Neuroimmune Interactions of Enteric Neurons and Mast Cells: Friends or Foes?

Abstract

Psychological distress or physical strain lead to reduced blood flow in the intestine since other organs are prioritised. One aim of this thesis was to investigate how ischemia followed by reperfusion affects the large intestine and the enteric nervous system (ENS). To do so an experimental ischemia/reperfusion (I/R) model was set up using rat large intestine. In order to study how the ENS reacts to various mediators of stress, primary cultures of myenteric neurons from rat small and large intestine were used to study neuronal survival. The intestinal segments exposed to I/R were structurally well preserved, however, local areas containing numerous mast cells were detected in the muscle layers, the serosa and in and around the myenteric ganglia 4-20 weeks post ischemia. Myenteric ganglionic formations within such mast cell rich areas virtually lacked neurons. Myenteric neurons co-cultured with mast cells showed a markedly reduced neuronal survival. The increased neuronal cell death was largely due to mast cell degranulation. Identified mast cell mediators involved were proteinases acting via proteinase activated receptor 2 (PAR2), prostaglandin D2 (PGD2) and interleukin 6 (IL-6). Immunocytochemical examination of rat small and large intestine, revealed frequent co-localization of corticotropin releasing peptide (CRF), known to induce psychological stress reactions in mammals, and vasoactive intestinal peptide (VIP) in enteric neurons. CRF did not affect the survival of myenteric neurons in culture, but was found to counteract the VIP-induced neuroprotective effect. We also showed that the mast cell-induced increase in cell death of cultured myenteric neurons was not executed via CRF signaling pathways. In conclusion: I/R in rat large intestine attracted mast cells to invade the muscle layers and myenteric ganglia. In mast cell-infiltrated areas, ganglionic formations lacked myenteric neurons. Mast cells reduced neuronal survival when cultured together with myenteric neurons from rat small intestine. The mechanisms behind is through PAR2 activation and release of PGD2 and IL-6. Presence of CRF counteracted VIP-induced neuroprotection in cultured myenteric neurons.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Emotionell stress samt hårt fysiskt arbete reducerar blodflödet till tarmen. Om cirkulationen till tarmen är kraftigt reducerat under en längre period får tarmen syrebrist, den blir ischemisk. Vid ischemi bildas skadliga slaggprodukter vilka distribueras till andra organ när blodflödet ökar igen. Irritable bowel syndrome, IBS, är en vanlig mag-tarm sjukdom som man inte vet orsaken till. Patienterna är förstoppade eller har diarré, känner smärta eller obehag och är ofta svullna om magen. Det har noterats att IBS patienter har en ökad förekomst av tjocktarmsischemi. En annan patientgrupp som också drabbas av ischemi i tarm är de som har inflammatoriska tarmsjukdomar, tex Crohn’s sjukdom eller ulcerös colit.



Tarmens funktion styrs till stor del av det enteriska nervsystemet som återfinns utmed hela tarmen. Nervcellerna ligger fördelade i framförallt två typer ganglier - ansamlingar av nervcells kroppar. Myenteriska ganglier ligger mellan tarmens två muskelskikt och submucosala ganglier ligger under sleminnan. Nervcellerna skickar signaler till tarmens övriga celler, men de kommunicerar också med varandra, samt med centrala nervsystemet. Genom studier som ingår i denna avhandling har vi sökt information om hur enteriska nervceller reagerar i utsatta situationer, samt hur dessa nervceller klarar av en tillfällig period av ischemi. Genom att isolera nervceller från råttans tarm och odla dom i primärkultur utsättes de för en stressande miljö. Vi har visat att de trots denna påfrestning kan överleva och tillverka signalsubstanser. Vi har också visat att vid odling av myenteriska nervceller från råttans tjocktarm är det en högre andel nervceller som uttrycker neuropeptiderna CGRP, NPY, somatostatin och VIP jämfört med när neuronen är intakta i tarmen. Dessa peptider är viktiga för tarmens funktion och slutsaten vi drar från dessa resultat är att de också är viktiga för nervcellerna överlevnad.



För att studera hur nervcellerna, samt övriga tarmstrukturer, klarar ischemi följt av reperfusion, stängdes blodflödet av under en timme till ett segment av råttans tjocktarm, för att därefter släppas på igen. Strukturellt klarade sig den behandlade tjocktarmen ganska bra, men 4-20 veckor efter ischemi återfanns mastceller, som är inflammatoriska celler, i tarmens muskellager samt i dess ytterskikt. I områden där mastcellerna ackumulerades, vilket företrädesvis var nära de myenteriska ganglierna, saknades nervceller. För att utreda detta fenomen i detalj samodlades mast celler med myenteriska neuron. Det visade sig att närvaro av mastceller markant reducerade nervcellernas överlevnad. Mastceller innehåller många mediatorer som skulle kunna påverka nervcellsöverlevnad. Proteaser via sin mottagarmolekyl PAR2, IL-6 och PGD2 är de mediatorer vi visade kunde reducera nervcellernas överlevnad i kultur. Samtidigt fann vi att VIP och en corticosteriod hade förmåga att motverka den mastcellsinducerade nervcellsdöden. Dessa två visade sig också ha en gynnsam effekt på nervcellernas överlevnad i kulturer utan mastceller.



CRF är en peptid som frisätts vid emotionell stress. CRF och dess mottagarmolekyl produceras av mastceller samt av neuron i tarmen. I avhandlingens sista studie visade vi att råttan har många CRF innehållande nervceller i tunn- och tjocktarm och att dessa oftast också innehåller VIP. Vid odling av myenteriska nervceller återfanns relativt sätt få CRF- men många VIP-innehållande nervceller. CRF visade sig inte ha någon effekt på nervcellernas överlevnad i kultur men motverkade den neuroprotektiva effekten av VIP. Samtidigt kunde vi bekräfta att mastcellsinducerad nervcellsdöd, som noterats i samodlingarna, inte beror på närvaro av CRF.



Sammanfattningsvis har vi visat att myenteriska nervceller från råttans tjocktarm går att odla. Flera veckor efter en kraftig, men tillfällig, ischemi så dyker mastceller upp i tarmväggen och i dessa områden saknas myenteriska nervceller. Mastceller inducerar troligen död av nervceller mha sina mediatorer: proteas, PGD2 och IL-6, dock inte via CRF signalering. VIP är neuroprotektiv och förhindrar nervcellsdöd men denna effekt motverkas av CRF.

• author: Sand, Elin
• supervisor: Eva Ekblad
• opponent: Prof Hellström, Per, Department of Gastroenterology, Uppsala University Hospital, Uppsala University
• organization: Neurogastroenterology (research group)
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Gastroenterology and Hepatology
• keywords: enteric neurons, ischemia, VIP, mast cells, CRF
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:34
• pages: 45 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2010-04-23 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86443-49-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: cc28374c-7156-4a0c-bed7-a89e87a269b8 (old id 1580463)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:14:07
• date last changed: 2019-11-19 13:49:04