Nature：营养物质激活肠神经元的不同方式「eG学术观察」

导读

近日，来自比利时鲁汶大学Pieter Vanden Berghe团队在Nature上发表了题为“Nutrients activate distinct patterns of small-intestinal enteric neurons”的研究报告。本研究聚焦于肠神经系统对营养物质的感知机制，揭示肠腔内营养物质可经5-羟色胺（5-HT）介导的信号通路，激活肠神经系统的肌间神经丛神经元和黏膜下神经丛神经元，为进一步阐明肠腔内化学环境对肠道功能的影响奠定基础。

研究背景

生物体对所摄入营养物质的精准感知与应答能力，是其维持生存和满足代谢需求的重要基础。作为主要的消化吸收器官，肠道对营养物质的识别及信号传递对于调节其消化功能至关重要，而肠神经系统在此过程中发挥关键作用。例如，肠道内的神经足细胞与迷走神经连接，可促使大脑优先选择可消化吸收的供能糖类而非无热量的甜味剂。

肠神经系统由一系列的内在初级传入神经元、中间神经元和运动神经元组成，这些神经元主要分布于两个神经节丛：黏膜下神经丛和肌间神经丛。目前，关于不同营养物质产生的信号如何在肠神经系统内传递和处理的研究较少，肠神经系统感知肠腔内不同营养物质的具体机制尚未阐明。因此，本研究采用离体与在体实验相结合的方法，通过记录肠神经系统对不同营养刺激的应答模式，旨在揭示肠腔内营养物质激活肠神经元的内在机制。

研究方法

• 本研究通过微灌注装置，实现对肠道局部区域的特异性营养刺激；

• 为探究肠神经系统内的信号传递，研究人员通过开发创新性微解剖技术，精确分离黏膜下神经丛与肌间神经丛，并采用Dil染料作为荧光示踪剂以观察神经元活动；

• 研究还采用免疫组化染色、RNAscope技术和单细胞转录组学分析等方法，揭示肠神经系统感知肠腔内不同营养物质的分子基础。

研究结果

①高钾（K⁺）可激活肠神经系统

研究首先利用Dil染料标记，证实小肠绒毛受到局部黏膜下神经丛和肌间神经丛的神经支配。在生理状态下，肠腔内的化学刺激可广泛激活具有电兴奋性的肠内分泌细胞。基于此，本研究采用高K⁺溶液刺激肠内分泌细胞，结果显示：

• 在24%±6%的黏膜下神经丛神经元和22%±3%的肌间神经丛神经元均产生Ca²⁺瞬变，表明这些神经元被成功激活；

• 进一步分析发现，被激活的黏膜下神经丛神经元以胆碱能神经元为主，而被激活的肌间神经丛神经元以内在初级传入神经元及其下游的氮能神经元为主。

②营养物质通过肠黏膜激活肠神经系统

研究采用葡萄糖溶液、醋酸盐溶液和苯丙氨酸溶液，分别模拟肠道内的糖、短链脂肪酸和氨基酸等营养物质。实验发现：

• 葡萄糖、醋酸盐和苯丙氨酸分别激活了21%±4%、24%±7%和23%±3%的黏膜下神经丛胆碱能神经元；

• 三种物质激活肌间神经丛神经元的能力存在差异：仅醋酸盐暴露后，肌间神经丛神经元的激活比例较高；

• 进一步探究营养物质激活神经元的过程发现，营养物质不经过肠黏膜而直接刺激神经末梢时，无法有效激活神经元；

• 研究还发现，肠黏膜表面的肠上皮细胞高表达钠-葡萄糖共转运蛋白1 (SGLT1) 和甜味受体异二聚体（T1R2-T1R3），与对肠腔内葡萄糖的感知相关；

• 同时，肠内分泌细胞和杯状细胞高表达短链脂肪酸受体和味觉受体异二聚体（T1R1-T1R3），分别与肠腔内短链脂肪酸和氨基酸的感知相关。因此，肠黏膜上的多种细胞均可能参与肠腔内营养物质的信号转导。

③5-HT在黏膜-肠神经系统信号转导通路中发挥重要作用

为探究黏膜感知营养物质的信号向肠神经系统传递的具体机制，本研究分析了5-HT、三磷酸腺苷（ATP）、胆囊收缩素8（CCK8）和胰高血糖素样肽1（GLP-1）四种主要参与肠黏膜信号转导的小分子介质。研究观察到：

• 当5-HT注射至肠上皮基底侧后，18%±10%的肌间神经丛神经元被激活，而注射ATP后这一比例仅为7%±2%；

• 对于CCK8和GLP-1，未观察到其广泛激活肌间神经丛神经元的效应；

• 进一步分析显示，昂司琼丹（选择性5-HT₃受体拮抗剂）可抑制5-HT激活肌间神经丛神经元的效应，这一结果证实，5-HT通过与5-HT₃受体结合，参与黏膜-肠神经系统的感知信号转导。

图1：5-HT和ATP可激活黏膜内神经末梢。(a) 5-HT和ATP注射后对肌间丛神经元成像的操作示意图；(b-d) 5-HT注射后结果：(b) 神经元成像，(c) 被激活神经元的Ca²⁺瞬变记录和 (d) 免疫组化染色后成像，白色箭头指示被激活的神经元；(e) 5-HT单次注射与重复注射的神经元激活比例比较，以及昂司琼丹 (Ond) 处理后的激活比例；(f-h) ATP注射后结果：(f) 神经元成像，(g) 被激活神经元的Ca²⁺瞬变记录和 (h) 免疫组化染色后成像，白色箭头指示被激活的神经元；(i) ATP单次注射与重复注射的神经元激活比例比较，以及TNP-ATP (阻断ATP与P2X受体结合) 处理后激活比例；(j) 高K⁺溶液或受体拮抗剂施加于黏膜表面后对肌间丛神经元成像的操作示意图；(k) 昂司琼丹和TNP-ATP处理对高K⁺刺激激活神经元的影响。

来源：原文图3

④肌间神经丛和黏膜下神经丛中化学敏感性内在初级传入神经元的激活

虽然已证实黏膜表面的高K⁺刺激可激活肌间神经丛中的内在初级传入神经元，但其具体激活途径尚未明确。

• 研究应用烟碱受体拮抗剂六甲铵阻断肠神经系统中的突触传递，结果显示，肌间丛中内在初级传入神经元的激活比例未显著改变，提示高K⁺刺激可能通过直接去极化来激活肌间神经丛内在初级传入神经元，而非通过突触传递来实现神经活化。与单次高K⁺刺激相比，重复高K⁺刺激可额外激活肌间神经丛运动神经元和中间神经元，该过程主要依赖突触传递。

• 研究还应用聚焦电极刺激单个肠绒毛，发现局部电刺激的激活途径以直接去极化为主，仅少部分神经元通过突触传递被激活。对于单个肠绒毛，电刺激可激活14%±5%的肌间神经丛神经元，而注射5-HT可激活16%±4%的肌间神经丛神经元，二者未观察到显著差异，表明肠黏膜内绝大多数神经末梢对5-HT敏感。

• 对于高K⁺刺激激活的黏膜下神经丛神经元，六甲铵处理后，激活比例有所降低，表明直接去极化和突触传递均参与黏膜下神经丛神经元的激活途径。

• 由于高K⁺刺激后，黏膜下神经丛神经元的Ca²⁺瞬变峰值出现时间晚于肌间神经丛神经元，研究进一步评估二者关联。结果显示，去除肌间神经丛后，相同刺激所激活的黏膜下神经丛神经元比例显著降低，这表明部分黏膜下神经丛神经元的激活依赖肌间神经丛神经元。

• 在神经元类型分析中，对去除肌间神经丛的肠黏膜施加营养物质处理，仍有黏膜下神经元被激活，说明黏膜下神经丛中同样含有内在初级传入神经元。

⑤在体条件下营养物质诱导的肠神经系统激活

为探究在体条件下肠神经系统对肠腔内局部营养物质的感知，研究采用在体肠神经系统成像技术，对小鼠肌间神经丛神经元的活动进行实时成像。结果显示：醋酸盐溶液灌注后，15%±2%的肌间神经丛神经元被激活，包括内在初级传入神经元及下游氮能神经元，与离体实验结果一致。

此外，单纯灌注Krebs缓冲液的对照组中也观察到7%±2%的神经元被激活，且多为下游氮能神经元，这一现象表明，机械性刺激与肠腔内营养物质的化学信号可能通过不同类型的神经元，共同参与调控肠神经系统的功能。

图2：小鼠空肠肠腔内醋酸盐溶液诱导肌间丛神经元激活。(a) 在体实验示意图 (左) 和在体肠神经系统成像装置 (右)；(b-c) 灌注 (b) 醋酸盐和 (c) Krebs缓冲液后肌间丛神经元成像和实验后免疫组化染色后成像结果。

来源：原文图5

图3：肠腔内营养物质激活肠神经系统机制的简化示意图

来源： 原文补充图10

研究结论

本研究表明，肠腔内营养物质通过与肠黏膜表面受体结合，经5-HT介导激活肌间神经丛和黏膜下神经丛的内在初级传入神经元，从而实现肠神经系统对营养物质的感知。此外，部分黏膜信号在传递过程中，首先传至肌间神经丛，再返回更靠近肠腔的黏膜下神经丛。

未来需进一步研究下游中间神经元和运动神经元的激活程度，同时考虑肠外来源神经的作用，阐明对营养物质的感知信号最终如何影响肠道功能的具体机制。

引证本文

Fung C, Venneman T, Holland AM, Martens T, Alata MI, Hao MM, Alar C, Obata Y, Tack J, Sifrim A, Pachnis V, Boesmans W, Vanden Berghe P. Nutrients activate distinct patterns of small-intestinal enteric neurons. Nature. 2025 Jul 9.

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09228-z