Cajal间质细胞与胃肠道动力疾病的相关性研究进展

潘慧斌，陆建锋，汪 瑶(综述)，李睿明(审校)

(湖州师范学院医学院生理与药理学教研室，浙江 湖州 313000)

1893年，西班牙神经解剖学家Sandago Puamony Cajal利用甲基蓝及嗜银染色的方法在胃肠道内首次发现了一类特殊的间质细胞，称为Cajal间质细胞(interstitial cells of Cajal,ICC)。随着研究进展，人们发现ICC是胃肠道电生理运动的起搏细胞，对维持胃肠道正常功能起着广泛性决定性作用，ICC的早期发育分化障碍，形态结构或分布异常，病理性损害，衰老时的凋亡或退行性变均可能成为推动胃肠动力障碍性疾病发生、发展的关键性病理学及病理生理学机制。该文就胃肠道ICC的最新研究进展及其于胃肠道动力障碍性疾病相关性进行简要综述。

1 胃肠道ICC的形态学特点

ICC广泛存在于环行肌层与纵行肌层之间，紧邻胃肠道肌间神经丛，是密切联系胃肠运动神经元与平滑肌细胞的间质细胞。在食管和胃肠道内ICC呈网络状分布，呈纺锤状或星状，细胞核大，呈卵圆形，染色质分散，胞质少，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。ICC内含有丰富的线粒体和中间丝，在ICC之间以及ICC与平滑肌细胞之间的大的缝隙连接是所有类型的ICC所共有，并且可作为鉴别它们的依据[1]。

1992年，Christensen[2]总结了ICC的基本超微结构特点：核呈圆形或卵圆形，染色质分散；胞质相对较少，存在显著可见的滑面内质网、线粒体和发育良好的高尔基体；而粗面内质网并不明显，几乎未发现微管微丝蛋白和游离核糖体；膜内有液泡，基膜不完整；胞体靠近神经纤维，突起与平滑肌细胞间存在缝隙连接。ICC基本超微结构的正确描述对于后期ICC相关形态学研究的进展具有积极意义。

2 胃肠道ICC的功能特点

自100多年前在胃肠道中发现ICC后，胃肠道中ICC一直是研究的热点。目前普遍认为，ICC具有调控胃肠道自主节律运动的功能，主要参与胃肠道慢波电位产生和传播，是胃肠道慢波起搏细胞，同时在消化道电活动的传播及介导神经信号转导中扮演着重要角色。

2.1ICC的电生理学特性与胃肠道起搏 1914年Keith在发现心脏窦房起搏组织的基础上，最早提出了ICC可能是一种胃肠道起搏细胞的观点，后来电生理研究和细胞超微结构研究发展证实了他的观点，在胃肠道电生理学方面，ICC在产生慢电波与电信号转导方面扮演重要角色。赵鹏等[3]利用新鲜分离的小鼠胃ICC，膜电位钳制在-60 mV的条件下发现自发、节律性内向电流，这种内向电流对低钙、钙调蛋白抑制剂敏感。证明了ICC具有一定的电节律性，与胃肠基本电节律的起搏存在一定相关性。尽管ICC在胃肠道中的起搏作用已是不争的事实，但有关于ICC起搏机制依旧存在“钙激活氯离子通道学说”与“低钙敏感的非选择性阳离子通道学说”两种学说[4]。ICC的起搏电生理机制依旧需要进一步研究。

此外，ICC还是基本电节律的传播者，类似于心肌组织起搏细胞。组织学超微结构的研究表明，许多物种的小肠ICC之间存在缝隙连接，胃肠运动神经末端与ICC间存在较为广泛的紧密连接，神经末端内存在大量的突触囊泡。缝隙连接可能是ICC行使其生理功能的基本结构之一。

而Yamazawa等[5]采用细胞内注射小分子染料观察其在细胞间扩散，发现在犬的小肠肠肌丛Cajal间质细胞(myenteric plexus ICC，ICC-MP)与环行肌或纵行肌间仅有少量缝隙连接，而在小鼠小肠几乎没有。这提示可能存在缝隙连接以外的其他连接机制参与了胃肠道的起搏活动及神经传导，这可能与OKi和Daniel在1974年采用高锰酸盐固定发现的胃肠平滑肌内的“楔-槽连接”具有一定相关性。Thuneberg[6]在针对小鼠小肠行球囊温和扩张的实验中还发现，“楔-槽结构”随着张力的增加，出现反馈性上调的现象可能与ICC充当非神经源性牵张感受器,影响平滑肌的兴奋性和慢波频率这一观点[7]具有一定相关性。胃肠道内神经传导连接的确切机制以及胃肠道起搏的调节机制还需进一步的研究。

2.2ICC的神经信号转导功能 肠神经系统是胃肠道完整的壁内神经系统，其功能在于独立、全面参与调控消化道运动、分泌、吸收和血液循环。形态功能研究表明，在胃肠神经肌肉连接中，ICC插入神经末端与肌细胞之间，与神经末端或者含不同种类神经元递质的膨体之间形成紧密的突触连接，而ICC与平滑肌细胞之间则存在缝隙连接或以其他连接蛋白紧密连接。肠运动神经末梢、ICC和平滑肌细胞共同组成一个功能性的元件，ICC在其中发挥了接受与传递兴奋和抑制性神经递质的作用。ICC自发电活动的产生和传播受到细胞内、外离子环境、兴奋与抑制性神经递质和激素等多种因素的影响。

目前认为，胃肠道抑制性递质主要有一氧化氮和舒血管肠肽，兴奋性神经递质主要有乙酰胆碱和神经激肽[8]。此外，在ICC上已发现了十余种类型的受体，包括：缩胆囊素受体A、G蛋白偶联受体(PKA，PKC)、胆碱能(M2，M3)受体、神经激肽(NK1，NK3)受体、嘌呤能(P2Y1，P2Y4，P2X2，P2X5)受体、5-羟色胺(5-HT，5-HT3，5-HT4)受体等[9]。推测不久的将来可能可以运用ICC细胞膜表面相关受体对ICC功能、结构及数量进行人为调控，对ICC特异性受体谱的不断深入研究应该会有力地促进ICC作为新型消化道动力药物靶点的研究。

2.3ICC与胃肠激素的关系 胃肠道机械运动过程受神经和体液的双重调节，胃肠激素在这两方面均扮演着重要角色，它们以内分泌、神经内分泌方式或通过肽能神经递质对胃肠道运动进行精细的调节，而在胃肠激素的调节过程中很有可能与ICC具有一定相关性。周吕等[10]采用亚甲蓝加光照选择性损伤ICC的方法研究发现，ICC损伤后促胰液素促进胃肌的舒张作用几乎完全消失，而针对胃动素受体激动剂[11]的研究中也有类似的发现。此外，Gong等[12]研究发现，胆囊收缩素可通过CCK1受体上调ICC内Ca2+浓度，进而调节ICC的生理功能。随着ICC细胞表面受体的进一步研究，ICC与胃肠激素的相关性也会逐步为人们所了解。

3 ICC与胃肠道动力障碍性疾病

3.1ICC与食管疾病

3.1.1胃-食管反流 胃-食管反流病(gastroesophagel reflux disease，GERD)是一种以胃灼热、胸痛、反酸和吞咽困难为主要症状的消化内科多发病，其发病机制主要与贲门处抗反流屏障破坏以及酸、胃蛋白酶、胆盐和胰酶对食管黏膜的攻击作用相关。目前，内科主要的治疗方法是应用质子泵抑制剂辅以黏膜保护剂促食管黏膜愈合及促胃肠动力药物提高食管下括约肌压力。近年来，长期应用质子泵抑制剂及促动力药的一些不良反应受到关注：质子泵抑制剂长期使用导致胃腺癌发生﹑老年人的骨质疏松﹑肠道内细菌过度生长等[13]。研究发现，Cajal间质细胞与GERD的发病过程存在极大相关性。李旭等[14]采用对幼兔行胃壁浆肌层切除术及食管贲门肌层切开的方法建立GERD动物模型，针对食管远端、胃体、胃窦部组织进行免疫组织化学检测发现，GERD组兔食管胃体区ICC阳性面积减少，阳性染色强度减弱，肌间神经区域更明显，而胃窦区无明显差异。Shafik等[15]提出，ICC可能参与GERD的发病过程，其分布情况随GERD程度的不同而异。食管肌电活动的监测可作为GERD分级诊断的辅助方法之一，可指导临床治疗。而针对ICC的进一步研究可能为GERD的药物治疗带来新靶点。

3.1.2贲门失弛缓症 贲门失弛缓症(achalasia of cardia,AOC)是一种食管神经肌肉障碍性疾病，以食管缺乏蠕动，食管下括约肌静息压增高为特征，其病因不明，可能与遗传、自身免疫、感染和环境等诸多因素相关。以往的研究认为，AOC主要与食管下段肌间神经丛及食管下括约肌内舒血管肠肽等抑制性神经递质减少有关。近年来研究发现，该病的发生、发展可能与ICC数目、结构、分布异常相关。Villanacci 等[16]采用免疫组织化学技术，对12例AOC患者的食管标本进行研究，发现疾病组标本中ICC较对照组明显减少。有学者用电镜观察AOC患者食管ICC，也显示其形态发生改变，线粒体及滑面内质网均有明显减少[17]。

3.2ICC与胃疾病

3.2.1胃潴留 胃潴留病因多样，可分为原发性与继发性两类，临床上多为继发性胃潴留，多由于腹部手术、创伤、糖尿病、代谢异常、药物服用等影响胃动力所致。近年动物模型研究显示，ICC减少或功能改变可能是导致糖尿病胃潴留的原因之一。Huizinga等[18]对NOD/LtJ小鼠的研究发现，胃窦大部分区域电活动静止、电节律紊乱、胃窦部ICC明显减少，ICC基本功能结构被破坏，引起胃容受性舒张功能受损。有研究显示[19]，糖尿病相关并发症包括糖尿病性胃潴留与氧化应激具有较大相关性，姜黄素可改善糖尿病性胃潴留大鼠胃排空率，减少ICC凋亡指数[20]。此外，胰岛素支持疗法也可减少Ⅱ型糖尿病所导致的ICC凋亡[21]。对于本病，临床上以治疗原发性疾病及促进胃动力为主要方法。此外，大量临床病例对照研究[22]显示，为难治性糖尿病胃轻瘫的患者植入永久起搏器产生高频胃电刺激可以显著地改善患者的上消化道症状、生活质量、营养状态、血糖控制等。这提示，改善ICC功能，使之产生并传递慢波，协调胃肠运动可能是治疗糖尿病性胃潴留及其他原因导致胃潴留的新方向。

3.2.2功能性消化不良 功能性消化不良(functional dyspepsia，FD)指具有持续上腹中部疼痛或患者主观感觉不适为主要症状，经检查排除引起这些症状的器质性、全身性或代谢性疾病的一组临床综合征。有研究表明，胃肠道ICC的结构及功能的改变，对FD的发生、发展起着非常重要的作用。徐寅等[23]采用郭氏夹尾刺激法建立FD动物模型，发现ICC超微结构被破坏，与周围细胞之间的连接结构也被破坏。但ICC与FD的关系尚需要进一步研究。

3.2.3婴儿特发性胃穿孔 夏丽娜等[24]针对19例(17例发生在胃大弯，2例发生在胃小弯)婴儿特发性胃穿孔(idiopathic gastric perfo-ration,IGP)研究发现，患儿胃组织中c-kit阳性细胞及Cx43阳性细胞表达明显减少。Daniel等[25]在针对IGP研究中发现妊娠29周时胎儿有很强的慢波节律，因此出生前肠肌神经丛Cajal间质细胞(auerbach plexus ICC，ICC-AP)功能上可能已成熟，但结构上未完全发育好，提示ICC功能和结构上发育的不同步导致的ICC缺乏可能是婴儿IGP发病原因之一。

3.2.4婴幼儿肥厚性幽门狭窄 婴幼儿肥厚性幽门狭窄(infantile hypertrophic pyloric stenosis,IHPS)是婴儿器质性呕吐的常见原因之一，病因未明。有研究表明，IHPS与ICC发育异常及神经元一氧化氢合酶缺乏[26-27]有关。张海兰等[28]对32例IHPS患者采用SP免疫组织化学技术研究发现肌间神经丛和环肌层内的ICC明显减少，它们形成的网络被破坏。有报道称IHPS行单纯幽门肌切开术后数月，ICC、肠神经元分布即接近正常，环肌增生等表现也明显缓解[26]。ICC在IHPS的疾病发生、发展过程中所扮演的确切角色还需要进一步探究。

3.3ICC与肠道疾病

3.3.1慢性假性肠梗阻 慢性假性肠梗阻(chronic intestinal pseudo-obstruction，CIPO)是一种肠肌神经丛病变或肠壁平滑肌病变引起的肠道运动功能障碍性疾病，表现为反复发作或持续存在的肠梗阻症状和体征，但无机械性肠梗阻的证据。CIPO被认为与ICC的减少具有一定相关性，Jain等[29]发现，6例原发性CIP患者c-kit+Cajal细胞全部缺失，而正常对照组、其他17例非原发性CIP肠道动力疾病组(包括8例继发性CIP)患者，ICC的数目和分布均正常。

3.3.2慢输型便秘 慢输型便秘(slow-transit constipation,STC)是一种由于涉及全胃肠道动力紊乱导致肠内容物从结肠近端到结直肠远端的通过时间比正常减慢而引起的便秘。张旭[30]研究发现，小肠肌层与远端结肠肌层ICC减少及分布的改变是STC患者肠道运动功能障碍产生的重要原因。在根据STC患者长期应用泻剂的用药史而建立的“泻剂结肠动物”模型的研究中，也可见ICC较对照组显著减少，结肠推进率显著延长的现象[31]。有临床前瞻性研究[32]显示，经皮电刺激对于难治性STC具有较好的对症治疗效果，提示，ICC所发出的胃肠慢波电位可能是该类疾病新型诊疗手段靶点。

3.3.3先天性巨结肠 先天性巨结肠(congenital megacolon，CM)又称先天性无神经节细胞症，其发病原因认为与病变肠管神经节细胞缺乏相关。近年来，大量研究发现CM的发生与ICC有极大相关性。李宁等[33]对34例CM患儿(男27例，女7例)钡剂灌肠24 h残留检查发现，CM患儿钡剂残留段肠管ICC减少。Piotrowska等[34]研究还发现，CM患者肛门内括约肌ICC缺失或稀少。

4 结 语

一百多年来,通过以Cajal、Daniel为代表的数百位相关领域科学家的努力，人们逐步了解了ICC形态学和超微结构特点,以及ICC在胃肠消化功能方面发挥的重要作用。ICC作为慢波发生器和传播者，决定和影响着胃肠基本电节律。大量研究已经证实，许多胃肠道动力异常疾病，如GERD、AOC、糖尿病性胃潴留、FD、IGP、IHPS、CIPO、STC、CM在ICC的分布或功能异常。但是该类疾病中，ICC 异常是原发亦或继发于其他病理条件下，目前认识仍不清楚，ICC异常的上游调控因素仍旧需要大量研究。

目前胃肠道动力调节药物种类较多，根据药物作用机制可将胃肠道动力调节药物分为多巴胺受体阻断药、5-HT受体激动药和抑制药、胃动素受体激动药、一氧化氮合酶抑制药、缩胆囊素受体阻断药、γ-氨基丁酸受体激动药、阿片肽受体阻断药、生长抑素及其类似物等[35]。针对GERD、AOC等胃肠道动力障碍性疾病依旧以药物对症治疗或者胃肠道动力调节药物辅以有创手术治疗为主，尚缺乏能全面调节胃肠道动力的药物。因此，以ICC及胃肠慢波为研究靶点，进行基础及临床研究，开发的新型胃肠道动力调节药物以及针对ICC结构与功能的新型诊疗手段，有望为胃肠道动力障碍性疾病的临床治愈带来益处。

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