肠神经系统的结构和功能

肠神经系统的结构和功能

胃的行为反映了肌肉、粘膜皮和血管整合的功能。肠神经系统(ENS)是组织和协调上述三个效应器在组织器官水平上产生有意义的功能行为模式的“肠脑”,储存有多种胃肠行为模式的神经程序。ENS神经节的神经元相互连接形成独立的具有与脑和脊髓类似的整合和处理信息功能机制的神经系统。自然选择在消化道进化形成了一个壁内的“微型脑”以就近控制和调节分布于数米长的胃肠道中的效应系统,这些神经控制都不必依赖中枢。肠神经系统(entericnervoussystem,ENS)由胃肠道、胆胰系统中所含的神经节及其间的网络组成,包括粘膜下丛、深肌丛及肌间神经丛等,这些神经丛始于食管下段,一直延伸到肛管齿状线水平”。ENS由感觉神经元、中间神经元和运动神经元“连线”组成。ENS运动神经元包括兴奋性和抑制性运动神经元。肠兴奋性运动神经元释放刺激肌肉收缩和粘膜腺分泌的神经递质;乙酰胆碱和P物质是由其释放的刺激肌肉收缩的主要神经递质;肠抑制性运动神经元释放抑制肌肉收缩的神经递质;VIP和一氧化氮是消化道神经肌肉接头处的抑制性神经递质。本文主要介绍抑制性神经递质VIP和兴奋性神经递质P物质。一、血管活性肠肽(VasoactiveIntestinalPeptide,VIP),又名舒血管肠肽,为一直链肽,分子质量3323D,属胰高血糖素2胰泌素家族,在生物体内分布极广,其作用也较广。在生物体内,它既作为胃肠道激素,又是神经肽。近年发现许多免疫活性细胞不仅能释放少量VIP,在其表面也有VIP高亲和力受体存在,最近也有研究揭示VIP是神经系统和免疫系统之间相互作用的一种信号分子,在机体免疫,尤其是在局部粘膜免疫中起着一定的作用。1、VIP的结构:Said和Mutt于1970年首次从猪小肠的甲醇抽提液中经分离纯化得到VIP,为28肽。其后Carlquist、Wang、Gafvelin、YunxiaWang、Uesaka等从其它动物中也提取了VIP,溶液构象的结果指出,VIP具有20%的螺旋结构,80%是松散无序结构。从结构角度分析,VIP的10~28位顺序对其作用的专一性较为关键。Bodanszky等合成了一系列VIP类似物,VIP(7~28)具有15%的生物活性,Makhlauf等指出,VIP的1~8,18~28,15~28和14~28片段均无活性。2、VIP在生物体内的分布、分泌:VIP的分泌细胞广泛存在于胃肠道(自食管至直肠),主要发现在粘膜的内分泌细胞和粘膜下的细微神经纤维、肠肌神经丛。包括结肠、回肠、空肠及十二指肠等。corco-ran用放射免疫的方法研究表明,马喉中VIP含量极为丰富,特别是在杓状软骨上面。另外,在大脑发现大量的VIP,尤其是神经突触部位,这些神经末梢与平滑肌、微血管及胰脏外分泌腺体等相联系,此提示VIP有神经传递物质的作用。VIP在脑内分布不匀,在下丘脑某些区域、皮层、杏仁、海马、纹状体等处含量较高。垂体门脉血中VIP的浓度显著高于外周血的。VIP的分泌细胞曾有人称为H细胞,现改称为D1细胞,通常呈椎体形,具有长而尖顶的触角状结构—微绒毛,挺出于腺腔,从而可以直接感受腔内的分子信号,并传递到细胞内部,作出释放活性肽的反应,其分泌量很大,远远超过其它胃肠道激素的含量。神经电刺激,迷走神经、前列腺素E1、催产素、皮质酮的刺激都能促进VIP的释放。3、VIP受体:到目前为止,还没有低等脊椎动物VIP受体的序列信息。通过筛选一个金鱼的脑及脑垂体cDNA文库,获得了第一个非哺乳动物的全长VIP受体cDNA。对这个受体在哺乳动物COS27细胞中的功能表达表明,它以依赖VIP与PACAP的浓度的方式与cAMP产物相连。VIP通过与其受体结合而发挥作用。其受体在多种肿瘤组织细胞膜上均有高密度表达。Laburthe等发现结肠癌细胞表面存在VIP受体。Reubi对339例涉及17种肿瘤,病理类型多达23种的肿瘤患者组织切片进行了体外放射自显影研究,结果发现,VIP受体不论在神经内分泌源性肿瘤,还是在上皮源性肿瘤均有过量表达。体外放射自显影切片还可看出,VIP受体呈高密度的表达。受体的竞争性抑制实验的结果显示:受体与配体呈高亲和力结合。一般认为,VIP通过以下方式对肿瘤细胞的增殖和分化进行调控:1)VIP与癌细胞表面的VIP受体结合,通过与受体耦联的G蛋白激活腺苷酸环化酶,使细胞内cAMP(cyclicadenosinemonophosphate)浓度发生变化,从而影响癌细胞的增殖和分化。Kim等观察到向体外胃癌细胞系加入一定剂量的VIP后,其cAMP含量升高,c-myc的mRNA表达减少,肿瘤细胞的生长受到抑制。4、VIP的功能:(1)VIP作为胃肠道激素的生物功能。Said和Mutt最初发现它有使平滑肌松弛和舒血管作用,以及VIP具有一系列的药理作用,它对动脉有强有力的舒张作用,对心脏有收缩作用,可以促进全身血液流动及降血压的作用,减低外周血管的阻力;可致血浆葡萄糖暂时升高,以及胰岛素排出增加;它对肺脏也有强烈的效应,另外能拮抗由前列腺素F2引起的收缩效应,并能增加30%的肺泡气流量。粘膜内分泌细胞含有VIP,而血浆VIP水平很低,且破坏迅速,半衰期低于1min,故提示VIP并非循环激素,可能为旁分泌起局部作用的激素。它主要在肝脏灭活,生理情况下在上端小肠分泌,进入门静脉,使门静脉血流增加、血糖增高和胰岛素释放,并使胆汁和胰液分泌增加,为消化和吸收提供了良好条件。因经肝脏灭活,故无明显的全身效应。VIP可自行分泌和旁分泌对气道上皮细胞发挥调控作用,保持气道上皮完整性,维持气道局部微环境的稳定。VIP与胰泌素2胰高糖素族相类似,能刺激胰岛素释放,抑制胃酸分泌,释放肝糖,刺激胰及小肠液的产生,松弛胆囊,促进HCO3-分泌可松弛胃肠道平滑肌、括约肌和胆囊,并可扩张血管及促进胆汁、胰液和肠液分泌。另外一些文献报道它还刺激肠的蠕动,促进肠水分及盐的流失,VIP的分泌量过少也会引起便秘。(2)VIP作为神经肽的生物功能。VIP能引起觉醒效应、提高体温、激活脑组织的腺苷酸环化酶。VIP可能在控制心房的心律不齐的迷走神经中起作用,也有实验证明它作为一个非肾上腺素能的、非胆碱能的神经传递素在5-羟色胺诱导CI-的分泌中起调节作用,它也在神经元和星形胶质细胞中起信号传导作用,且对星形胶质细胞的保护作用是必需的。(3)VIP对免疫功能的影响。淋巴细胞可能产生VIP,并在中央和外围淋巴器官中发挥旁分泌功能,说明VIP参加神经和免疫系统的双向通讯。VIP受体基因在中间和外围淋巴器官中的表达说明VIP是一种免疫调节肽。它对淋巴细胞特别是T淋巴细胞的活动有抑制作用,但不影响B淋巴细胞的功能。5、VIP及其受体的应用前景:有学者提出可能的应用前景包括:治疗支气管哮喘;增加局部供血,用于治疗阳萎、冠心病、高血压左心室心衰;用于早期鉴别诊断不同类型白血病体外结合研究表明,多种肿瘤组织细胞膜上具有高密度与高亲和力的VIP受体表达,包括胃肠道胰腺肿瘤、小细胞肺癌、脑膜瘤、多种病理类型的乳腺癌症、神经母细胞瘤。所以VIP在多种实体瘤的诊断与治疗上有相当作用。Virgolin、Reubi等用体外放射自显影和放射免疫的方法证实用VIP受体进行肿瘤诊断的可行性,利用VIP受体的拮抗剂来抑制肿瘤细胞的生长,从而达到治疗肿瘤的目的。如采用VIP受体的拮抗剂VIPhy-brid可明显抑制乳腺癌细胞的增殖,拮抗VIP引起的c-fos与c-myc的表达。在非小细胞肺癌细胞系NCIHl299中,一种VIP受体拮抗剂(SN)VIPhybrid可明显拮抗VIP引起的cAMP增加,从而抑制非小细胞肺癌症增殖。因此表明VIP有十分广阔的应用前景。随着分子生物学技术迅猛发展,基因工程技术的不断成熟。已在中国仓鼠卵母细胞(CHO)中稳定表达了重组人类VIP受体。利用定点突变技术,在COS27细胞中表达了重组受体。在蛋鸡产蛋期,VIP可控制鸡体内的PRL水平减少抱窝行为,提高产蛋量。二、P物质(SubstanceP,SP)1931年vonEuler和Gaddum在马脑和肠的提取物中偶然发现的一种物质,1953年Pernow应用氧化铝柱吸附技术获得了第一代纯化的制剂,1971年Chang等将牛下丘脑提取物经凝胶过滤、离子交换层析及高压纸上电泳后确定了SP的分子序列,阐明了其化学结构为十一肽,H—Arg—Pro—Lys—Pro—Gin—Gin—Phe—Phe—GIy—Leu—Met—NH2,分子量为1348D,属于速激肽(TK)族。1979年Vijayan首次报道了SP与生殖功能有关。用重组DNA技术研究P物质的前体发现P物质来源于前速激肽原(Pre—Protachykinin,PPT)。因此P物质也有速激肽类物质之称。PPT可分成PPT—APPT—B两种,前者又可分为α—PPT—A、β—PPT—A及γ—PPT—A。分子水平的研究又进一步发现,在α—PPT—AmRNA仅含P物质片段,而γ—PPT—A和β—PPT—AmRNA中同时含P物质和K物质(SubstanceK,简称SK),又名Neurokinina(NKA)片段。PPT—B基因序列中仅含NeurokininB(NKB)。合成的P物质、NKA、NKB分别可作用于相应的受体。1、SP物质的作用机理:P物质广泛地分布于神经系统和外周组织中,呈现出复杂地生理效应。其作用如下:神经内分泌系统,在神经系统中,SP可能起到调节神经元活动的作用,具有刺激神经元,引起神经元兴奋的作用;并通过引起神经细胞膜去极化,K+内流减少,起神经调质的作用;并且参与了腺垂体激素分泌的调节,主要表现为下丘脑的SP神经元释放SP入垂体门脉血中,并可到达垂体前叶参与垂体前叶激素分泌的调节,有研究表明在人类和豚鼠SP主要分布在促甲状腺激素细胞周围,参与这些激素分泌的调节;在周围神经系统,SP主要在一级传入神经元内合成,沿周围突输送至外周组织内,亦沿着中枢突分别至脊髓后角和孤束核。SP具有免疫调节作用:SP既可影响非特异性免疫也可增强特异免疫。高巍等在研究针刺对神经内分泌免疫网络影响时也发现SP可直接和间接地增强局部和全身免疫系统功能,表现为T淋巴细胞亚群改变。其他作用:在胃肠道,SP能抑制胃酸分泌,刺激胃蛋白酶分泌,促进肠蠕动时的头端收缩。对胃肠道平滑肌有双重收缩效应,即对环行肌和纵行肌都有收缩作用,并可引起胆囊收缩。SP通过与其受体相结合发挥生物学效应。SP与受体结合,激活磷脂C(phos—pholipaseC,PLC)β,使磷脂酰肌醇二磷酸水解,产生肌醇三磷酸(inositoltriphosphate,IP3)和甘油二酯(diacy12glycerol;DAG),IP3使胞内钙浓度升高,DAG则可激活PDC。Ca2+信号系统引发一系列生理功能,而PKC调节的细胞效应也很广泛,包括分泌作用、肌肉收缩、DNA和蛋白质合成、细胞的分化及基因表达。研究表现,在急性分离的脊髓神经元细胞、培养的新生大鼠脊髓神经元细胞及大鼠腺垂体催乳激素细胞(prolactin,PRL),SP2SPR复合物通过G2蛋白与PLC相偶联产生IPS。同时也有实验证明了SPR介导唾液分泌时激活PLC产生IP3和DG,从而引起细胞内钙增加,以胶钙离子依赖性钾、氯通道开放,促进钙离子内流,并且证明这一过程中如果去除细胞外钙离子,P物质的这一作用也会减弱。环腺苷酸(cAMP)依赖的蛋白激酶途径,小剂量生理浓度的P物质就可诱导cAMP的生成。早有研究发现在培养的成神经细胞瘤细胞,SPR的兴奋与腺苷酸环化酶(AC)的活化相偶联,使cAMP含量增加;而在鼠腮腺细胞,SPR的兴奋则通过G1和AC的抑制相偶联,使cAMP生成减少。目前认为SP与NK21R结合通过Gaq激活AC使cAMP升高,从而激活依赖于cAMP的蛋白激酶(PKA);活化的PKA进入核内,使转录因子cAMP反应元件结合蛋白即CREB(cAMPresponseelementbindingprotein,CREB)磷酸酶活化而具有转录活性,从而启动下游基因如C—FOS等的转录,而完成信号转导途径。丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)途径,配体诱导的G蛋白偶联受体的激活也是活化某些含有内在酷氨酸激酶受体的重要途径之一。以上途径中第一、二条途径是P物质发挥作用的主要途径。另外在SMG细胞中,SP可通过电压依赖性钙离子通道发挥作用。2.SP与临床多种疾病有关:(1)SP与帕金森氏病和亨廷顿氏病纹状体的正常功能与其速激肽、脑啡肽等神经肽的正常表达有关。正常PPTmRNA和前脑啡肽原mRNA在纹状体的中等大小神经元表达。纹状体的GABA/SP和GABA/脑啡肽两类神经元对运动的调节起相反作用,丢失GABA/SP神经元会导致运动过少如帕金森氏病,而丢失GABA/脑啡肽神经元则引起运动过度如舞蹈病。帕金森氏病病人的尾核和中间外侧壳核PPTmRNA的表达明显增加,前脑啡肽原mRNA的表达也增强,但PPTmRNA的表达增加更多。这提示帕金森氏病人纹状体神经肽的选择性上调和间接纹状体苍白球通路的活动增强,在病人的运动不能和僵直等症状的发病中有重要作用。亨廷顿氏病病人纹状体的前脑啡肽原神经元和PPT神经元优先丧失,前脑啡肽原神经元的丢失比PPT神经元的丢失严重。病人壳核和尾核的所有区域脑啡肽和SP的mRNA减少。(2)SP与头痛多年以来,认为头痛和偏头痛是由于颅内血管的过度扩张,因此血管收缩药如麦角胺等被用于治疗头痛。最新研究表明神经肽及其受体和神经源性炎症反应在头痛的发病中有重要作用。从初级传入神经末梢释放了较多的神经肽如SP等物质,SP再通过触发肥大细胞释放组胺、前列腺素、缓激肽、5—HT等炎症介质,引起脑脊膜的神经炎症反应,这是头痛的重要发病机制之一。临床上已证明,通过用辣椒素耗竭鼻粘膜的SP或高压氧疗减少外周SP的水平,能减轻密集型头痛和偏头痛的发作。(3)SP与胃肠道和泌尿系统疾病SP对胃肠道的作用是通过NK1,NK2,NK3三种受体介导的。NK1受体主要存在于平滑肌,如胃肠道和血管的平滑肌,NK2受体也参与收缩作用,NK3受体通过间接从肠肌神经丛释放乙酰胆碱参与收缩作用。SP通过与这三种受体相结合,以肽特异性和区域特异性方式影响肠的运动、电解质和肠液的分泌。某些胃肠道疾病,如非溃疡性消化不良和消化溃疡病病人的胃粘膜有SP聚集。间质性膀胱炎病人的粘膜下层SP阳性神经纤维数目也增加,提示SP与肠道刺激症和间质性膀胱炎的发病有关。SP通过触发肥大细胞释放组胺、前列腺素、缓激肽、5—HT等炎症介质,引起了神经性炎症和疼痛。(4)SP与风湿病风湿性关节的滑液中SP的水平明显增高,提示SP在风湿病的发病有重要作用。它既增强了风湿关节的炎症反应,也参与风湿病的迁延和恶化,这也许可以解释该病的某些临床症状如关节炎、疼痛、痛性神经营养不良等。(5)SP与其它疾病变异性心绞痛的发病与SP也有关。冠状动脉的舒张与SP有密切关系,SP功能紊乱引起的内皮机能障碍导致了冠状动脉痉挛。脊髓空洞症病人脊髓的SP水平异常,空洞脊髓节段的SP明显减少或缺失影响了痛觉的调制和感受,引起了感觉障碍。SP在哮喘的发病中也起重要作用。3、SP受体拮抗剂及其临床应用前景:应用SP受体拮抗剂阻断SP的效应可产生多种治疗作用,目前SP的受体拮抗剂主要有sendide,spantide,CP296345,CP99994,RP67580,SR48968,CP2122721,MDLl05,212A等。(1)治疗头痛初级感