장의 '두 번째 뇌'에서 건강의 핵심 요소 등장 | 콴타 매거진

음식을 한 입 삼키는 순간부터 몸 밖으로 나가는 순간까지 장은 이 이상한 외부 물질을 처리하기 위해 애쓰고 있습니다. 청크를 작은 조각으로 나누어야 합니다. 독소나 병원균과 건강한 영양소를 구별하고 유익한 것만 흡수해야 합니다. 그리고 부분적으로 가공된 식품을 입, 식도, 위, 장을 거쳐 밖으로 나가는 다양한 소화 공장을 통해 일방향으로 이동시키면서 이 모든 작업을 수행합니다.

“소화는 생존에 필요하다” 마리사 스카부조, 오하이오주 케이스웨스턴리저브대학교 박사후 연구원. "우리는 매일 그렇게 하지만, 곰곰이 생각해 보면 아주 낯설고 낯설게 들립니다."

음식을 분해하려면 근육 세포와 면역 세포부터 혈액과 림프관에 이르기까지 수십 가지 세포 유형과 많은 조직 간의 조정이 필요합니다. 이러한 노력을 주도하는 것은 장 신경계로 알려진 장의 고유한 신경 세포 네트워크입니다. 장 신경계는 장 벽을 통해 식도에서 직장까지 연결되어 있습니다. 이 네트워크는 뇌와 거의 독립적으로 기능할 수 있습니다. 실제로 그 복잡성으로 인해 "제XNUMX의 두뇌"라는 별명이 붙었습니다. 그리고 뇌와 마찬가지로 두 종류의 신경계 세포, 즉 뉴런과 신경교로 구성됩니다.

한때 뉴런 사이의 공간을 채우는 단순한 접착제로 생각되었던 Glia는 20세기 대부분 동안 뇌에서 크게 무시되었습니다. 분명히 뉴런은 일이 일어나도록 하는 세포였습니다. 전기적, 화학적 신호를 통해 뉴런은 우리의 생각, 감정 및 행동을 구체화합니다. 그러나 지난 수십 년 동안 신경교는 수동적인 하인으로서의 정체성을 벗어났습니다. 신경과학자 점점 더 많이 발견하게 되었어요 교세포는 한때 뉴런에만 국한된 것처럼 보였던 뇌와 신경계에서 생리학적 역할을 수행합니다.

비슷한 신경교 계산이 이제 장에서도 일어나고 있습니다. 많은 연구에서 장 신경교세포가 소화, 영양분 흡수, 혈류 및 면역 반응에서 수행하는 다양한 활성 역할을 지적했습니다. 다른 연구에서는 장에 존재하는 신경아교세포의 다양성과 각 유형이 이전에 알려지지 않은 방식으로 시스템을 미세 조정할 수 있는 방법을 밝힙니다. 아직 동료 검토가 이루어지지 않은 최근의 한 연구에서는 음식이 소화관을 통해 이동할 때 음식을 감지하여 장 조직에 신호를 보내 수축하고 그 길을 따라 이동하도록 하는 신경교 세포의 새로운 하위 집합을 확인했습니다.

장 신경교세포는 "다양한 조직 유형과 생물학적 과정의 경계면에 있는 것 같습니다."라고 말했습니다. 세예데 파라낙 파타히, 샌프란시스코 캘리포니아 대학교 세포 분자 약리학 조교수. 그들은 "다양한 생리학적 역할 사이에 많은 점을 연결"하고 있습니다.

이는 이제 특정 위장 장애 및 통증 증상과 연관되어 있습니다. Scavuzzo는 장에서 수행하는 다양한 역할을 이해하는 것이 치료법 개발에 중요할 수 있다고 말했습니다. "희망적으로 이것은 장의 신경교 세포 르네상스의 시작과 같습니다."

글리아는 모든 것을 해낸다

과학자들은 장 신경 교세포에 대해 XNUMX년 넘게 알고 있었지만 최근까지 이를 연구할 수 있는 도구를 가진 사람은 아무도 없었습니다. 연구자들은 뉴런이 발사하는 활동 전위를 포착하여 뉴런을 검사할 수 있습니다. 그러나 신경교세포에 비해 신경교세포는 전기생리학적으로 "지루하다"고 말했습니다. 브라이언 굴브란센, 미시간 주립대학교 신경과학 부교수. 건강한 장 조직을 유지하는 역할을 지적한 몇 가지 보고서를 제외하고는 여전히 과소 연구되고 과소평가되었습니다.

그것은 지난 XNUMX여년 동안 바뀌었습니다. 과학자들이 교세포의 유전자 활동을 조작하거나 다양한 방식으로 시각화할 수 있게 해주는 새로운 도구는 "우리가 장 신경계를 보는 방식을 극적으로 변화시켰습니다"라고 말했습니다. 키스 샤키, 캘거리 대학교 생리학 및 약리학 교수. 예를 들어, Gulbransen이 Sharkey 연구실에서 박사후 연구원으로 재직하는 동안 개발한 방법인 칼슘 이미징을 통해 세포 내 칼슘 수준을 추적하여 신경교 활동을 분석할 수 있었습니다.

이러한 최신 기술 덕분에 과학자들은 이제 장 신경교세포가 장 조직의 손상이나 염증에 대한 최초 반응자 중 하나라는 사실을 알고 있습니다. 이는 독소를 차단하기 위해 장의 장벽을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 음식이 소화관을 통해 흐르도록 하는 장의 수축을 중재합니다. Glia는 장의 외층에 있는 줄기 세포를 조절하며 조직 재생에 중요합니다. 그들은 미생물군집, 뉴런, 면역 체계 세포와 대화하며 그들의 기능을 관리하고 조정합니다.

Gulbransen은 "우리는 그들이 모든 일을 한다고 생각합니다."라고 말했습니다. "사람들이 그들에 대해 더 많이 알수록 그들이 다양한 역할을 한다는 것은 덜 놀라운 일입니다."

역할 간에 이동할 수도 있습니다. 그들은 실험실 접시에서 한 신경교 세포 유형에서 다른 신경교 세포 유형으로 이동하여 정체성을 바꾸는 것으로 나타났습니다. 이는 끊임없이 변화하는 장 환경에서 유용한 능력입니다. Scavuzzo는 "그들은 매우 역동적이고 믿을 수 없을 정도로 변동이 심하고 복잡한 환경에 앉아 다양한 일을 할 수 있는 기능적 능력을 부여받았습니다"라고 말했습니다.

장 신경계의 신경 교세포에 대한 흥분이 고조되고 있음에도 불구하고 Scavuzzo와 같은 과학자들은 얼마나 많은 유형의 장 신경 교세포가 존재하는지와 같은 여전히 ​​해결해야 할 기본적인 질문을 가지고 있습니다.

고려해야 할 힘

Scavuzzo는 어린 시절 선천적으로 짧아진 식도 때문에 어머니의 의학적 문제를 목격하면서 소화에 매료되었습니다. 어머니가 위장 합병증을 겪는 것을 지켜보던 Scavuzzo는 성인이 되어 어머니와 같은 환자를 위한 치료법을 찾기 위해 장을 연구하게 되었습니다. “저는 이런 것들이 중요하다는 것을 알고 이해하면서 자랐습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “우리가 더 많이 알수록 더 효과적으로 개입할 수 있습니다.”

2019년 Scavuzzo가 Case Western에서 박사후 연구를 시작했을 때 폴 테사르신경교 생물학 분야의 세계적인 전문가인 그녀는 장 신경교의 다양성을 밝히고 싶다는 것을 알고 있었습니다. Tesar 연구실에서 뇌가 아닌 내장을 연구하는 유일한 과학자인 그녀는 종종 동료들에게 자신이 더 복잡한 기관을 연구하고 있다고 농담을 했습니다.

첫해에 그녀는 장의 개별 세포를 지도화하는 데 엄청난 노력을 기울였는데, 이는 가혹한 연구 환경임이 입증되었습니다. 특히 그녀가 공부에 전념하는 소장의 시작 부분인 십이지장이 힘들었다. 산성 담즙과 십이지장의 소화액은 세포의 정체성에 대한 단서를 담고 있는 유전 물질인 RNA를 분해하여 추출이 거의 불가능하게 만듭니다. 그러나 그 후 몇 년 동안 그녀는 섬세한 시스템을 다루는 새로운 방법을 개발했습니다.

이러한 방법을 통해 그녀는 십이지장의 모든 조직에 걸쳐 "이러한 신경교세포의 다양성을 처음으로 엿볼 수 있었다"고 Scavuzzo는 말했습니다. XNUMX월, 아직 동료 심사를 거치지 않은 biorxiv.org 사전 인쇄 서버에 게재된 논문에서 그녀는 자신의 팀이 발견한 다음과 같은 사실을 보고했습니다. 신경교세포의 XNUMX가지 아형, "허브 셀"이라고 명명된 것을 포함합니다.

허브 세포는 힘을 감지할 수 있고 일반적으로 물리적 접촉에 반응하는 조직에서 발견되는 막 단백질인 PIEZO2라는 기계 감각 채널에 대한 유전자를 발현합니다. 다른 연구자 최근에 발견 된 일부 장 뉴런에 존재하는 PIEZO2; 이 채널을 통해 뉴런은 장의 음식을 감지하고 이를 따라 이동할 수 있습니다. Scavuzzo는 신경교 허브 세포도 힘을 감지하고 다른 장 세포가 수축하도록 지시할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 그녀는 이러한 허브 세포가 십이지장뿐만 아니라 회장과 결장에도 존재한다는 증거를 발견했는데, 이는 이들이 소화관 전체의 운동성을 조절할 가능성이 있음을 시사합니다.

그녀는 생쥐의 장 신경교세포 허브 세포에서 PIEZO2를 삭제했는데, 이로 인해 세포가 힘을 감지하는 능력을 잃게 될 것이라고 생각했습니다. 그녀의 말이 옳았습니다. 장 운동성이 느려지고 위장에 음식물이 쌓였습니다. 그러나 그 효과는 미미했으며 이는 다른 세포도 부분적으로 소화된 음식을 장을 통해 물리적으로 이동시키는 역할을 한다는 사실을 반영한다고 Scavuzzo는 말했습니다.

그녀는 관련된 각 세포 유형이 서로 다른 유형의 수축을 조절할 수 있을 가능성이 있다고 말했습니다. "또는 이는 유기체가 생존을 위해 음식을 계속 소화할 수 있도록 유기체가 진화한 추가 메커니즘일 수도 있습니다." 그녀는 소화가 매우 중요한 과정이기 때문에 많은 안전 장치가 있을 것이라고 덧붙였습니다.

이 실험은 다른 세포에 더해 "교세포도 물리적 힘을 감지할 수 있다"는 명확한 증거를 제공했다고 말했습니다. 바실리스 파크니스, Francis Crick Institute의 신경계 개발 및 항상성 연구소 소장. 그런 다음 힘의 변화를 감지하면 신경 회로의 활동을 전환하여 근육 수축을 유발할 수 있습니다. “훌륭한 작품이에요.”라고 그는 말했다.

허브 세포는 장에서 기능적 역할을 하는 많은 신경교 아형 중 하나일 뿐입니다. Scavuzzo의 새로운 XNUMX가지 하위 유형이 추가되었습니다. 이전 연구에서 특징지어진, 함께 십이지장, 회장 및 결장에 걸쳐 알려진 14개의 신경교 하위 그룹이 드러납니다. 앞으로 더 많은 것들이 발견될 가능성이 높으며, 각각은 소화가 어떻게 작동하는지 더 잘 설명하고 연구자들이 다양한 위장 장애에 대한 치료법을 개발할 수 있도록 하는 새로운 잠재력을 가지고 있습니다.

장의 통증

위장병은 종종 파괴적인 소화 문제 외에도 약간의 통증을 동반합니다. 잘못된 음식을 먹거나 올바른 음식을 너무 많이 먹으면 복통이 발생할 수 있습니다. 이러한 직감은 신경교세포를 포함한 장 신경 세포에 의해 주도됩니다. 신경교세포는 현재 면역 세포의 활동을 조절하는 것으로 알려져 있기 때문에 많은 위장 장애 및 질병에서 역할을 하는 것으로 의심되어 치료를 위한 좋은 잠재적 표적이 됩니다.

몇 년 전, 파크니스(Pachnis)와 그의 그룹은 신경교세포가 쥐 장의 손상이나 염증에 반응하는 최초의 세포 유형 중 하나이며 장의 신경교세포를 조작하면 염증 반응을 일으킬 수도 있다는 사실을 발견했습니다. 장 신경교세포는 실제 면역 세포와 유사한 역할을 수행하는 것으로 보이며, 따라서 이들의 기능 장애는 만성 자가면역 질환과 염증성 장질환궤양성 대장염, 크론병 등이 대표적이다. “아교세포는 확실히 다양한 장 질환의 시작, 발병기전, 진행에 역할을 합니다.”라고 그는 말했습니다.

신경교(Glia)는 미생물군집, 면역 세포 및 기타 장 세포 간의 의사소통에 핵심적인 역할을 하기 때문에 관련될 가능성이 높습니다. 건강한 신경교세포는 독소와 병원균을 차단하고 영양분을 흡수하는 세포층인 장의 상피 장벽을 강화합니다. 그러나 크론병 환자의 경우 신경교세포가 제대로 기능하지 않아 장벽이 약해지고 면역 반응이 부적절해집니다.

Scavuzzo는 “신경교의 다양한 하위 유형은 운동성에 영향을 미치는 광범위한 질병 및 장애에서 다르게 기능하거나 기능 장애를 일으킬 수 있습니다.”라고 말했습니다. 또한 신경 염증, 장기 과민증, 심지어 신경 세포 사멸과도 관련이 있습니다.

예를 들어 Gulbransen과 그의 팀은 최근에 다음을 발견했습니다. 신경교는 장 통증에 기여 뉴런을 민감하게 만드는 분자를 분비함으로써. 이것은 부작용으로 통증을 유발하는 유해한 물질을 처리하기 위해 장의 주의를 끌기 위한 적응 반응일 가능성이 높다고 Gulbransen은 말했습니다.

오늘 발표 된 결과 과학 신호, 신경교를 표적으로 삼는 것이 장의 염증성 장애로 인해 발생하는 통증의 일부를 완화하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.

Glia 자체도 유전적 문제, 미생물군집의 대사산물에 대한 노출, 나쁜 식습관 또는 기타 요인으로 인해 스트레스를 받을 수 있습니다. Fattahi는 원인에 관계없이 스트레스를 받은 장 신경교세포가 전체 조직에 영향을 미치고 때로는 이웃 뉴런을 손상시키거나 면역 세포를 모집하여 추가적인 염증과 통증을 유발한다는 사실을 관찰했습니다.

장 신경 교세포에 대한 이러한 새로운 연구는 연구자들이 이해하고 치료하기 위해 애쓰던 많은 위장 장애를 설명하는 데 큰 도움이 될 것이라고 Sharkey는 말했습니다. “이러한 세포가 어떻게 진화하여 수년에 걸쳐 장 신경생물학의 중심 인물이 되었는지 보는 것이 정말 기대됩니다.”

뉴런이 장 시스템에서 단독으로 행동하지 않는다는 것이 점점 더 명확해지고 있다고 그는 덧붙였습니다. "가장 효율적이고 효과적인 방법으로 작업을 수행할 수 있게 해주는 아름다운 파트너가 glia에 있습니다."

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