Neuromuscular transmission in the gastrointestinal tract and its interaction with pacemakers

Abstract

L'intestí gros desenvolupa una varietat de funcions essencials per a una utilització òptima dels aliments. Es necessiten diferents tipus de patrons de motilitat per dur a terme aquestes funcions i, en aquesta tesi, el nostre objectiu ha estat augmentar la comprensió dels mecanismes subjacents a la seva regulació.

La coordinació temporal i espacial de les contraccions i relaxacions del múscul llis donen lloc als diferents patrons motors. El múscul llis està sota el control de dos sistemes: el Sistema Nerviós Entèric i les xarxes de Cèl·lules Intersticials de Cajal (ICC).

Els principals transmissors alliberats per les motoneurones entèriques inhibitòries són l’ATP i l'òxid nítric (NO). En aquest treball, hem descrit com les diferents freqüències de descàrrega de les neurones determinen l'acció d'un o altre co-transmissor. Ràfegues curtes o de baixa freqüència causen principalment respostes purinèrgiques mitjançant l’activació de receptors P2Y1 (bloquejades per BPTU, un nou antagonista al·lostèric del receptor P2Y1), mentre que les ràfegues llargues a altes freqüències potencien la neurotransmissió nitrèrgica. Això es deu a què la neurotransmissió purinèrgica s’atenua amb a altes freqüències i per tant, aquesta via només és capaç de causar relaxacions transitòries. La neurotransmissió nitrèrgica, per contra, pot relaxar el còlon de manera sostinguda. D'acord amb això, les respostes nitrèrgiques són predominants al còlon proximal, on té lloc l'emmagatzematge dels efluents de l’ili i l'absorció d'aigua i altres substàncies. En canvi, el gradient de la neurotransmissió purinèrgica és invers i per tant, al còlon distal, responsable de la propulsió de femtes, hi predominen les relaxacions transitòries.

La neurotransmissió inhibitòria pot modular la ritmicitat miogènica generada per les ICCs. Mentre que les ones lentes, originades per les ICC del plexe submuscular de còlon (ICC-SMP), semblen ser resistents a la hiperpolarització, les despolaritzacions cícliques desenvolupades per les ICCs del plexe mientèric (ICC-MY) desapareixen quan el potencial de membrana baixa per sota de -40 mV a causa de la seva dependència dels canals de calci de tipus L. Per tant, per tal de permetre el desenvolupament d'aquest marcapàs, el potencial de membrana a la zona on es generen les despolaritzacions cícliques és al voltant de -40 mV. En canvi, les cèl·lules del múscul llis properes al plexe submuscular tenen un potencial de membrana al voltant de -50 mV, és a dir, existeix un gradient transmural. En conseqüència, l'amplitud de les respostes inhibitòries també mostra un gradient.

Les ones lentes són registrades en viu com contraccions d'alta freqüència i d'amplitud relativament baixa (“ripples”); mentre que les despolaritzacions cícliques s'han associat a contraccions de propulsió i creiem que són també la base miogènica de les contraccions d'alta amplitud conegudes com a HAPC induïdes via neural. In vitro, s'ha observat un tercer patró motor que consisteix en un “wax and wane” (créixer i minvar) de les contraccions associades a ones lentes. És molt probable que el “wax and wane” es degui a una modulació del marcapàs del ICC-SMP per part del marcapàs de l'ICC-MY. Creiem que aquest patró és la base dels contraccions individuals (“single motor patterns”) observats amb manometria d’alta resolució.

En conclusió, la contribució d'ATP i NO a la relaxació depèn de la freqüència de descàrrega de les motoneurones inhibitòries. Els co-transmissors mostren diferents rols funcionals i estan distribuïts al llarg del còlon en conformitat amb el paper de cada regió. Malgrat les ICCs estableixen la ritmicitat de les contraccions a través dels marcapassos, les neurones entèriques recopilen informació del contingut luminal i potencien o inhibeixen els marcapassos i/o produeixen relaxacions o contraccions en les diferents àrees per tal d'optimitzar el processament del contingut.

The large intestine performs a variety of functions essential for an optimal use of food. Different types of motility patterns are needed to develop these functions and, in this thesis, our aim has been to increase the understanding of the mechanisms underlying their regulation. The temporal and spatial coordination of smooth muscle contractions and relaxations results in the different motor patterns. Smooth muscle is under the control of two systems: the Enteric Nervous System and the Interstitial Cells of Cajal (ICC) networks.

The major transmitter substances released by enteric inhibitory motor neurons are ATP and nitric oxide (NO). In this work, we have described how different neuronal firing frequencies are responsible for the action of one or another co-transmitter. Short bursts or low frequencies cause mainly P2Y1 mediated purinergic responses (blocked by BPTU, a novel P2Y1 allosteric antagonist) while long bursts at high frequencies enhance nitrergic neurotransmission. This is due to the fact that purinergic neurotransmission attenuates with frequency-increase and therefore, this pathway is only able to cause transient relaxations. Nitrergic neurotransmission, in contrast, can relax colonic tissue in a sustained manner. Accordingly, nitrergic responses are predominant in the proximal colon where storage of ileal effluents and absorption of water and other substances take place. Contrarily, the gradient of purinergic neurotransmission is inverse and therefore, transient relaxations predominate in the distal colon.

Inhibitory neurotransmission can modulate the myogenic rythmicity generated by ICCs. Whereas slow waves, originated in the colonic ICCs of the Submuscular Plexus (ICC-SMP), appear to be resistant to mild hyperpolarisations, cyclic depolarizations developed by the ICC of the Myenteric Plexus (ICC-MY) disappear when the membrane potential goes under -40 mV due to their dependence on L-type calcium channels. Therefore, in order to allow the development of this pacemaker, the resting membrane potential (RMP) in the area were cyclic depolarizations occur is around -40 mV. In contrast, smooth muscle cells near the submuscular plexus have a RMP of around -50 mV, i.e., a transwall gradient exists. In consequence, the amplitude of inhibitory responses is also graded.

Slow waves can be recorded in vivo as “ripples”: high frequency contractions of relatively low amplitude; while cyclic depolarizations have been associated to propulsive contractions and we believe they are also the myogenic basis of neural induced high amplitude propagating contractions. In vitro, we have observed a third motor pattern that consists in a wax and wane of slow waves associated contractions. The wax and wane is very likely due to a modulation of the ICC-SMP pacemaker by the ICC-MY pacemaker. We believe this pattern is the basis of the single motor contractions observed with high resolution manometry.

In conclusion, the relative contribution of ATP and NO to relaxation depends on the firing frequency of inhibitory motor neurons. They display different functional roles and are distributed along the colon accordingly. Although ICCs settle the rythmicity of contractions through their spontaneous cycling of the RMP, enteric neurons collect information of the luminal content and enhance or inhibit the pacemakers and/or produce relaxations or contractions in the different areas in order to optimize the processing of the content.