Investigation of structural and functional features of human colonic myenteric neurons

Der Gastro-Intestinal-Trakt (GIT) ist ein komplexes Organsystem, welches unerlässlich ist für Verdauung, Nährstoffaufnahme und den Stuhlgang. Für seine volle Funktionalität ist eine gesunde Motilität erforderlich. Etwa 40% der Weltbevölkerung leiden unter gastrointestinalen (GI)-Erkrankungen. Diese gehen häufig mit Motilitätsstörungen einher, welche zu verschiedenen Symptomen und Komplikationen führen können. Die Wechselbeziehung zwischen GI-Störungen und dem enterischen Nervensystem (ENS) ist ein hoch aktuelles Forschungsthema. Die Regulation der GIT-Funktion unterliegt dem ENS, welches aus dem Plexus submucosus (SMP) und dem Plexus myentericus (MP) besteht. Der MP ist der primäre Regulator der Darmmotilität. Da viele GIT-Erkrankungen mit Veränderungen der Darmmotilität einhergehen, ist das Verständnis der funktionellen und strukturellen Eigenschaften des menschlichen MP von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung wirksamer therapeutischer Maßnahmen. In dieser Studie wurden die funktionellen Eigenschaften und die Struktur des MP im menschlichen Kolon untersucht. Für die Funktionellen Untersuchungen wurde die ‚multi-site optical recording technique‘ (MSORT) angewandt und die strukturellen Eigenschaften des MP wurden mittels Immunhistochemie untersucht.
Ziel der Studie war es zunächst, die Anwendung der MSORT im MP des menschlichen Kolons für die detaillierte Funktionsanalyse der myenterischen Neurone zu etablieren. Wir verfolgten die Hypothese, dass die Stimulation humaner myenterischer Neurone mit Nikotin und Serotonin (5-HT) eine reproduzierbare Entladung von Aktionspotentialen (AP) in diesen Neuronen auslösen würde. Darüber hinaus sollte untersucht werden, wie individuelle Patientenfaktoren wie Alter, Geschlecht, GI-Erkrankungen, body mass index (BMI) und die Dauer der intraoperativen Blutflussligatur den MP beeinflussen können.
Funktionelle Experimente mit dem MSORT im menschlichen Kolongewebe ermöglichten eine hochauflösende Bildgebung und Analyse der neuronalen Aktivität innerhalb des MP. Mit Hilfe der Immunhistochemie wurden die strukturellen Merkmale des MP untersucht. Wir analysierten den Einfluss patientenspezifischer Faktoren auf die funktionellen Eigenschaften und die Struktur des MP.
Die MSORT-Experimente zeigten, dass die neuronale Spontanaktivität von der Dauer der intraoperativen Ligatur beeinflusst war. Ebenfalls war spontane neuronale Aktivität ein positiver Indikator für die neuronale Reaktionsfähigkeit auf Stimulation. Die Reaktionsfähigkeit auf nikotinische Stimulation variierte leicht zwischen den Geschlechtern. Die evozierten APs und die Burst-Frequenz waren jedoch in allen Proben vergleichbar, unabhängig von individuellen Parametern wie Alter oder GI-Grunderkrankung. Im Gegensatz dazu wurden die Reaktionen auf die 5-HT-Stimulation signifikant durch das Alter der Patienten und entzündliche Darm-Erkrankungen beeinflusst. Dies deutet auf eine komplexere Interaktion zwischen der 5-HT-Signalgebung und den individuellen Patientenmerkmalen hin. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Einflusses von Alter und Entzündung auf die Modulation der funktionellen Eigenschaften des MP.
Die immunhistochemische Analyse ergab, dass die Alterung zu einer deutlichen Abnahme der neuronalen Dichte führt. Darüber hinaus beobachteten wir in Geweben älterer Patienten eine Veränderung der Morphologie der myenterischen Ganglien. Diese Funde deuten auf altersbedingte Veränderungen im MP hin, die möglicherweise zu den veränderten Motilitätsmustern bei älteren Menschen beitragen. Die Dichte der Neuronen unterschied sich ebenfalls zwischen den Abschnitten des menschlichen Kolons und bei dem Vorhandensein entzündlicher Darmerkrankungen, was darauf hindeutet, dass die spezifischen Funktionen der Kolon-Abschnitte und krankheitsspezifische Faktoren die Struktur des MP beeinflussen können.
Wir konnten bestätigen, dass patientenspezifische Faktoren die Neuroanatomie und Funktionalität des MP beeinflussen und somit möglicherweise die Darmfunktion verändern können. Die beobachtete altersbedingte Abnahme der Neuronendichte in Verbindung mit veränderten funktionellen Reaktionen auf 5-HT Stimulation deutet darauf hin, dass Alterung zu Veränderungen des MP führt. Darüber hinaus unterstreicht der Einfluss von GI-Entzündungen auf die Struktur und Funktion des MP, wie wichtig es ist, etwaige Entzündungszustände effektiv zu behandeln, um die Gesundheit des MP zu erhalten. Die Mechanismen, die diesen Veränderungen zugrunde liegen, sind jedoch noch unbekannt und müssen weiter erforscht werden. Die Verbindung zwischen unseren Ergebnissen und ihren klinischen Auswirkungen erfordert weitere Forschung in einem klinischen Studienansatz, der zusätzlich die klinischen Symptome und Funktionalität des GIT der Patienten analysiert.
Diese Studie ist die umfassendste und erste statistisch signifikante Funktionsanalyse des MP im menschlichen Kolon. Mithilfe des fortschrittlichen bildgebenden Verfahrens der MSORT und detaillierten immunhistochemischen Analysen haben wir entscheidende Erkenntnisse über die grundlegende Neurophysiologie des MP des Menschlichen Kolons gewonnen. Die Ergebnisse können somit zur Erforschung der Pathophysiologie von GI-Erkrankungen und zur Entwicklung gezielter therapeutischer Ansätze beitragen.