儿茶酚胺类物质在肠神经系统中的研究进展

靳 远，曹 靖,张 潜，李云庆

1)遵义医科大学基础医学院人体解剖学教研室 贵州遵义563006 2)郑州大学基础医学院人体解剖学教研室 郑州 450001 3)空军军医大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学教研室暨梁銶琚脑研究中心 西安 710032

肠神经系统(enteric nervous system,ENS)由位于胃肠壁内的神经元及胶质细胞组成，在参与胃肠道局部反射、维持消化系统功能等方面发挥着重要作用。与躯体运动神经只接受中枢神经系统(central nervous system,CNS)的调控不同，肠壁内支配肠肌运动的ENS接受内脏运动神经和CNS的双重调控[1]。既往研究[2]认为支配肠道运动的外源性纤维包括来自交感神经的去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)能节后纤维和来自副交感神经的胆碱能节前纤维，而肠壁内支配肠道运动的神经元均为胆碱能副交感节后神经元。近年来，儿茶酚胺(catecholamine,CA)类物质在ENS中的重要作用逐渐引起了人们的关注。本文拟针对CA类物质在ENS中的分布及功能予以综述，为阐明其在胃肠道功能紊乱相关疾病中的作用提供线索。

1 ENS概述

ENS是位于胃肠壁内的神经网络，其不仅受交感神经和副交感神经的调控，还可以单独发挥作用，因此ENS亦被称作“第二大脑”[3-4]。根据在肠壁内的位置，ENS主要分为两部分：位于纵形肌和环形肌之间的肌间神经丛和位于黏膜下层的黏膜下神经丛。肌间神经丛通过感知肠壁内牵拉、膨胀等刺激来调控肠管的运动；黏膜下神经丛通过感知肠腔内各种刺激，调节肠上皮细胞的分泌、吸收及电解质代谢。人类ENS包含2亿～6亿个神经元，相当于整个脊髓所含神经元的总数，正是依赖于庞大的神经元总数，ENS在胃肠运动和分泌活动的调节中发挥重要作用[5]。

肠神经元根据形态学特点主要分为Dogiel Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型[6]。其中Dogiel Ⅰ型神经元胞体形态多呈星形，由一个较长的轴突和多个较短的、不规则的树突构成；是肌间神经丛内数量最多的神经元，在黏膜下神经丛内数量较少，与运动神经元或中间神经元的功能类似。Dogiel Ⅱ型神经元胞体呈星形、梭形或角状，表面较光滑，具有一个细长的轴突和大量细长的树突，轴突和树突不易分辨，树突可延伸到黏膜下神经丛；多被认为是感觉神经元，不仅可以接受胃肠道感觉神经纤维的传入，还可接受其他神经元的传入。Dogiel Ⅲ型神经元是由一条轴突和多条中等长度的树突构成的多极神经元，树突较细，轴突穿过多个神经节，终止部位不详，目前认为其没有明确的功能[2]。

根据神经末稍释放递质的不同，ENS中外源性纤维主要释放NE和乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)。ENS中内源性的神经递质主要有5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、神经肽Y(neuropeptide Y,NPY)等[7-8]。在消化道复杂的神经网络中，人们陆续发现了血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide,VIP)、P物质(substance P,SP)、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)、降钙素基因相关肽(calcitonin gene-related peptide,CGRP)等物质。释放这些神经递质的神经元统称为非肾上腺素能非胆碱能神经元(nonadrenergic noncholinergic neurons,NANC)[9]。

从功能上，ENS中的运动神经元分为兴奋性和抑制性神经元。兴奋性运动神经元释放促进平滑肌收缩和黏膜腺体分泌的递质，如ACh和SP。其中ACh 能神经元是种系发生过程中最早出现的神经元，也是ENS内数目最多的神经元。ACh与M受体结合可使平滑肌细胞膜去极化，产生兴奋性接头电位，促进平滑肌的收缩[10]。SP广泛分布于神经系统和外周组织中，呈现出复杂的生理效应。有研究[11]报道肠肌间神经丛和黏膜下神经丛中存在大量 SP阳性神经元，这些神经元可通过释放神经肽直接引起平滑肌收缩，或者促使肠壁中的胆碱能神经元释放ACh，从而引起平滑肌收缩[11]。抑制性运动神经元释放抑制平滑肌收缩的神经递质，如NO和VIP。其中NO是介导平滑肌松弛的重要抑制性神经递质，当NO含量减少时，胃肠运动加快，反之胃肠运动减慢[12-13]。VIP是另一种重要的抑制性神经递质，其主要通过神经分泌的方式作用于周围的平滑肌，使平滑肌细胞膜超极化，从而发挥抑制作用[14]。此外，VIP在神经系统和免疫系统相互作用中的研究也受到越来越多的关注，有学者[15]观察到其在机体局部黏膜免疫中发挥了一定的作用。肠兴奋性和抑制性运动神经元相互协调共同维持肠肌运动的平衡。

2 CA类神经元的分布及CA的代谢

CA是一类含有儿茶酚和胺基的神经活性物质，主要包括肾上腺素(epinephrine,E)、NE和多巴胺(dopamine,DA)，是中枢神经系统和周围神经系统中的重要神经递质，脑中CA能神经元、交感神经节后神经元以及肾上腺髓质嗜铬细胞均能合成CA[16]。由于血脑屏障可以阻止外周血中的CA进入脑内，故脑内CA和外周CA为两个相对独立的系统。正常情况下脑内CA以DA为主，约占CA总量的50%，主要分布在黑质-纹状体系统以及下丘脑；NE含量较少，主要分布在脑干蓝斑及其附近的核团；E含量最少，仅为NE的5%～15%，主要分布于下丘脑、纹状体、嗅区和脑干[17]。

CA的合成以酪氨酸为原料，经过羟化、脱羧依次转化为DA、NE和E，其形成和储存均位于囊泡内。酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase,TH)是合成DA的限速酶，多巴胺-β-羟化酶(dopamine beta hydroxylase,DBH)是合成NE的限速酶，因此也常用这两种酶来代表不同的CA能神经元[18]。

3 ENS中的CA类物质

神经嵴是起源于神经管表面的一种暂态胚胎结构，在它们出现后不久，神经嵴细胞即向体内各处迁移并分化成多种类型的细胞。ENS由胚胎时期的迷走神经和骶髓节段的神经嵴细胞沿肠壁移行、分化而成[19-21]。既往研究[22]表明，在大鼠胚胎早期ENS的发育过程中，肌间神经丛部分细胞一过性表达CA类物质(transient catecholaminergic,TC)，被称为TC细胞[21]。Mash-1(mammalian achaete-scute homologue-1 )基因是哺乳动物早期神经分化发育的关键基因。TC细胞在个体发育早期出现，发育和存活依赖于Mash-1基因的表达，在胚胎晚期消失，在成人的肠道中也未检测到TC类细胞[23]。研究[19]表明在小鼠中这些TC细胞表达NE，而在大鼠中这类细胞表达DA，但有关TC细胞一过性表达CA的具体机制尚不清楚。亦有研究[20]表明TC细胞可能是构成成年大鼠肠壁的神经元的前体细胞，在发育后期分化成不同类型的神经元，如胆碱乙酰转移酶(choline acetyltransferase,ChAT)、生长抑素(somatostatin,SOM)、CGRP以及VIP阳性神经元。

3.1 ENS中的DA既往研究[24]表明成年动物的肠神经丛中存在TH阳性结构，但其功能尚不明确。切断外源性交感纤维之后，胃肠道中TH阳性纤维明显减少，因此认为在胃肠道中，TH主要代表外源性NE能的交感神经纤维[25]。但是亦有研究表明胃肠道中可能存在内源性DA能神经元。目前已有研究[21]报道在不同的物种(如小鼠、豚鼠、大鼠、雪貂、人等)的肠肌间神经丛中有数量不等的TH阳性神经元，TH和多巴胺转运蛋白免疫荧光双染结果提示TH阳性神经元多为DA能神经元，且这些DA能神经元在ENS发育中出现较晚，多在围生期产生，且其产生不依赖于 Mash-1基因的表达。

Wakabayashi等[26]认为TH阳性神经纤维遍布于人体整个消化道的肌间神经丛及黏膜下神经丛，在小肠和结肠中最丰富，且大多分布在TH阳性或阴性神经元胞体及小动脉周围，TH阳性神经元的胞体遍布于整个消化道。在成年人中，TH阳性神经元约占上消化道肠神经元的20%，主要分布在食管下段的肌间神经丛和回肠的黏膜下神经丛；在胎儿中，TH阳性神经元分布于食管、胃和十二指肠的肌间神经丛，以及十二指肠的黏膜下神经丛。在消化道的各个区域，TH阳性神经元的大小和形状差异很大。在食管的肌间神经丛，大部分细胞胞质丰富，呈圆形或卵圆形，常可见TH阳性细胞突起从胞体向外延伸。黏膜下神经丛中TH阳性神经元形态基本一致，胞质小而呈椭圆形。

在肠道中DA可调节小肠平滑肌细胞的运动。Kirschstein等[27]认为外源性DA对小鼠小肠不同区域平滑肌的运动调节具有双相作用，即早期收缩和迟发性松弛。当外源性DA作用于肠道时，由于其作用于十二指肠(近端)D1和D2受体的时相早于其作用于空、回肠(远端)E受体的时相，故DA诱发的早期收缩多见于十二指肠，早期收缩幅度表现出明显的区域依赖性(十二指肠>空肠>回肠)，并且早期收缩效应可被D1和D2受体拮抗剂SCH23390、雷氯必利阻断，提示在近端DA主要通过作用于多巴胺D1和D2受体引起早期收缩。相反，DA诱导的迟发性松弛在回肠和空肠具有一定的规律，但在十二指肠较少，迟发性松弛的幅度表现为区域依赖性(回肠>空肠>十二指肠)，且效应可被E受体拮抗剂普萘洛尔和哌唑嗪抑制，提示在远端DA可通过作用于E受体引起迟发性松弛。

在ENS中，外源性交感神经通过E受体减少胆碱能神经末梢释放ACh从而发挥抑制作用[28]。肠道中特定的DA受体可分为五类，D2受体是ENS中内源性DA的主要受体。内源性DA通过作用于D2受体，减少ACh的释放，从而抑制肠运动[29]。既往研究[27]表明内源性DA能神经元释放DA和外源性交感神经末梢释放NE在ENS中的净效应可能相似，即内源性的NE和DA均可通过相应受体触发黏膜下神经元产生抑制性突触后电位(inhibitory postsynaptic potential,IPSP)，减少兴奋性胆碱能神经释放ACh。亦有研究[30]表明内源性DA能神经兴奋可能有助于代偿外源性交感神经支配的缺失，而外源性去交感神经支配可以增加肠道中芳香氨基酸脱羧酶含量，推测交感神经对含有这种酶的胺处理神经元具有一定的抑制作用。但是在肠管中，外源性交感神经和内源性DA能神经的相互作用机制仍有待进一步研究。

3.2 ENS中的NE交感和副交感神经通过释放NE和ACh共同调控肠道运动。作为抑制肠道运动的主要神经递质，既往研究[31]在肠壁内仅观察到NE能纤维终末，未见NE能神经元。有研究者[21]应用RT-PCR技术在小鼠回肠中检测到NE能神经元标志物Dbh mRNA。但是，一些研究者[32]认为ENS中的Dbh基因仅在发育早期表达，在成年期不表达；此外，亦有研究[33]表明ENS中检测到的Dbh基因表达产物可能是沿外源性交感神经节后纤维经轴突转运而来。最近，瑞典卡罗林斯卡医学院Marklund Ulrika团队[34]采用单细胞RNA测序方法将小鼠的肠肌间神经丛神经元定义为12个亚群，可分为兴奋性运动神经元、抑制性运动神经元、中间神经元和内在初级传入神经元等4个大类，同时检测出表达Dbh基因的细胞，进一步研究发现这群细胞也可表达ChAT、VIP、NPY、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)等基因，但是关于这群细胞的具体类型目前尚不清楚。

椎前神经节中的节后交感神经元支配肠肌间神经丛和黏膜下神经丛。在肌间神经丛中，主要通过减少突触前神经元ACh的释放来抑制肠运动;在黏膜下神经丛中，主要通过突触传递抑制分泌神经元，从而保持水分和电解质平衡[18]。此外，肠道中交感神经还可能参与调节胃肠道炎症和免疫反应[35]。截至目前，仍然缺乏对肠道中内源性NE能神经元的功能研究。

SOM存在于支配肠的NE能神经纤维亚群中[36]。豚鼠腹腔肠系膜神经节中的NE能神经元可分为3个亚群，分别为表达SOM的NE能神经元(NE/SOM neuron)，表达抑制性神经递质NPY的NE能神经元(NE/NPY neuron),以及尚未发现含有神经肽或其他识别物质的NE能神经元(NE/-neuron)[36]。这3个亚群神经元在肠壁中的靶细胞及功能亦不尽相同，其中NE/SOM neuron神经纤维终末的主要靶细胞是黏膜下神经胶质和黏膜，主要参与调节黏膜功能；NE/NPY neuron神经纤维终末的主要靶细胞是肠血管，参与肠道血流的调控；而NE/-neuron神经纤维的主要靶细胞是肠肌间神经丛，主要参与肠道平滑肌运动的调节[37]。

3.3 ENS中的E在CNS中，E能神经元主要分布在脑干延髓处，在维持机体应激反应及调节内环境方面发挥重要作用。在周围神经系统中，E能神经元主要分布在交感神经节中，参与内脏运动的调节。E是一种单胺类物质，由E能神经末梢的胞浆摄取血中酪氨酸，先后经TH、DBH生成NE后经甲基化修饰而成并储存于囊泡中。当神经冲动到达神经末梢时，囊泡膜与突触前膜接触并发生融合，以胞裂外排的形式释放E到突触间隙后，激动突触后膜上相应的受体产生一系列生理效应[38]。

既往研究[39]发现手术切断交感神经节后纤维可导致胃、小肠和结肠的E能纤维末梢消失，提示这些部位的E能纤维均来自肠壁外的交感神经节。但是Furness等[40]却在豚鼠近端结肠肌间神经丛中观察到内源性E能神经元；在近端结肠肌间神经丛内，约75%的神经节含有E能细胞，E能神经元所占比例为1%～2%；阻断肠外神经通路后，近端结肠肌间神经丛内约60%的E能末梢在去神经支配后仍可保留；故认为E能纤维终末的轻微减少可能由术中动脉血流阻塞引起暂时性缺氧所致；提示ENS内可能存在内源性E能神经元。

3.4 ENS中的CA类物质与肠道微生物肠道微生物在调节肠道稳态平衡方面发挥着重要作用，其亦可通过肠-脑轴影响ENS和CNS的功能。研究[41-42]表明肠道微生物可能通过调控多种神经递质的表达发挥作用，如影响DA、NE、5-HT、GABA等的表达及功能等。

体外研究[43-45]表明，多种CA类物质可以影响肠道微生物的生长，如DA和NE可引起致病性大肠杆菌生长速度加快，NE还可增强其运动性、生物被膜形成能力以及致病性，NE还可引起肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、阴沟肠杆菌等多种致病菌快速、过度生长。此外，研究人员[46]还发现在体外多种细菌可以产生DA和NE，但尚未明确这些微生物是否可以在体调节NE或DA的表达。有研究[47]观察到无菌小鼠盲肠的肠腔以及肠壁中NE水平下降，且借助菌群移植可以改善该现象，提示肠道微生物可以影响NE的表达，但尚不确定细菌是直接产生NE，还是通过影响宿主间接影响NE的表达。

4 小结与展望

ENS中3种CA类物质的分布不同，它们可能通过肠肌间神经丛直接调节肠肌运动，也可能通过作用于兴奋性神经元间接发挥作用，也可能通过ENS中不同类型的中间神经元相互作用发挥调控功能，其调控肠道运动的具体方式目前尚不十分清楚。揭示CA类神经元在ENS中的化学神经解剖学性质及其功能特征有助于丰富我们对ENS的认识。随着生命科学研究技术的日趋成熟，这方面的研究必将为预防和治疗胃肠道功能紊乱相关疾病提供重要的指导意义。