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グリア細胞由来神経栄養因子が腸管神経新生を誘導し、ヒルシュプルング病モデルマウスにおける大腸の構造と機能を改善する
Glial Cell Derived Neurotrophic Factor Induces Enteric Neurogenesis and Improves Colon Structure and Function in Mouse Models of Hirschsprung Disease.
PMID: 32687927 DOI: 10.1053/j.gastro.2020.07.018.
抄録
背景となる目的:
ヒルシュプルング病（HSCR）は、遠位結腸に腸管神経節が欠損している生命に関わる先天性欠損症である。HSCRの治療法は膠原性腸を外科的に切除することであるが、多くの小児は手術後も重篤な問題を抱えたままである。本研究では、グリア細胞由来神経栄養因子（GDNF）の投与が HSCR モデルマウスにおける腸神経系の再生を誘導するかどうかを検討した。
BACKGROUND AIMS: Hirschsprung disease (HSCR) is a life-threatening birth defect in which the distal colon is devoid of enteric neural ganglia. HSCR is treated by surgical removal of aganglionic bowel, but many children continue to have severe problems after surgery. We studied whether administration of glial cell derived neurotrophic factor (GDNF) induces enteric nervous system regeneration in mouse models of HSCR.
方法:
我々は、HSCRの4つのマウスモデル：Holstein（Hol、トリソミー21関連HSRのモデル）、TashT（TashT、男性偏性HSRのモデル）、Piebald-lethal（Ednrb、EDNRB変異関連HSRのモデル）、およびRet（マイコフェノレートによって誘導された交叉神経節症を有する）を用いて研究を行った。マウスを、生後４日目から８日目まで、ＧＤＮＦを含む直腸浣腸または生理食塩水（対照）を与えた。マウスの生存時間を測定し、結腸組織を組織学、免疫蛍光、免疫ブロットで解析した。大腸組織とマウスの神経節の再生と構造、腸の運動性、上皮の透過性、筋肉の厚さ、好中球の浸潤を調べた。便サンプルを採取し、16S rRNA 遺伝子シークエンシングによりマイクロバイオームを解析した。タイムラプスイメージングと遺伝的細胞系列トレーシングを用いて、GDNFを標的とした神経前駆細胞の発生源を同定した。HSCRを発症した小児から採取したヒトの膠原結腸摘出物をGDNFで培養し、神経前駆細胞の評価を行った。
METHODS: We performed studies with four mouse models of HSCR: Holstein (Hol, a model for trisomy 21-associated HSCR), TashT (TashT, a model for male-biased HSCR), Piebald-lethal (Ednrb, a model for EDNRB mutation-associated HSCR), and Ret (with aganglionosis induced by mycophenolate). Mice were given rectal enemas containing GDNF or saline (control) from postnatal days 4 through 8. We measured survival times of mice, and colon tissues were analyzed by histology, immunofluorescence, and immunoblots. Neural ganglia regeneration and structure, bowel motility, epithelial permeability, muscle thickness, and neutrophil infiltration were studied in colon tissues and in mice. Stool samples were collected, and microbiomes were analyzed by 16S rRNA gene sequencing. Time-lapse imaging and genetic cell-lineage tracing were used to identify a source of GDNF-targeted neural progenitors. Human aganglionic colon explants from children with HSCR were cultured with GDNF and evaluated for neurogenesis.
結果:
GDNFは、Holマウス、Ednrbマウス、および雄性TashTマウスの平均生存時間をコントロールマウスと比較して有意に延長させたが、マイコフェノレート毒性を有するRetマウスは延長させなかった。GDNFを投与されたマウスは、コントロールマウスでは膠原性であった腸遠位組織のニューロンとグリアを発達させ、大腸の運動性を有意に増加させ、上皮透過性、筋肉の厚さ、好中球密度を有意に減少させた。Holマウスの糞便サンプルでは、野生型マウスの糞便と比較して腸内細菌叢の異常が観察され、GDNFを投与されたマウスの糞便マイクロバイオームは、Bacteroidesを除いて野生型マウスと同様であった。外因性腔内GDNFはHolマウスの膠原結腸上皮に浸透し、内因性GDNFの産生を誘導し、外因性神経内のシュワン細胞から新たな腸管神経細胞とグリアが発生した。また、ヒト膠原病性腸管の培養エキスにGDNFを適用すると、シュワン細胞の増殖と新しいニューロンの形成が誘導された。
RESULTS: GDNF significantly prolonged mean survival times of Hol mice, Ednrb mice, and male TashT mice, compared with control mice, but not Ret mice (which had mycophenolate toxicity). Mice given GDNF developed neurons and glia in distal bowel tissues that were aganglionic in control mice, had a significant increase in colon motility, and had significant decreases in epithelial permeability, muscle thickness, and neutrophil density. We observed dysbiosis in fecal samples from Hol mice compared with feces from wild-type mice; fecal microbiomes of mice given GDNF were similar to those of wild-type mice except for Bacteroides. Exogenous luminal GDNF penetrated aganglionic colon epithelium of Hol mice, inducing production of endogenous GDNF, and new enteric neurons and glia appeared to arise from Schwann cells within extrinsic nerves. GDNF application to cultured explants of human aganglionic bowel induced proliferation of Schwann cells and formation of new neurons.
結論:
GDNF の投与により、3 種類の HSCR マウスモデルにおいて、生存期間が延長され、腸管神経新生が誘導され、結腸の構造と機能が改善された。GDNF を HSCR の子供たちから採取した膠原病性腸管の培養エキスに適用すると、シュワン細胞の増殖と新しいニューロンの形成が誘導された。GDNFはHSCRの治療薬として開発される可能性がある。
CONCLUSIONS: GDNF prolonged survival, induced enteric neurogenesis, and improved colon structure and function in 3 mouse models of HSCR. Application of GDNF to cultured explants of aganglionic bowel from children with HSCR induced proliferation of Schwann cells and formation of new neurons. GDNF might be developed for treatment of HSCR.
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