Verbindingen en connectiviteit in de darm-hersenas

In dit project zullen we onderzoeken hoe de enterische neuronen ingebed in de darmwand verbinding maken met andere zenuwnetwerken binnen maar ook buiten de darm. Het enterische zenuwstelsel (ENS) bestaat uit twee ganglionated plexuslagen die het maagdarmkanaal omringen en zich over de volledige lengte uitstrekken. De best gekarakteriseerde laag is de myenterische plexus die zich tussen de cirkelvormige en longitudinale spierlagen bevindt, die motiliteitspatronen in de darm regelt. De submukeuze plexus, dichter bij het slijmvlies gelegen, is verantwoordelijk voor absorptie en secretie. Beide lagen komen voort uit (vagale en sommige sacrale) voorlopers die tijdens de ontwikkeling de uitdagende taak hebben om te migreren en zich te verspreiden en tijdig te differentiëren in alle noodzakelijke subklassen van neuronen, terwijl de darm groeit en snel verlengt. Als deze voorlopers de hele darm niet koloniseren, blijft het distale deel van de dikke darm zonder innervatie, wat leidt tot de levensbedreigende ziekte van Hirschsprung. Hoewel de architectuur van plexuslagen in verschillende afzonderlijke delen van de darm en in verschillende soorten in behoorlijk wat detail is beschreven, blijft het nog steeds ongrijpbaar welke factoren belangrijk zijn voor de submukeuze plexus om zich zo duidelijk in de darmwand te vormen en uit te lijnen. Bovendien is niet bekend hoe deze twee lagen met elkaar communiceren. Beide sturen zintuiglijke projecties naar het slijmvlies om luminale inhoud te voelen, maar hoe deze twee lagen hun informatie integreren en een functionele output teruggeven, is niet goed begrepen. In voorlopige experimenten hebben we ontdekt dat de geactiveerde circuits in de submukeuze en myenterische plexus elkaar beïnvloeden, maar de mechanismen en regels die aan deze communicatie ten grondslag liggen zijn ongrijpbaar. Deze twee zenuwnetwerken communiceren niet alleen met elkaar, maar zijn ook via extrinsieke vezels verbonden met het centrale zenuwstelsel (CNS). Deze darm-hersenverbinding heeft recent veel aandacht gekregen omdat het signalen overbrengt die verband houden met de voedingswaarde, de samenstelling van de microbiota, beloning en pijn in de hersenen. Deze extrinsieke neuronen kunnen ook fungeren als een fysieke route via welke bijtende middelen, virussen of verkeerd gevouwen eiwitten hun weg naar het CZS vinden. De populaire Braak-hypothese (Braak et al. 2006) bepaalt dat de ziekte van Parkinson zijn oorsprong in de darm kan hebben. Ondanks bewijs uit cultuur- en dierexperimenten dat transport van verkeerd gevouwen α-synucleïne kan optreden (Pan-Montojo et al. 2015; Anselmi et al. 2019), bewijs dat de submukeuze plexus (Desmet et al. 2017; Vanden Berghe en Shannon, 2017 ) fungeert als een gateway ontbreekt. Net als bij de submukeuze plexus, is het ook hier niet bekend wat de moleculaire factoren zijn die de vagale en spinale afferenten naar hun juiste locatie in de zich ontwikkelende darm leiden. Tijdens normaal fysiologisch functioneren moduleren de extrinsieke verbindingen de activiteit van het enterische zenuwstelsel, maar opnieuw blijven de mechanismen en regels die aan deze communicatie ten grondslag liggen ongrijpbaar. Het algemene doel is om te onderzoeken hoe de typische 3D-architectuur van de darminnervatie wordt gevormd en hoe verschillende lagen samenwerken om de juiste fysiologische output te produceren. We zullen ons specifiek richten op hoe de myenterische plexus interageert met de submukeuze plexus en de extrinsieke zenuwen, wanneer een van beide wordt geactiveerd. Dit zal de kennis vergroten over hoe deze zenuwnetwerken verbinding maken en communiceren. De resultaten zullen niet alleen belangrijk zijn om de neurofysiologie van de darmfunctie te begrijpen, maar zullen ook de kennis en de modellen opleveren om mogelijke pathofysiologische mechanismen bij GI en neurodegeneratieve ziekten te onderzoeken. We zullen meestal de gespecialiseerde beeldvormingsapparatuur gebruiken die beschikbaar is in het Lab voor Enteric NeuroScience, inclusief widefield-, confocale, multiphoton- en superresolutietechnieken. Dit doctoraatsproject maakt deel uit van een groot (door FETPROACT gefinancierd) project, waarin materiaalwetenschappen, ontwikkelingsbiologie, systeembiologie en fysiologielabs zijn betrokken bij het modelleren van een darm-hersenverbinding op een (microfluïdische) chip. Hiertoe zullen we iPSC en (commerciële) van hESC afgeleide enterische en centrale neuronen gebruiken die we in kweeksystemen met meerdere compartimenten zullen laten groeien als model voor de darm-hersenverbinding. Het uiteindelijke doel van dit consortium is het bouwen van een chip met 2 of 3 compartimenten waarop een voldoende betrouwbaar model van de darm-hersenverbinding kan worden gekweekt. Onze experimenten gericht op identificatie en karakterisering van aantrekkingsfactoren voor extrinsica en voor submukeuze neuronen zullen behulpzaam zijn bij het succesvol genereren van een dergelijke microfluïdische chip.