De darmwand is uitgelijnd met zo’n honderd miljoen zenuwcellen, het zogeheten enterisch zenuwstelsel. Dit stelsel coördineert de peristaltische beweging van de darmen, de golvende samentrekking van spieren waarmee voedsel vooruit wordt geduwd. Lang beschouwden onderzoekers dit als een eenvoudig pompsysteem, waarbij de zenuwcellen als reactie op rek of druk met elkaar communiceren. Maar de laatste jaren komen steeds meer aanwijzingen naar voren dat het systeem verfijnder en complexer is dan dat.

Zo laten biomedische wetenschappers van de KU Leuven, onder leiding van bio-ingenieur Pieter Vanden Berghe, nu zien dat het enterisch zenuwstelsel niet enkel reageert op druk, maar gericht verschillende voedingsstoffen – zoals suikers, eiwitten en vetten – weet te herkennen. Hiervoor maakten ze gebruik van fluorescente markers, die de zenuwcellen felgroen kleurden bij activatie. De onderzoekers ontdekten hoe elke soort toegediende voedingsstof steeds andere subtypes sensorische zenuwcellen liet oplichten. Vanden Berghe: ‘Hoewel de functie hiervan nog niet met zekerheid te verklaren valt, is het hoogstwaarschijnlijk dat de verschillende neurochemische reacties bepaalde effecten versneld of vertraagd doorvoeren.’

Oplichtende cellen

De onderzoeksgroep van Vanden Berghe – LENS (Laboratory for Enteric NeuroScience) – is gespecialiseerd in lichtmicroscopie voor beeldvorming in levende cellen. Als een van de weinige in de wereld gebruiken de onderzoekers technieken in het lab waarmee ze zowel de bloedsomloop als de zenuwcellen in de darmen kunnen visualiseren. Ook doen ze aan intravitale microscopie, waarmee ze de darmwand in levende muizen kunnen bestuderen. Hiervoor ontwikkelden ze computeralgoritmes die tijdens de beeldverwerking compenseren voor de beweging van de darmen.  

Voor de visualisatie van de zenuwcellen werkten de onderzoekers met transgene muizen. Die waren zodanig gekruist dat ze calciumgevoelige GFP – een fluorescent eiwit dat groen oplicht bij activatie – in hun enterisch zenuwstelsel droegen. Vanden Berghe: ‘Zo was enkel het zenuwstelsel in de darmen fluorescent. Daarbovenop gingen de cellen nog intenser stralen zodra ze geactiveerd werden door toegenomen calcium.’

De onderzoekers filmden kleine ronde weefselpreparaatjes van de darmwand terwijl ze van bovenaf voedingsstoffen toevoegden. Daarnaast keken ze met intravitale microscopie in levende muizen. ‘We wisten verschillende oplichtende patronen te onderscheiden door bijvoorbeeld te kijken naar de grootte van de cellen, waarbij het ene subtype groter is dan het andere’, zegt Vanden Berghe. ‘Ook fixeerden we naderhand stukjes weefsel met immuunhistochemie, waardoor we de verschillende subpopulaties konden onderscheiden omdat die elk anders kleuren.’

Daarnaast bestudeerden de onderzoekers de koppeling tussen verschillende lagen zenuwcellen. ‘In de meeste zoogdieren bestaan de darmen uit twee lagen: een eerste die echt voor de peristaltische mobiliteit zorgt en een tweede laag daaronder die de bloedstroom aanstuurt. We zagen dat veel van de sensorische zenuwcellen in de eerste laag signalen terugkoppelden naar de tweede laag.’

Nauwgezet werk

Volgens Vanden Berghe vormde de intravitale studie de grootste uitdaging. ‘Daar kwam heel veel samen: biologie, microscopie maar ook ethiek. Tijdens het filmen van de cellen blijft de muis geanestheseerd. Het dier is centimeters groot, de darm is millimeters en met de microscopie gaan we tot op micrometers kijken. Dat in beeld brengen vormde een flinke klus.’

Ook was flink wat nauwkeurigheid nodig om de koppeling tussen beide lagen in de darm te bestuderen. Die wist postdoc Candice Fung, eerste auteur van de studie, te brengen, zegt Vanden Berghe. ‘Om dat te bewijzen deed zij experimenten in preparaatjes die 200 micrometer dik waren met een diameter van 5 millimeter. Hierbij pelde ze de ene laag weg, filmde de onderliggende cellen, legde de laag weer terug en filmde vervolgens het geheel. Daarmee liet ze zien dat deze koppeling fysiek nodig was voor de cellen om op te lichten. Als ik het werk van Candice in presentaties laat zien, is iedereen even stil.’

Meer in beeld

Nu willen de onderzoekers gaan kijken hoe de zenuwcellen reageren op toxische of irriterende stoffen. Daarnaast hopen ze op andere locaties in de darm te focussen. ‘Nu konden we vanwege praktische redenen enkel een bepaalde regio in beeld brengen.’

Inmiddels hebben de onderzoekers microscopische technieken gebouwd waarmee ze op twee plaatsen tegelijkertijd in de darm kunnen kijken. ‘Dit willen we in toekomstig onderzoek toepassen, samen met niet-lineaire optische technieken.’