腸道作為消化器官，除了可以消化食物，也存在複雜的感覺系統，以監測和應對各種刺激，而腸道系統的紊亂也會導緻相關病症，如腸易激綜合征（irritable bowel syndrome, IBS）。腸道中存在着一類特化的感覺細胞，腸内分泌細胞，這些細胞在感受到刺激物後釋放激素或者神經遞質，進而通過一系列的信号傳遞，産生不同的生理影響。其中備受關注的腸内分泌細胞是腸嗜鉻細胞（enterochromaffin cell，EC），這類細胞能夠大量合成和分泌5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT，也稱為血清素，serotonin），在哺乳動物個體中，約95%的5-HT存在于EC細胞中。腸道中表達多種5-HT受體亞型，主要包括低親和力的離子通道型5-HT₃受體和高親和力的代謝型5-HT₄受體，前者通過激活感覺神經元進而引起惡心、疼痛等，後者則能增強腸道的離子分泌從而維持腸道的液體均衡。那麼腸道是如何響應不同刺激而實現對不同5-HT信号通路的調控呢？在這個過程中，5-HT信号的時空變化有何特征？這種調控是否和腸道獨特的隐窩（crypts）和絨毛（villi）結構有關？此前由于難以對腸道5-HT時空動态進行監測，因而上述問題懸而未決。

2025年2月12日，《Nature》雜志在線發表了題為“Topological segregation of stress sensors along the gut crypt–villus axis”的研究論文，該研究由beat365官方网站、IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心李毓龍實驗室，美國加利福尼亞大學舊金山分校（UCSF）David Julius實驗室和澳大利亞阿德萊德大學霍普伍德神經生物學中心内髒疼痛研究組Stuart M. Brierley實驗室合作完成。該研究使用可遺傳編碼的5-HT熒光探針，結合藥理學操控、電生理記錄和轉錄分析等多種技術手段，發現腸道隐窩和絨毛的EC細胞表達不同的刺激響應受體、具有不同的5-HT釋放特征，從而實現對腸道完整性的監測及刺激物的應激反應。

為了能夠實時監測腸道5-HT的時空動态變化，本研究基于李毓龍課題組于2024年發表的改進版本綠色熒光探針gGRAB_5-HT3.0（後續簡稱g5-HT3.0）構建了表達該探針的轉基因小鼠品系（圖1），通過将該報告品系和Vil1^cre品系小鼠雜交，成功地在腸道上皮細胞表達了g5-HT3.0探針，從而實現了對腸道中5-HT時空動态的成像（圖2）。

圖1. gGRAB_5-HT3.0的探針原理及小鼠品系開發策略

圖2. 完整隐窩–絨毛結構的5-HT實時成像

除了能夠靈敏地檢測到高鉀溶液激活EC細胞所引起的5-HT釋放，該系統也能檢測到隐窩處的5-HT自發釋放（視頻1），但是在絨毛處并未檢測到，這暗示隐窩中的5-HT釋放存在兩種不同模式。隐窩表達一類瞬時受體電位離子通道（transient receptor potential ion channel）TRPA1（也叫做芥末受體），原位雜交實驗表明TRPA1在隐窩高表達，并且沿着底部的隐窩到頂部的絨毛表達量逐漸降低，随後通過使用TRPA1受體的激動劑異硫氰酸烯丙酯（allyl isothiocyanate, AITC）處理分離的隐窩和絨毛，發現AITC處理能引起隐窩的5-HT釋放但是不能引起絨毛的5-HT釋放，并且TRPA1受體的拮抗劑A967079（A96）能夠減少隐窩EC細胞的自發活動。進一步使用一個親和力更低的5-HT探針gGRAB_5-HT2m結合表達不同5-HT受體亞型的細胞記錄，發現隐窩EC細胞自發釋放的5-HT濃度較低（納摩爾範圍），僅能激活代謝型受體（如5-HT₄或者5-HT₂），最終刺激離子分泌；而AITC刺激所引起的5-HT釋放濃度更高（微摩爾範圍），除了激活代謝型受體，也能夠激活5-HT₃離子通道型受體，進而激活感覺神經元。因此腸道通過EC細胞釋放不同濃度的5-HT，結合腸道中不同的5-HT受體表達特征，實現了對5-HT不同的信号通路的激活（圖3）。

視頻1. 腸道隐窩中的5-HT動态成像

圖3. 隐窩EC細胞存在TRPA1受體依賴的兩種5-HT釋放模式

那麼，生理病理條件下，腸道這一獨特的5-HT信号是如何實現對刺激的響應的呢？為了探究黏液層是否确實能夠作為腸道應對刺激物的屏障，該研究使用保留了隐窩和黏液層的新鮮制備的腸組織，測試了不同親電體的刺激效應，發現隻有高活性親電體丙烯醛（acrolein）能夠強烈刺激隐窩EC細胞，但是使用黏蛋白酶StcE處理腸組織降解黏液層後，原來無效的親電體（如AITC）也能快速地激活隐窩EC細胞的TRPA1受體，由此表明正常生理條件下，隻有很強的親電體能夠進入隐窩激活EC細胞，而黏液層受損後，其它的刺激物也能激活隐窩處的EC細胞引起5-HT的釋放（圖4）。而絨毛處則主要表達能夠被胞内ADP核糖激活的TRPM2受體，氧化脅迫能夠激活絨毛EC細胞，使其同時釋放5-HT和ATP，共同激活粘膜迷走傳入神經。

圖4. TRPA1是黏液層保護下的隐窩EC細胞的親電體檢測器

本研究由國際多個團隊合作實現了“新技術-新發現-新想法”的突破，通過構建新型5-HT探針的報告品系小鼠，實現了腸道中5-HT的時空動态成像，發現腸道中隐窩和絨毛的EC細胞存在不同的釋放模式，并進一步解釋了隐窩-絨毛軸拓撲隔離的生理功能及病理機制（圖5），為理解腸道應激響應機制提供了新思路，也有助于開發新的腸道疾病的治療策略。

圖5. 腸應激反應中的區域化EC細胞信号模式總結

UCSF的博士後Kouki K. Touhara為本文第一作者兼共同通訊作者，UCSF的David Julius教授、北京大學李毓龍教授和阿德萊德大學Stuart M. Brierley教授為共同通訊作者。值得一提的是，本研究涉及到國際間三個課題組的合作，三位共同二作發揮自己的專長推動了本研究，其中David Julius課題組的博士研究生Nathan D. Rossen進行了EC細胞的膜片鉗記錄，李毓龍課題組鄧飛博士（現為斯坦福大學博士後）開發了5-HT探針及轉基因小鼠品系，Stuart M. Brierley課題組的Joel Castro博士進行了空腸傳入神經電活動記錄，其他合作者也做出了重要貢獻。本研究中，李毓龍課題組得到了膜生物學國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、國家自然科學基金和新基石科學基金會所設立的新基石研究員項目與科學探索獎等機構和經費的大力支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08581-9

李毓龍實驗室的更多相關工作詳見：http://yulonglilab.org/。此外，實驗室長期誠聘不同學科背景的副研究員、博士後及技術員，待遇從優。歡迎對腦科學感興趣的有志青年加入！郵箱：yulongli@pku.edu.cn