光遗传学整合肠道器官培养系统揭示肠神经元动态调控肠道稳态的机制

《Nature Communications》：Optogenetics-integrated gut organ culture system connects enteric neurons dynamics and gut homeostasis

本研究针对肠道神经-免疫-微生物互作机制解析的难题，开发了一种光遗传学整合的肠道器官培养系统，实现了对特定肠神经元亚群的实时精准激活。研究发现，胆碱能神经元高频（10 Hz）激活可诱导2型免疫相关基因表达并破坏上皮屏障完整性，而P物质能神经元（Tac1+）激活则促进1型免疫及屏障防御程序。值得注意的是，免疫调节菌Thomasclavenia ramosa可重塑神经元激活引发的转录反应并缓解屏障损伤。该平台为系统性解析神经免疫回路及其微生物调控提供了强大工具，发表于《Nature Communications》。

　　

肠道是人体内最复杂的微环境之一，其中肠神经系统（ENS）如同一个隐藏在肠壁中的“第二大脑”，不仅调控消化运动，还通过感知肠道微生物信号，精密协调黏膜免疫和上皮屏障功能。然而，由于肠道内细胞类型多样、空间结构复杂，且体内模型难以排除中枢神经系统干扰，科学家们一直缺乏有效工具来动态解析肠神经元如何通过不同放电模式调控免疫应答，以及微生物信号如何参与这一过程。

为解决这一难题，以色列巴伊兰大学Nissan Yissachar团队在《Nature Communications》发表了最新研究，他们开发了一种光遗传学整合的肠道器官培养系统，首次在离体肠道组织中实现了对特定肠神经元亚群的实时、可控激活，并联合多组学分析揭示了神经元活动频率与免疫应答的精细关联。

关键技术方法

研究通过构建表达Channelrhodopsin-2（ChR2）的转基因小鼠（ChAT-ChR2、Tac1-ChR2），结合定制化多通道肠道培养芯片，实现光照参数（频率、时长）程序化控制；利用RNA测序（RNA-seq）、免疫荧光染色、钙成像、肠道通透性检测（FITC-葡聚糖渗出法）及16S rRNA测序等技术，分析神经元激活后的转录组变化、蛋白表达、屏障功能及微生物组成。

研究结果

1. 光遗传学整合肠道器官培养系统的建立

研究团队改造了原有的肠道器官培养装置，新增遮光设计与LED光源模块，通过Arduino平台控制蓝光（460 nm）或黄光（590 nm）的脉冲频率（如2 Hz或10 Hz）。

在ChAT-ChR2小鼠结肠组织中，蓝光刺激可显著诱导肠神经元激活标志物cFos的核转位，并引发钙内流和肠道蠕动增强，验证了平台的有效性。

2. 肠神经元放电频率差异性调控免疫转录程序

高频（10 Hz）激活胆碱能神经元显著上调2型免疫相关基因（如Il5、Il6、Il33），而低频（2 Hz）激活则无此效应。

同时，10 Hz刺激会抑制上皮紧密连接蛋白（如ZO-1、E-钙黏蛋白）表达，增加肠道通透性，表明高频神经活动可能破坏屏障稳态。

3. 不同肠神经元亚群具有差异化免疫调节功能

激活Tac1⁺神经元（表达P物质）可诱导干扰素-γ（Ifng）、IL-18等1型免疫因子及抗菌肽（Reg3b/g）表达，且均能引起上皮连接蛋白下调，但其作用模式与胆碱能神经元不同，提示神经元身份特异性调控免疫应答。

4. 微生物信号重塑神经元驱动的免疫与屏障反应

引入益生菌Thomasclavenia ramosa可显著抑制光遗传激活引发的cFos表达，并逆转神经元诱导的上皮屏障损伤，而对照菌Finegoldia magna无此效应。

研究还发现，T. ramosa能选择性抑制神经元激活相关的神经肽（如Nmu）表达，但保留部分细胞因子（如Il5）诱导，表明微生物可局部整合神经元信号以精细化调控免疫平衡。

结论与意义

本研究通过创新性平台破解了肠神经-免疫-微生物互作的动态调控机制，证实神经元放电频率与亚群身份共同决定免疫应答类型，且微生物信号可实时重塑这一过程。这一发现不仅深化了对肠道稳态调控的理解，也为通过靶向神经活动或微生物干预治疗炎症性肠病、代谢紊乱等疾病提供了新思路。