Cell：诺奖得主完善背根神经节中PIEZO2蛋白的作用，调控消化过程
胃肠道处于持续不断的运动状态。这些运动被胃肠内容物所调控，并通过机械分解和推动来帮助消化。肠道中的机械感知被认为对于调节运动是必不可少的；然而，目前对于参与这种感知的神经元群体、涉及的分子以及功能影响尚不清楚。
机械敏感性通道PIEZO2是由2021年诺贝尔生理学或医学奖得主美国分子生物学家和神经学家Ardem Patapoutian发现的。研究表明它不仅在感知轻触和本体感知等生理过程中起着至关重要的调控作用，还在内部感知中发挥关键功能。
近日，Ardem Patapoutian团队在Cell上发表研究，证实了PIEZO2蛋白在感知肠道内容物和调节胃、小肠和结肠中食物传输速率方面的重要性，进一步完善了背根神经节中PIEZO2蛋白的作用。该研究为我们深入理解机体对于消化过程中的感知与调控提供了新的见解。
1. PIEZO2缺乏的个体中存在胃肠道功能障碍
为了解PIEZO2在人体胃肠功能中的作用，我们对携带PIEZO2缺失功能变异的个体进行了胃肠道健康和病史评估，并通过使用PROMIS问卷收集了患者报告的胃肠症状。研究结果显示[Fig.1]，PIEZO2缺陷个体在胃肠功能方面存在感知障碍，如排便异常和胃肠不适，影响其生活质量。这一发现揭示了PIEZO2在人类胃肠生理和病理生理学中的重要作用，为进一步研究胃肠功能障碍的发病机制和治疗提供了新的线索。
Figure 1 PIEZO2缺乏个体中存在胃肠功能障碍
2. 感觉神经元中Piezo2对于小鼠胃肠功能是必需的
为研究神经元Piezo2在胃肠道功能中的作用，研究人员构建了外周感觉神经元Piezo2特异性敲除鼠模型（Piezo2SNS小鼠）[Fig.2A]。结果发现，与Piezo2WT同胞对照相比，Piezo2SNS小鼠的胃肠道通过时间加快[Fig.2B]，粪便水含量显著增加[Fig.2C,D]，干粪便重量显著较低[Fig.2E,H]，粪便尺寸较小[Fig.2F,G]。有趣的是，在禁食的Piezo2SNS和Piezo2WT小鼠之间没有观察到任何差异[Fig.2I]。提示肠道内容物施加的机械信号通过Piezo2直接或间接地在体内调节胃肠道通过，且Piezo2依赖的胃肠道通过“减速”仅发生在充实的胃肠道内。
Figure 2感觉神经元中Piezo2通道调控小鼠胃肠道功能
3. 小鼠体感神经元Piezo2对胃肠道传输起重要作用
Piezo2 在影响胃肠道运动的细胞中表达，包括支配肠道的脊髓和迷走神经起源的外在神经元，以及小肠和结肠的肠嗜铬细胞。结果发现，使用 Phox2bCre鼠，特异性敲除迷走神经节中的Piezo2后，小鼠的胃肠道传输时间和排便频率，以及粪便水含量、干粪重量和新鲜粪便尺寸都无明显异常[Fig.3A]。使用 Hoxb8Cre靶向尾部 DRG 和肠道上皮细胞，结果发现胃肠道传输时间加速，排便频率增加，粪便水含量增加，粪便尺寸（干燥和新鲜）减少[Fig.3B]，与Piezo2SNS模型相似。
使用Vil1Cre鼠，特异性敲除肠道上皮细胞中的Piezo2后，小鼠的排便频率、水含量、粪便尺寸和重量都无明显异常[Fig.3C]。在鞘内注射 AAV-PHP.s 病毒去除DRG神经元中的Piezo2后，结果发现小鼠胃肠道传输时间显著减少，排便频率增加[Fig.3D]。这些发现提示DRGs中的Piezo2对维持胃肠道传输稳态至关重要。
Figure 3小鼠背根神经节中Piezo2对于胃肠道传输是必要的
4. 神经元Piezo2介导了小鼠的胃排空、肠传输和结肠传输
为了调查Piezo2表达的体感神经元是否调节整个胃肠道的运动功能。研究人员用一种不可吸收的近红外荧光染料（GastroSense-750）灌胃Piezo2SNS和野生型仔鼠[Fig.4A]，结果发现，在灌胃后30分钟和45分钟观察到Piezo2SNS小鼠胃排空速度较野生型对照组更快[Fig.4B]；在十二指肠植入导管输注染料，并量化了绕过胃的肠道传输时间[Fig.4C]，结果发现，Piezo2SNS小鼠的小肠传输时间显著减少[Fig.4D]；在盲肠植入导管输注染料到结肠，绕过胃和小肠来直接检查结肠传输[Fig.4E]，结果发现，Piezo2SNS小鼠的结肠传输时间显著减少[Fig.4F]。
这些数据表明，在肠内容物存在的情况下，Piezo2感觉神经元调节胃、小肠和结肠的推进运动。另外，研究者还进行了腹腔神经节切除术（CGX）[Fig.4G]，结果发现，CGX后野生型小鼠的胃肠道传输时间显著缩短，而Piezo2SNS组没有变化[Fig.4H]，结果提示，感觉神经元中的效应通过交感神经作用于胃肠道传输，并且Piezo2-外部感觉神经支配产生GI传输加速的上限效应。
Figure 4神经元中Piezo2调控小鼠的胃排空、小肠传输和结肠传输
5. Piezo2表达的体感神经支配胃肠道
将AAV9-flex-GFP通过硬膜外注射到Piezo2Cre小鼠（Piezo2-ires-Cre:AAV9-flex-GFP，Piezo2GFP）中[Fig.5A]。结果发现，在胃肠道的下部，结肠呈现出最高的神经支配密度和最丰富的IGVE网络[Fig.5B,C]。有趣的是，整体制片显像显示Piezo2GFP标记主要在胃内发现神经节内扩张末梢（IGVEs）[Fig.5D]。提示源自DRG的Piezo2感觉末梢支配胃、小肠和结肠，以IGVEs为主要形态。
Figure 5 Piezo2表达的DRG神经元可支配胃肠道
6. 背根神经节中Piezo2可以感知结肠扩张
为了研究小鼠对直肠扩张的反应，研究人员在Piezo2SNS和Piezo2WT小鼠中引入了玻璃珠并量化其排出时间[Fig.6A]。在使用1 mm和2 mm珠子时，我们没有观察到两组小鼠排出时间的显著差异[Fig.6B,C]。然而，当使用较大的3 mm珠子时，与Piezo2WT对照组相比，Piezo2SNS小鼠的珠子排出时间显著增加[Fig.6D]。当测试4 mm珠子时，结果发现，Piezo2SNS小鼠的珠子排出时间明显延迟[Fig.6E]。
接下来，为探讨Piezo2是否直接需要感知胃肠道内的机械刺激。研究人员采用结肠制备方法，在麻醉的小鼠中引入软刷并充气结肠，同时使用钙敏感指示剂GCaMP6f记录DRG神经元的活动[Fig.6F]。结果发现，Piezo2WT小鼠在经过皮肤刺激（喷气、轻抚和有害夹紧）后的骶1级（S1）神经元表现出快速而强烈的反应[Fig.G,H]。引入和拿出结肠软刷，并在Piezo2WT小鼠中充气结肠球后出现钙响应[Fig.6G-I]。对温和刺激（喷气和刷过）的反应在Piezo2cKO小鼠的体感神经元中明显减弱[Fig.6G,J]，证实了Piezo2在触摸感觉中的作用。值得注意的是，Piezo2cKO小鼠的所有结肠刺激反应（刷子插入和取出以及充气球）均被消除，仅有对疼痛夹紧的反应保留[Fig.6G,J,K]。以上结果提示，来自DRG神经元Piezo2是结肠扩张的关键感受器。
Figure 6 背根神经节中的Piezo2是结肠扩张的关键感受器
总结
综上，本研究证实背根神经节神经元中的Piezo2是感知胃肠内容物并减慢食物在胃、小肠和结肠中传输速率所必需的。这对于胃肠内容物如何触发机械感知的背根神经节神经元来控制胃肠系统传输提供了分子和细胞层面的解释。目前尚不清楚感觉末梢中的Piezo2是检测胃肠内容物通过肠道还是由胃肠内容物触发的持续性肠道收缩。
文章还提出多个未来研究方向：
Piezo2离子通道在迷走神经元和肠神经元中的作用；
在环境因素（饮食、压力和运动）改变时不同的神经和非神经系统如何相互作用来协调肠道运动；
明确PIEZO2在胃肠疾病中功能如何改变。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.07.006
参考文献
Servin-Vences MR, Lam RM, Koolen A, et al. PIEZO2 in somatosensory neurons controls gastrointestinal transit. Cell. 2023;186(16):3386-3399.e15. doi:10.1016/j.cell.2023.07.006
编译作者：Lily（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
