Посещений: 
ОСЯЗАНИЕ
Комплексы нейрита и клетки Меркеля
|
|
Merkel cells and neurons keep in touch Seung-Hyun Woo,Ellen A. Lumpkin, Ardem Patapoutian
 Trends in Cell Biol. Volume 25, Issue 2, February 2015, Pages 74–81
|
The Merkel cell-neurite complex is a unique vertebrate touch receptor comprising two distinct cell types in the skin. Its presence in touch-sensitive skin areas was recognized more than a century ago, but the functions of each cell type in sensory transduction have been unclear. Three recent studies demonstrate that Merkel cells are mechanosensitive cells that function in touch transduction via Piezo2. One study concludes that Merkel cells, rather than sensory neurons, are principal sites of mechanotransduction, whereas two other studies report that both Merkel cells and neurons encode mechanical inputs. Together, these studies settle a long-standing debate on whether or not Merkel cells are mechanosensory cells, and enable future investigations of how these skin cells communicate with neurons.
Рисунки к статье
|
Merkel cell-neurite complexes in skin
Мы зависим от своих чувствительных прикосновений для получения информации об окружающем мире и для выполнения искусных движений. Наша способность ощущения всего богатства нашего тактильного окружения представлена в коже. Рецепторы прикосновения экспрессируют механически активируемые (MA) ионные каналы, которые воспринимают и превращают механические стимулы в электрические сигналы. Эти электрические сигналы затем доставляются в ЦНС, где они преобразуются и интерпретируются как ощущения прикосновений.
Чувствительные нейроны, которые инициируют ощущения от прикосновений являются т. наз. low threshold mechanoreceptors (LTMRs). LTMRs заканчиваются в коже и классифицируются как Aβ, Aδ или C волокна, базируясь на степени их миэлинизации и скорости проведения потенциала действия 1, 2 and 3. Области кожи с волосками и без содержат дискретные наборы LTMRs, а разного типа LTMRs определяют специфические тактильные ощущения (modalities) [4]. Напр., копьевидные нервные окончания в волосяных фолликулах отвечают на движения волосков 5 and 6, как тельца Пачини и Мейсснера в коже без волос отвечают на вибрации разных частот 7-9. Комплекс клетка Меркеля-нейрит является LTMR, присутствует в обоих типах кожи и считается важным для восприятия нежных прикосновений 3, 10 and 11. Интересно, что комплекс нейрит-клетка Меркеля состоит из двух отличающихся, но тесно ассоциированных типов клеток: Aβ сенсорного нейрона и эпителиальной клетки, известной как клетка Меркеля.
Клетки Меркеля это редкая популяция эпителиальных клеток кожи большинства позвоночных [12]. Впервые идентифицированные Friedrich Sigmund Merkel в 1875, эти клетки первоначально были описаны как 'Tastzellen' (осязательные клетки) из-за их тесной ассоциации с нервными волокнами, что позволило Меркелю предположить, что они участвуют в осязании [11]. Клетки Меркеля в самом деле обнаруживаются в областях кожи, чувствительных к прикосновениям, в таких как кончики пальцев, губы и специализированные точки волосистой кожи, наз. осязательными куполами (touch domes) 10, 11, 13 and 14, и они также обнаруживаются в изобилии в фолликулах усов млекопитающих [15]. Среди эпителиальных клеток, клетки Меркеля уникальны, поскольку они образуют тесные контакты с Aβ сенсорными нейронами в соединении между эпидермисом и дермой 10 and 15. В противоположность клеткам Меркеля афферентные окончания считаются анатомически сходными с синаптическими контактами 16-20.
В 1969, Iggo и Muir предоставили первые функциональные доказательства участия комплексов нейрит-клетка Меркеля в восприятии прикосновений. С помощью записи от чувствительных к прикосновениям нейронов в волосистой части кожи кошек они продемонстрировали, что определенный тип slowly adapting (SA) разряд возбуждается стимуляцией touch domes, где располагаются комплексы нейрит-клетка Меркеля [10]. Они установили, что давление, оказываемое на touch dome продуцирует передачу продолжительного потенциала действия, характеризующегося нерегулярным паттерном возбуждений с крупными вариациями интервалов между пиками, и они отнесли этот рисунок возбуждений к SA type I (SAI) [10]. SAI афферентные волокна, как полагают, кодируют мелкие детали объектов, из-за их высокого пространственного разрешения и чувствительности к свойствам объекта, таким как точки, края и изгибы [21].
Базируясь на этих находках комплексы нейрит-клетка Меркеля, как полагают, являются осязательными рецепторами, которые инициируют SAI реакцию Aβ афферентных волокон для тактильной дискриминации формы и текстуры 10 and 22; однако точная функция клеток Меркеля и Aβ SAI сенсорных афферентных нейронов во время трансдукции осязания всё ещё спорны 4, 15 and 22. Ключевой вопрос: какой тип клеток отвечает за трансдукцию механосенсорных стимулов в электрические сигналы? Ответ на этот вопрос не очевиден из-за того, что нервная система изобрела две стратегии кодирования сенсорных стимулов в нейрональные сигналы. Сенсорная трансдукция может выполняться или первичными сенсорными нейронами или происходящими из эпителия вторичными сенсорными клетками. Напр., обонятельные нейроны [23] и большинство кожных LTMRs [4] являются первичными сенсорными нейронами, которые обеспечивают сенсорную трансдукцию и проведение нейрональных импульсов в ЦНС. В др. случаях, таких как вкусовые рецепторные клетки [24] и механосенсорные волосковые клетки внутреннего уха 25 and 26, сенсорная трансдукция осуществляется происходящими из эпителия клетками, которые высвобождают нейротрансмиттеры, чтобы активировать афферентные нейроны, которые затем передают сенсорную информацию в ЦНС.
Для комплексов нейрит-клетка Меркеля они могут быть первичными, или вторичными сенсорными клетками. Поскольку все др. LTMRs являются первичными сенсорными нейронами, резонно предположить, что Aβ SAI афферентные волокна также механочувствительны. Напротив, ряд соблазнительных анатомических и онтогенетических параллелей наблюдается между клетками Меркеля и волосковыми клетками внутреннего уха. Они происходят из эпителиальных клеток, иннервируемых сенсорными нейронами 27 and 28. Кроме того, они экспрессируют те же самые онтогенетические транскрипционные факторы, включая atonal homolog 1 (Atoh1), важный транскрипционный фактор для развития как клеток Меркеля, так и волосковых клеток 29-32. Действуют ли клетки Меркеля подобно волосковым клеткам как механосенсорные клетки?
A historical view of Merkel cells
Вероятность, что клетки Меркеля являются сенсорными остается спорным десятилетия. Некоторые исследования пришли к заключению, что клетки Меркеля являются механосенсорами, тогда как др. считают, что SAI афферентные нейроны являются первичными рецепторами 29, 33-38. Напр., устранение фототаксиса клеток Мерекля вызывало снижение реакции SAI в одном из исследований [38], но не обнаружило эффекта в др. исследовании [37]. Третья группа ставит вопрос об эффективности этого метода, т.к. они установили, что чувствительность нарушений фототаксиса варьирует среди клеток Меркеля и что метод имеет также побочные эффекты на афферентные окончания [35]. Др. исследование изучало реакции SA у нокаутных по рецептору нейротрофина p75 мышей, у которых клетки Меркеля первоначально развивались, но потом с возрастом терялись [34]. p75 нокаутные мыши обнаруживали нормальную пропорцию SA ответов, даже после потери большинства эпидермальных клеток Меркеля, указывая, что клетки Меркеля не обязательны для вызываемого прикосновением возбуждения в SA афферентных нейронах [34]. В этом исследовании паттерны возбуждения SAI не были проанализированы в деталях; следовательно, остается неясным оказывает или нет потеря клеток Меркеля легкие изменения признаков возбуждения SAI. Однако эти исследования недостаточны, влияют ли клетки Меркеля на паттерны возбуждения SAI.
Недавно полное устранение клеток Меркеля было достигнуто в коже с меховым покровом мыши за счет генетической делеции Atoh1 [29]. У таких мышей touch domes развивались без клеток Меркеля, но иннервировались миэлинизированными афферентными нейронами [29]. Эти мыши обнаруживали избирательную и полную потерю паттернов возбуждения SAI, это указывает на то, что клетки Меркеля являются важным компонентом для обеспечения реакций SAI в сенсорных афферентных нейронах [29]. Эти результаты согласуются с гипотезой, что клетки Меркеля являются механосенсорными рецепторными клетками; однако две др. модели также могут объяснить этот фенотип. Во-первых, онтогенетическая делеция клеток Меркеля может оказывать побочные дефекты на развитие афферентных нейронов Aβ SAI 4 and 22. Во-вторых, паттерны возбуждений афферентных нейронов Aβ SAI могут отличаться в отсутствии клеток Меркеля, приводя их к классу не-SAI реакций.
Чтобы квалифицировать клетки в качестве механосенсорных рецепторных клеток, тип клеток кандидатов д.б. чувствительным к механическим стимулам. Т.о., наиболее прямым подходом д.б. решение вопроса, являются ли клетки Меркеля прирожденными механочувствительными. В изолированных волосяных фолликулах усов крыс прямое замещение клеток Меркеля, с использованием стеклянных зондов для выявления мощного притока Ca2+ в этих клетках, такое повышение Ca2+ д. подтвердить важность синаптической трансмиссии в афферентные нервные окончания [36]. При этом подходе, однако, SAI афферентные окончания были в контакте с клетками Меркеля, так что нейрональный вклад вовремя механотрансдукции не был исключен. Др. группы осуществили сходные эксперименты в дислоцированных клетках Меркеля для устранения проблемы. В некоторых исследованиях гипотонией индуцированное разбухание клеток использовали в качестве альтернативы стимулам замещения. Когда диссоциированные клетки Меркеля были подвержены действию гипотонических растворов, то наблюдалось сходное увеличение внутриклеточного Ca2+ 33 and 39; однако, гипотонией индуцированный приток Ca2+ в клетки Меркеля может быть следствием активации аппарата, регулирующего объём скорее, чем механизмов механосенсорной трансдукции [33].
Большинство LTMRs имеет механочувствительные окончания, которые заканчиваются в коже 40 and 41. Отсутствие убедительной проверки механочувствительности клеток Меркеля привело некоторые группы к заключению, что SAI сенсорные нейроны являются первичными механорецепторами и что клетки Меркеля действуют как добавочные клетки 42 and 43. В самом деле, было продемонстрировано, что латентный период реакции SAI афферентных нейронов слишком короткий, чтобы использовать синаптическую трансмиссию от клеток Меркеля, подтверждая, что афферентные нейроны д. быть непосредственно механочувствительными [44].
Третья модель, которая предполагает два рецепторных сайта, комбинирует элементы двух предыдущих моделей, предполагая, что как клетки Меркеля, так и Aβ SAI сенсорные афферентные нейроны участвуют в механотрансдукции [45]. Подтверждено фармакологическими исследованиями, что измененная синаптическая передача сигналов в этой модели предполагает, что SAI афферентные нейроны обеспечивают инициальную динамическую фазу осязательной реакции и что клетки Меркеля трансдуцируют устойчивую или статическую фазу реакций на прикосновение, 17, 46 and 47. Модель двух рецепторных сайтов может объяснить, как короткий латентный период SAI возбуждения, так и присутствие синапсов между клетками Меркеля и SAI афферентными окончаниями.
Merkel cells are touch-sensitive cells with Piezo2-dependent transduction channels
недавно был сделан важный прорыв в выяснении функции клеток Меркеля в осязании. Три независимых исследования сообщили о несопоставимых экспериментах и предоставила прямые доказательства, что клетки Меркеля в самом деле являются чувствительными к прикосновениям клетками и что они действуют как важные компоненты рецепторов кожи.
Два исследования использовали комбинацию мышиной генетики и in vitro и интактную элктрофизиологическую регистрацию, чтобы выяснить роль клеток Меркеля во время трансдукции прикосновений 48 and 49, тогда как в третьем исследовании использовали ex vivo препараты усов крыс с фармакологическими манипуляциями, чтобы выявить функцию клеток Меркеля [50]. В качестве инициальной ступени все три исследования независимо предоставили чёткий ответ на вопрос, являются ли клетки Меркеля клеточно-автономными чувствительными к прикосновениям. Когда в клетки Меркеля мягко вводили стеклянный зонд, они продуцировали мощные MA токи in vitro и ex vivo 48-50. Биофизические свойства этих токов напоминают те, что в Piezo2, соматосенсорных нейронах, экспрессирующих MA ионные каналы 48-51. В соответствии с этим наблюдением, все три группы продемонстрировали, что клетки Меркеля преимущественно экспрессируют Piezo2 48-50. Следующая ступень отличалась в разных подходах.
Одна группа показала, что активация только клетки Меркеля достаточна, чтобы индуцировать потенциал действия возбуждения в Aβ SAI сенсорных афферентных нейронах путем управления экспрессией белка Channel rhodopsin-2 (ChR2) в клетках Меркеля [49]. Этот онтогенетический подход делает возможной избирательную активацию клетки Меркеля без непосредственного возбуждения ассоциированных афферентных окончаний. Более того, непрерывное возбуждение в SAI афферентных нейронах остро и обратимо ослабляется с помощью онтогенетически замалчиваемых клеток Меркеля, экспрессирующих light-gated насос протонов ArchT [49]. Итак, эти эксперименты показали, что деполяризация клетки Меркеля необходима и достаточна для длительной передачи возбуждения потенциала действия в SAI афферентные окончания, это прямо демонстрирует связь возбуждений между клеткой Меркеля и сенсорными афферентными нейронами [49]. Затем они проверяли роль клеток Меркеля в реакции SAI за счет осуществления ex vivo skin-nerve записей у мышей с условным, специфичным для кожи нокаутом Atoh1 (Atoh1CKO), которые лишены клеток Меркеля в своей коже. Целенаправленные электрофизиологические записи с флуоресцентно меченных Aβ SAI афферентных нейронов показали, что SAI реакции у Atoh1CKO мышей превращаются в intermediately adapting (IA) паттерны возбуждения: типичное устойчивое возбуждение во время статической фазы оказывалось усеченным (Figure 1A, middle) [49]. Интересно, что возбуждение во время динамической фазы было снижено, но не полностью устранено, подтверждая тем самым, что Aβ SAI афферентные нейроны, подобно др. LTMRs, также являются механочувствительными (Figure 1A, middle) 45 and 49. Итак, эти результаты прямо продемонстрировали, что активация клеток Меркеля достаточна для продукции потенциалов действия в соседних Aβ волокнах и что клетки Меркеля важны для индукции устойчивой нейрональной активности в тактильных афферентных нейронах. Важно, поскольку Aβ SAI афферентные нейроны, лишенные клеток Меркеля, обнаруживают возбуждения во время динамических стимулов, эти данные предоставляют прямое подтверждение модели двух рецепторных сайтов (Figure 1C) 45, 49 and 52.
Figure 1.
Slowly adapting (SA) firing responses of Merkel cell-neurite complexes in touch domes and whisker follicles. (A) Mechanically evoked responses from afferents innervating touch domes in wild type (WT) (left), Atoh1CKO (middle), and Piezo2CKO (right) mice. Displacement applied to a touch dome causes action potential firing in SA type I (SAI) afferents. Moving displacements (dark gray bar) evoke firing in all three genotypes. In wild type mice, static displacement (light gray bar) evokes SA firing; however, firing during static displacement is truncated to intermediately adapting (IA) firing in both Atoh1CKO and Piezo2CKOtouch domes. (B) Mechanically evoked responses from sensory afferent bundles innervating WT whisker follicle (left) and the whisker follicle with Piezo2 knockdown (Piezo2KD) (right). Piezo2 knockdown in Merkel cells causes action potentials to be reduced (right). (C) A two-receptor site model of SAI responses. SAI afferents transduce moving stimuli, and Merkel cells mediate sustained firing during static displacement. All traces have been recreated from 48, 49 and 50. Разные исследования изучали роль недавно открытого Piezo2 MA ионного канала в механотрансдукции клеток Меркеля [48]. Определяли, действует ли Piezo2 как принципиальная молекула механотрансдукции в клетках Меркеля путем использования специфичного для кожи условного нокаута Piezo2 (Piezo2CKO) у мышей, у которых клетки Меркеля развивались нормально, но они были лишены Piezo2 ионных каналов [48]. Снимали запись с целых диссоциированных клеток Меркеля, MA токи были обнаружены только в клетках Меркеля дикого типа, но не в лишенных Piezo2 клетках [48]. Эти результаты показали, что активность канала Piezo2 необходима для внутренне присущей механочувствительности клеток Меркеля. Записи с кожи-нерва в touch domes Piezo2CKO мышей показали, что хотя динамика возбуждения нормальная, но длительное возбуждение укорочено, воспроизводит фенотип Atoh1CKO мышей (Figure 1A, right) 48 and 49. Фенотип Piezo2CKO строго подтверждает модель двух рецепторных сайтов: внутренне присущая механочувствительность Aβ SAI афферентных окончаний достаточна, чтобы объяснить динамичность возбуждения, тогда как активность Piezo2 в клетках Меркеля необходима для SA возбуждения (Figure 1C).
Интересно, что возбуждение во время динамической стимуляции отличается между Piezo2 и Atoh1 нокаутными моделями 48 and 49. Динамичная фаза возбуждения не отличается существенно между Piezo2CKO и дикого типа touch domes (Figure 1A, left and right), в то время как она ослаблена в Atoh1CKO touch domes (Figure 1A, middle) 48 and 49. Эти фенотипические отличия могут быть приписаны: (i) потребности в клетках Меркеля при развитии SAI афферентных нейронов; (ii) Piezo2-независимые функции клеток Меркеля в усилении динамичного возбуждения SAI афферентных нейронов; или (iii) эффекты клеток Меркеля на тканевую механику touch dome [49]. Чтобы выбрать между этими тремя возможностями необходимы измерения механики и контролируемое удаление клеток Меркеля у взрослых мышей с использованием индуцибельной системы.
Параллельно др. группа исследовала функцию Piezo2 в механотрансдукции клеток Меркеля в изолированных фолликулов усов крыс, ассоциированных с сенсорными афферентными пучками [50]. Это сообщение продемонстрировало, что клетки Меркеля являются чувствительными к прикосновениям клетками с быстро инактивируемыми MA токами и медленным регенеративным потенциалом действия кальция при записи фиксации потенциала с клеток Меркеля in situ [50]. После записи в присутствии антител к Piezo2 или Piezo2 small hairpin RNA (shRNA) лентивирусных частиц, остро ингибирующих активность Piezo2, авт. показали, что механочувствительность клеток Меркеля обеспечивается посредством Piezo2 [50].
Клетки Меркеля в фолликулах усов активируются с помощью деформации волос[50]. Поэтому, Ikeda et al. [50] сообщают о компаундом потенциале действия от сенсорных афферентных пучков от фолликул усов во время движений усов в присутствии различных фармакологических ингибиторов или нокдауна Piezo2 (Figure 1B). shRNA-обусловленный нокдаун Piezo2 in situ снижает, но не устраняет полностью компаундный потенциал действия (суммарный потенциал) (Figure 1B) [50]. Базируясь на этих данных, данное исследование указывает, что клетки Меркеля скорее, чем ассоциированные с ними Aβ -афферентные нервные окончания являются первичными сайтами тактильной трансдукции [50]. Однако, присутствие потенциала действия после нокдауна Piezo2 в фолликулах усов согласуется с наблюдением на touch domes у мышей, которые подтверждают модель двух рецепторных сайтов (Figure 1C).
Хотя некоторые отличия наблюдали в свойствах возбуждения потенциала действия тактильных афферентных окончаний в полу-интактных системах в этих исследованиях, эти расхождения могут быть приписаны различиям в экспериментальных подходах и модельных системах, используемых каждой из групп. Напр., два исследования на мышах использовали генетические манипуляции, чтобы специфически устранить или клетки Меркеля или белок Piezo2 из клеток Меркеля, тогда как исследования на усах крыс использовали биохимические и фармакологические манипуляции, чтобы блокировать функцию канала Piezo2 in situ 48-50. В последних случаях локальные воздействия этих реагентов на клетки Меркеля могли также влиять на окончания сенсорных нервов. Piezo2 экспрессируется в сенсорных афферентных нейронах помимо клеток Меркеля 48, 53 and 54; следовательно, нокдаун Piezo2 с помощью shRNA молекул может происходить и в ассоциированных афферентных окончаниях, хотя исследования сообщают, что нокдаун Piezo2 является специфичным для клеток Меркеля [50]. Напротив, исследования генного нокаута с использованием мышиных моделей могут также вызывать компенсацию конститутивной делеции генов во время развития, по сравнению с резким устранением белка фармакологическими реагентами. Др. возможность заключается в том, что SA афферентные нейроны в разные анатомических местах могут использовать разные механизмы трансдукции.
Итак, три исследования убедительно показали, что клетки Меркеля играют инструктивную роль в механочувствительности комплексов нейрит-клетка Меркеля: клетки Меркеля трансдуцируют механические стимулы в электрические сигналы посредством Piezo2, и тем самым индуцируют потенциал действия в SAI афферентных нейронах посредством активации voltage-gated Ca 2+ каналов (Figure 2) 48-50. Более того, эти исследования показали, что клетки Меркеля и SAI афферентные нейроны действуют как сенсоры: сенсорные афферентные нейроны могут отвечать на движение механических стимулов вслед за клетками Меркеля, которые обеспечивают устойчивую реакцию во время статического давления на кожу или деформацию волос усов (Figure 2) 48-50.
Figure 2.
A model of touch transduction in the Merkel cell-neurite complex. (i) Gentle pressure on the skin or hair deformation of the whisker opens mechanotransduction channels, hypothesized to be Piezo2, in slowly adapting type I (SAI) afferents to initiate SAI action potential firing. (ii) Simultaneously, it opens Piezo2 channels in Merkel cells, which causes Merkel cell depolarization. (iii) Voltage-gated calcium channels (VGCC) in Merkel cells are subsequently activated, and (iv) neurotransmitters are released as a result and contribute to SAI firing. Adapted from 49, 50 and 74.
Интересно, что эти исследования одновременно дают объяснение: как может быстро адаптирующийся Piezo2 MA канал в клетках Меркеля вызывать SA возбуждение в тактильных центростремительных нейронах? Хотя активность канала Piezo2 инактивируется в несколько миллисек. небольшой устойчивый ток наблюдается во время механической стимуляции клеток Меркеля (Figure 3, right) [48]. Клетки Меркеля обладают высокой резистентностью мембраны; поэтому небольшой долго длящийся Piezo2-зависимый ток вызывает значительную устойчивую деполяризацию в клетках Меркеля (Figure 3, right) 48-50 and 55. Эта продолжительная деполяризация клеток Меркеля может, следовательно, вносить вклад в медленно адаптирующееся возбуждении SAI афферентных окончаний (Figure 3). В самом деле способность клеток Меркеля продуцировать устойчивую деполяризацию посредством Piezo2 может быть одной из причин, почему развился механизм двух рецепторных сайтов: элегантный способ использовать быстро инактивируемый MA ионный канал, чтобы генерировать SA возбуждение в LTMR.
Figure 3.
A model of mechanotransduction in each component of the Merkel cell-neurite complex. Left: Skin indentation by touch opens rapidly inactivating mechanotransduction channels, hypothesized to be Piezo2, in slowly adapting type I (SAI) afferents and causes a rapid depolarization. Right: Simultaneously, it opens Piezo2 channels in Merkel cells. A Piezo2-dependent small, long-lasting current (red asterisk) induces a sustained depolarization in Merkel cells (red bar) due to the high membrane resistance of Merkel cells. Merkel cell depolarization causes consequent neurotransmitter (NT) release from Merkel cells to SAI afferents. Combined generator potential changes from the afferents and Merkel cells contribute to slowly adapting action potential firing in SAI afferents.
Теперь, когда функция клеток Меркеля во время трансдукции осязания ясна, хорошо бы выяснить вклад сенсорных афферентный нейронов вовремя механотрансдукции. В самом деле, недавнее исследование показало, что устранение Piezo2 и в клетках Меркеля и в сенсорных нейронах приводит к выраженной потере восприятия касаний у мышей, подтверждая, что Piezo2 является главным трансдуктором кожных LTMRs [54].
How do Merkel cells communicate with SAI sensory neurons?
Чтобы понять передачу механосенсорных сигналов в комплексах клетка Меркеля - нейрит, возникает следующий вопрос: как клетки Меркеля возбуждают SAI афферентные окончания? Ультраструктурные исследования и молекулярное профилирование подтверждают, что клетки Меркеля являются пресинаптическими клетками, которые поддерживают связь с афферентными нервными окончаниями посредством синаптической передачи 10, 20, 30, 56 and 57. Анализ микромассивов очищенных клеток Меркеля из кожи мыши идентифицировал молекулы пресинаптической активной зоны, белки синаптических пузырьков, и молекулы, участвующие в продукции нейропептидов и в высвобождении возбуждающего глютамата [30]. Ультраструктурные исследования идентифицировали накопление пузырьков с плотной сердцевиной в цитоплазме клеток Меркеля вблизи мест контактов с нервом 10, 20, 56 and 57. Эти пузырьки, как было установлено, содержат как классические нейротрансмиттеры [напр., serotonin (5-HT)] и нейропептиды [напр., vasoactive intestinal peptide (VIP), calcitonin gene-related peptide (CGRP), substance P, met-enkephalin и cholecystokinin octapeptide (CCK8)] 20, 30, 58-64. Функциональные доказательства также подтвердили роль передачи глютаматергических сигналов между клетками Меркеля и их афферентными окончаниями 16, 17, 30, 65 and 66. Современная модель подтверждает, что клетки Меркеля трансдуцируют статическую фазу SAI реакции в дополнение к приданию формы динамическому ответу или непосредственно или косвенно 48-50. Важно установить, как клетки Меркеля регулируют высвобождение нейротрансмиттеров во время вызываемой прикосновением реакции и какова роль этих молекул во время двух фаз SAI реакций.
Чтобы выяснить механизмы общения между клетками Меркеля и тактильными афферентными нейронами, два исследования общения между клетками Меркеля и тактильными афферентными окончаниями использовали фармакологические ингибиторы, такие как блокаторы voltage-gated calcium channel (VGCC) in situ чтобы нарушить деполяризацию клеток Меркеля вовремя во время такой трансдукции 50 and 67. Они установили, что блокаторы VGCC ингибируют реакции в сенсорных афферентных окончаниях. Однако, VGCCs также экспрессируются в сенсорных афферентных нейронах, так что возможно, что эти блокаторы оказывают воздействие и на клетки Меркеля и сенсорные афферентные окончания. Чтобы избежать этой неопределенности, необходимо использование генетических манипуляций, таких как ингибирование высвобождения нейротрансмиттеров из клеток Меркеля путем разрушения образования или высвобождения синаптических пузырьков или устранением VGLUTs в клетках Меркеля, чтобы блокировать высвобождение глютамата [22].
What is the role of Merkel cells in touch-evoked behaviors?
Разные классы LTMRs настроены избирательно, чтобы отвечать на специфические механические стимулы (напр., вибрации, отклонения волосков, статическое давление) 4 and 40. Что известно об информации, которую SAI афферентные нейроны посылают в головной мозг, которая исходит от определенного типа клеток в эпидермисе? Во-первых, SAI афферентные окончания плотно иннервируют кожу (~ 100 на см2 на кончиках пальцев) [68]. Во-вторых, они обнаруживают высокую чувствительность к точкам, краям и изгибам [21]. В-третьих, они обладают высокой пространственной разрешающей способностью, т.к. индивидуальные SAI афферентные окончания распознают пространственные детали в 0.5 mm, это значительно меньше их рецептивного поля диаметром в 2-3 mm [21]. Т.о., SAI афферентные окончания уже дано полагают как определяющие изгибы, края и текстуру [21]. Их длительная электрофизиологическая реакция также указывает на то, что они передают информацию о статических механических стимулах 10 and 21.
До недавнего времени было трудно определить, действительно ли SAI реакции необходимы для восприятия давления или распознавания формы и текстуры in vivo. Вызывание специфического для кожи генетического замалчивания Atoh1 и Piezo2 создает возможность протестировать необходимость в клетках Меркеля в вызываемом прикосновениями поведении. Это не прямое тестирование только вклада комплексов из клеток Меркеля и нейритов в реакции на легкие прикосновения на уровне поведения, поскольку др. соседние LTMRs могут одновременно активироваться данными механическими стимулами. Несмотря на эти затруднения, недавние исследования выявили роль клеток Меркеля.
Одно исследование касалось специфичного для кожи нокаута Atoh1 у мышей (Atoh1CKO), у которых истощены клетки Меркеля в коже, в отношении распознавания текстуры [69]. Самки Atoh1CKO мыши обнаруживали отсутствие предпочтения к текстуре поверхности, которым обладают мыши дикого типа, эти результаты указывают н, а роль клеток Меркеля в распознавании текстуры [69]. Второе исследование тестировало специфичный для кожи нокаут Piezo2 (Piezo2CKO) у мышей для широкого круга поведенческих реакций, изучали реакции как безвредные, так и вредные прикосновения [48]. Piezo2CKO содержащие клетки Меркеля, лишенные Piezo2 каналов, обнаруживали нормальные реакции в большинстве поведенческих тестов [48]. Однако тестирование отдергивания лап с использованием von Frey filaments, эти мыши обнаружили дефицит восприятия стимулов легких прикосновений [48]. Такие мыши обнаруживали снижение реакции отдергивания лап на низкие силы von Frey filaments, тогда как они реагировали нормально на filaments высокой силы [48]. Эти данные подтверждают, что клетки Меркеля функционируют для восприятия легкого давления на кожу. Наконец, др. группа индуцировала восприятие морды крыс в отношении лёгкой интерпретации поведенческих реакций [50]. Capsaicin был инъецирован в подушечки усов, чтобы провоцировать тактильную allodynia, состояние, при котором безвредные механические стимулы воспринимаются как болевые 50 and 52. Когда волоски усов слегка сгибали, чтобы активировать комплексы нейрит-клетка Меркеля у крыс, которым инъецировали capsaicin, то животные обнаруживали nocifensive поведение, которое блокировалось с помощью нокдауна Piezo2 in vivo [50]. Эти находки подтверждают, что понимание молекулярных механизмов механотрансдукции в комплексах из клеток Меркеля и нейритов может в принципе привести к терапии боли. У соотв. животных моделей, у которых специфически супрессирована функция клеток Меркеля, можно ожидать обнаружения дополнительного сенсорного поведения, зависимого от клеток Меркеля.
Do Merkel cells shape responses of other cutaneous afferents?
Недавние исследования подтвердили, что touch domes иннервируются с помощью и др. типов волокон помимо Aβ афферентных нейронов. Человеческие touch domes иннервируются с помощью обильно миэлинированных афферентных волокон, которые, скорее всего, соответствуют Aβ Aδ и C волокнам, соотв. [70]. В коже мыши некоторые touch domes содержат как сильно миелинированные Aβ афферентные волокна, так и слабо миэлинированные, скорее всего, likely Aδ афферентные волокна, которые контактируют с клетками Меркеля [55]. Более того, в touch domes у новорожденных клетки Меркеля иннервируются двумя типами афферентных волокон: NFH + Aβ волокна и Ret + /TrkA + немиэлинированные или слабо миэлинированные волокна [71]. Существование др. типов волокон, иннервирующих клетки Меркеля в touch domes строго подтверждает дополнительные функции комплексов нейрит-клетка Меркеля. В самом деле, наблюдалась модуляция SAI реакций с помощью активации болевых C волокон в touch domes [72]. Необходимо исследовать, обеспечивают ли клетки Меркеля медленные адаптивные возбуждения или каким-то образом влияют на свойства возбуждения от др. афферентных типов волокон.
Concluding remarks
Nearly 50-year-old mysteries of Merkel cell-neurite complexes are now at least partly solved: Merkel cells are touch-sensitive cells that transduce mechanical stimuli through Piezo2 MA cation channels, and they are required for proper output of SAI responses in tactile afferents. Moreover, the Merkel cell-neurite complex is a unique cutaneous sensory receptor containing two receptor cell types that mediate different aspects of touch-induced responses. The next important question to solve is the nature of the crosstalk between Merkel cells and tactile afferents to elucidate the molecular mechanisms used by Merkel cells for their subsequent effect on SAI responses. Moreover, analysis of neural circuits that receive SAI inputs [73] is needed to define how SAI afferents and the curious epidermal cells they innervate impact sensory coding. The field is now poised to answer these questions.
|