胃和十二指肠第一部分等特定的ICC亚型(ICCIM)中被观察到[23]。Da Eun Jang等[24]通过新生儿母体分离(NMS)应激模型建立动物肠易激综合征(IBS)模型，发现神经元型一氧化氮合酶(nNOS)是NMS应激下ICC的新型生物标志物，但仅在小鼠的粘膜下神经丛的ICC中观察到其表达。

1.3 ICC的功能

消化道内分布的ICC的主要作用包括起搏消化道平滑肌动力、产生及介导消化道慢波电位的传播、调节胃肠道神经递质的释放等[25]。针对ICC功能的分析，对于理解胃肠道中的电节律机制以及肠道的收缩运动是十分重要的。ICC的电传导作用和“时钟”机制对于产生慢波蠕动是至关重要的[12]。其中，由C-kit 与其配体干细胞因子(SCF)所组成的SCF/C-kit信号在通路在ICC 的分化上起着重要的调控作用[55]。并且C-kit介导的细胞内信号通路在ICC表型的鉴别及ICC在胃肠道中的功能活性的发展和维持中的作用也不容忽视[26]。胃肠道平滑肌自发性、节律性的电活动的产生以及在平滑肌间的传导都与ICC的功能息息相关[27]，节律性慢波活动的实现得益于间充质细胞层包含着成熟的肠神经系统以及ICC完整的网络结构[25]。

ICC的功能与其细胞膜上存在的多种离子通道亦是分不开的，这些通道的关闭与开放对于ICC的功能调节是十分必要的。其中较为重要的几种离子通道包括：(1)氯离子通道(Ano1)：Ano1是由Tmem16a所编码，可用来鉴别标记ICC；动物实验表明，将大鼠的Ano1基因敲除后，Ano1活性的丧失导致ICC中不协调的Ca2 +瞬变，导致平滑肌收缩的协调性丧失，并表明Ano1在调节胃肠道平滑肌收缩的协调性上起重要作用；实验同时也证实，Ano1在慢波电位的起搏中扮演着重要的角色[28]。(2)钾离子通道：现已证实，ICC可表达多种钾离子通道，如：ATP敏感型钾离子通道[29]以及人类结肠组织中发现了 hERG 钾通道[30]，其作用是参与调节Ca2+的释放或内流而影响起搏电流的形成。(3)钙离子通道：目前可以证实的是ICC上存在T型及L型钙离子通道，其中T型Ca2+通道是低电压依赖型，Ca2+离子的内流使得ICC去极化，参与慢波电位的起搏，并使得慢波通过ICC网络结构在细胞之间传递[31]。Hyun Jung Kim等[54]研究认为，5-TH也可能参与了Ca2+的调节，剂量依赖性地使ICC起搏器电位去极化。

2 ICC与术后胃肠道功能恢复的相关性

目前的相关研究已经证实ICC数量的减少同多种疾病的发生和发展有着重要关联，如胃瘫[12]、贲门失迟缓症[32]、炎性病变[33]、溃疡性结肠炎[34]、克罗恩病[35]、急性胰腺炎[36]、胆囊炎[37,33]、慢性传输型便秘[38]、术后胃肠道功能恢复[39,40]，不明原因的呕吐[41]、肠易激综合征(IBS)[42]等。

ICC产生和介导慢波的传播，调节胃平滑肌的周期性收缩，并且已知ICC数量的丢失与慢波节律失常在胃瘫的发病机制中其重要作用[43]。在一项使用高分辨率(HR)多电极映射技术的研究中发现，大多数胃瘫患者存在一系列异常起搏的慢波和传导模式[44]。Mohammad Bashashati等[45]对28例顽固性胃瘫的患者行胃窦全层活检，并将结果与因其它原因行胃切除所取得的标本进行对比，观察到顽固性胃瘫患者肌间神经丛中ICC数量显著减少。在随后的研究中指出胃瘫的病因，年龄，性别，症状严重程度和胃排空时间与ICC计数没有显着相关性，但Gomez-Pinilla等[46]研究表明，ICC数量与年龄存在相关性，每十年减少约13%。胃电图检查时发现，ICC耗竭的病例与ICC计数正常的病例相比，正常慢波的数量明显减少且胃动过速的次数增加；Jiao Zhao[47]等研究表明，电针刺激(EA)穴位ST36[48]可促进干细胞的增值及分化，增加骨髓来源的ICC，改善胃排空延迟并增加了c-Kit的表达，提示EA对胃轻瘫的作用可能由ICC介导，从而改善胃排空障碍。Timothy R. Angeli[41]等针对不明原因呕吐(CUVN)的研究中发现，CUNV患者的ICC计数较对照组少，且有轻度超微结构异常，CUNV患者的ICC耗竭程度低于胃瘫患者，但却表现出相似的慢波节律异常。Yong-bing Wang等[38]实验发现，通过药物干预的慢性传输型便秘小鼠(对照组)与未经过药物干预小鼠(实验组)相比，在食物通过消化道时间等指标上存在有差异性；镜下比较发现，实验组小鼠结肠中Cajal间质细胞的基底膜遭到破坏，与周围细胞的连接中断，并且细胞核出现了不同程度的萎缩，同时，ICC数量和C-Kit表达也较对照组明显的降低。结果证实ICC的减少和功能障碍可导致结肠中慢波活动减少，阻断肠神经系统和平滑肌细胞之间的信息传递，延缓起搏细胞和平滑肌细胞之间的电刺激传递，导致平滑肌收缩力下降，结肠运动障碍和粪便转运延迟。此外，针对部分肠梗阻的动物模型研究发现[49]，部分肠梗阻导致炎症介质增加，抗炎介质无明显变化，慢波活动和ICC数量减少。给予电针刺激穴位足三里，可明显阻断炎症介质的继续释放，使得ICC数量逐渐恢复，无活性的ICC逐渐恢复至其功能性的C-Kit阳性表型，侧面证实了ICC的可塑性。Yanagida H研究肠道手术对于ICC，神经反应和基本电节律的影响发现术后胃肠运动的消失与ICC网络破坏，基本电节律和细胞收缩性缺失有关，随着ICC网络的重建，胃肠运动于术后24小时逐渐恢复[39]。研究者对参照组(假手术组)大鼠行肠道离断再吻合，实验组大鼠行小肠大部分切除术，减少ICC的数量并破坏其网络结构的完整性，使得大鼠出现胃肠道功能紊乱，分别于术后7天及14天检测肠道内慢波电位的产生以及C-kit(+)细胞的数量及密度，结果发现在术后14天，对照组大鼠随着肠道功能的恢复，C-kit(+)细胞的数量及密度恢复到术前水平，而实验组的C-kit(+)细胞明显减少且未出现典型的慢波电位。电镜下显示ICC细胞明显肥大，基本电节律振幅明显缩小，频率明显加快。这些差异表明ICC功能的改变是造成慢波传递中断的原因[8]。当ICC完整的网络结构被破坏后，所监测的慢波产生的幅度以及神经传递信号图像上的改变均随着ICC结构的变化而变化。术后肠梗阻(POI)是一种胃肠动力障碍，发生在腹部手术后，由炎症引起的平滑肌和肠神经元功能障碍引起，Kaji N[40]等研究者进行肠道手术操作(IM)以诱导POI的出现，分别在IM后24小时及48小时，测试肠道肌层的电位变化，同时通过免疫组织化学和电子显微镜分析组织标本。结果显示，由于肠道肌层炎症反应的存在，IM后24小时胃肠道运动明显减少，48小时后明显改善。在IM后24小时，原始起搏电位的产生和传播是中断的，并在48小时后逐渐恢复到对照水平。通过免疫反应检测c-Kit发现，ICC网络结构在术后24小时是明显中断的，术后 48小时逐渐恢复期完整性，这与胃肠道功能逐渐恢复的时间是一致的。实验同时证实一氧化氮合酶抑制剂可抑制ICC网络的破坏。Huang Y[50]等研究肠切除对小鼠硫化氢(H2S)生物合成和ICC的影响。研究结果显示肠切除诱导的肌层炎症反应使得吻合口附近胱硫醚-c-裂解酶(CSE)的mRNA表达上调，产生过量的H2S，损伤ICC，导致肠道运动功能障碍，提示术前抑制内源性H2S可能会保护ICC。Ding XW[51]等研究使用不同的手术方式对消化道重建，并观察术后的胃肠道功能恢复是否存在差异，研究从肠道吻合口附近炎性反应、ICC的凋亡以及肠道转运率三方面进行比较，结果表明肠道炎症以及损伤的改善可能有助于减少ICC损失，更有利于肠道功能的恢复。

3 总结

ICC通过协调平滑肌功能和产生节律性慢波收缩，维持正常肠道功能，由于C-kit阳性细胞的减少或过度增殖导致各种人类胃肠动力障碍[36]，但是目前所发现的因ICC数量及功能异常引起的疾病中，依然无法明确是由于ICC 异常导致相关胃肠道功能紊乱，还是由于病理状态下引起ICC数量及功能的继发性改变；Albertí等[52]研究也证实，携带C-kit突变基因的小鼠胃肠道中ICC的数量是不合理的，Zhen-peng Huang等[33]在胆囊结石的动物模型中也证实，炎症反应越严重，SCF及ICC相关的mRNA的表达水平越低。这些研究也在一定程度上正是ICC数量及其网络的破坏可能与mSCF /ckit信号传导表达下调相关[53]，但其具体机制还有待进一步研究。这也为以后进一步探究ICC相关基因表达或通道蛋白来改善胃肠运动提供了可能行，从而促进术后胃肠功能恢复。