Regional difference in intestinal contractile response to radial stretch in the human lower gastrointestinal tract

Abstract

Intestinal motility is governed by multiple overlapping mechanisms. Radial stretch is an important stimulus to evoke contractions in the lower gastrointestinal tract. Recent findings revealed that mechanosensory enteric neurons, which are located in the myenteric plexus, have pivotal mechanosensitive projections in the circular muscle. Distension or stretch of the colon activates these sensory neurons to initiate polarized neural pathways that result in oral contraction and anal relaxation. This study aimed to elucidate the differences in stretch reflexes according to their location in the human lower gastrointestinal tract using ex vivo techniques, including electrophysiological recordings from intestinal smooth muscle tissue excised during elective colon cancer surgery. Conventional microelectrode recordings from muscle cells and tension recordings of ileal or colonic segments were performed. Intestinal segments measuring 5×2 cm were obtained and immediately placed in an oxygenated Krebs-Ringer bicarbonate solution. To record the activity of muscular contractions, three stainless steel clips were attached to each lateral margin of the colon in a direction that was orthogonal to the segment. The intraluminal stretch model was applied using a fine 9-Fr Foley catheter. Radial stretches were evoked by 1.0-mL inflation of the balloon at the catheter tip for 10 min. Frequency (/min), amplitude (mV), and area under the curve (AUC, mV*min) of muscle contractions were recorded before and after stretch intervention at the proximal and distal sites of the segmented intestines. In intracellular recordings after the stretch intervention from the circular muscles, hyperpolarization (from -54.4 to -55.3 mV) was noted at the distal site of the sigmoid colon, in contrast to depolarizations at all other sites. Tension recordings of colonic segments were analyzed in 92 bowel samples (24 ileum, 23 transverse colon, and 45 sigmoid colon specimens). In the proximal sites of the ileum segment, there were no significant changes in frequency, amplitude, and AUC after radial stretch (p=0.223, p=0.376, and p=0.568, respectively). In the proximal sites of the transverse colon segment, contractile activation was observed with statistically significant increases in frequency, amplitude, and AUC after radial stretch (p=0.003, p<0.001, and p<0.001, respectively). Similarly, this pattern of contractile excitation was also demonstrated in the sigmoid colon segment, in which frequency, amplitude, and AUC were significantly increased in response to radial stretch (p<0.001, p<0.001, and p<0.001, respectively). In the distal sites of the ileum segment, there were no significant changes in frequency, amplitude, and AUC after radial stretch (p=0.793, p=0.853, and p=0.862, respectively). Similar to the proximal sites, contractile activation was observed in the distal sites of the transverse colon segment, in which frequency, amplitude, and AUC after radial stretch were significantly increased (p<0.001, p=0.002, and p<0.001, respectively). However, in the distal sites of the sigmoid colon segment, a pattern of contractile relaxation was observed, and the parameters frequency, amplitude, and AUC were significantly decreased after radial stretch (p=0.022, p<0.001, and p=0.001, respectively). In the generalized linear mixed model, the changing patterns in frequency, amplitude, and AUC differed between the proximal and distal sites of the sigmoid colon. The slopes of frequency changes in the proximal and distal sites were 0.09 and -0.05, respectively, and the slope difference was 0.13 (p<0.001). The slopes of the amplitude changes in the proximal and distal sites were 4.60 and -4.16, respectively, and the slope difference was 8.76 (p<0.001). The slopes of the AUC changes in the proximal and distal sites were 152.80 and -83.51, respectively, and the slope difference was 236.31 (p<0.001). These results indicate that radial stretch in the human colon in vitro evokes excitatory contractions in both the proximal and distal sites of the transverse colon and the proximal site of the sigmoid colon but inhibits contractions in the distal site of the sigmoid colon. This study draws attention to the stretch reflex as a potential determinant factor for the differences in functions between the right and left colon.

장관운동은 다양한 기전의 중첩으로 좌우된다. 신전자극은 하부위장관에서 수축을 촉발하는 중요한 자극이다. 장간막 신경초(Mesenteric plexus)에 위치하는 기계감각적 장관 뉴론이 장 평활근 중 윤상근(circular muscle)에 중추적인 기계감각적 돌기를 가지고 있다는 것이 알려져 있는데, 대장의 확장과 신전은 근위부 수축과 원위부 이완을 초래하는 분극된 신경 경로를 시작하기 위해 이러한 감각 뉴런을 활성화시킨다. 이 연구는 결장암 수술로 절제된 장 평활근을 이용하여 전기생리학적 계측을 통해, 하부위장관의 위치에 따라 신전자극의 대한 반응이 어떤 차이가 있는지를 살펴보는 것을 목적으로 한다. 대장 절제 표본들에서 소장이나 대장 분절들의 근육 세포들의 기존의 미세 전극 기록들과 장력 기록들을 수행하였다. 측정된 소장 분절은 5×2 cm로 얻어졌고, 즉시 산화된 Krebs-ringer bicarbonate 용액에 보관하였다. 근육 수축의 활동을 기록하기 위해 분절의 직각 뱡향으로 세가지 스테인레스 클립을 대장의 각각 외측에 부착했다. 실험적 신전 자극은 9Fr 폴리 카테터를 원위부 끝을 통해서 대장 분절 안으로 삽입하여, 점막의 자극없이 풍선을 분절의 가운데에 위치하게 하였다. 신전 자극은 10분동안 카테터 끝에 있는 1 mL의 풍선을 확장시켜서 촉발하였다. Frequency (/min), amplitude (mV), area under the curve (AUV, mV*min)은 분절들의 근위부와 원위부의 신전 자극 전후에 기록되었다. 윤상근으로부터 신전 자극 후 세포내 기록들에서 과분극은(from -54.4 to 55.3 mV) 좌측 결장의 원위부에서 기록되었다. 이와 대조적으로 탈분극은 그 외 모든 다른 부분에 있었다. 대장 분절의 장력 측정은 92개의 샘플들로 분석되었다. 회장 분절의 근위부에서는 frequency, amplitude, and AUC에 저명한 변화는 없었다(p=0.223; p=0.376; p=0.568). 우측 결장 분절의 근위부에서 수축활동이 관찰되었고, frequency, amplitude, and AUC가 유의미하게 상승하였다(p=0.003; p<0.001; p<0.001). 좌측 결장 분절에서도 수축 활성 패턴이 또한 관찰되었지만, 회장 분절의 원위부에서는 frequency, amplitude, and AUC에는 저명한 변화는 없었다(p=0.793; p=0.853; p=0.862). 우측 대장 분절의 원위부에 수축활동이 관찰되었다. 그러나 좌측 대장 분절의 원위부에는 수축 이완 패턴이 관찰되었고, frequency, amplitude, and AUC는 유의미하게 감소하였다(p=0.022; p<0.001; p=0.001). Generalized linear mixed model에서 frequency, amplitude, AUC의 변화된 패턴은 좌측 결장의 근위부와 원위부 사이에서 분극되었다. 근위부와 원위부의 빈도 변화의 경사는 각각 0.09와 -0.05 이었고, 경사의 차이는 0.13 (p<0.001) 이었다. 근위부와 원위부 사이의 진폭 변화의 기울기는 4.60와 -4.16 이었다. 각각 기울기의 차이는 8.76 (p<0.001) 이었다. 근위부와 원위부에서 AUC 변화의 기울기는 각각, 152.80와 -83.51 이었고, 기울기 차이는 236.31 (p<0.001) 이었다. 이 실험의 결과로 인체 대장에서 신전 자극은 회장과 우측 대장의 근위부와 원위부 모두와 좌측 결장의 근위부에서는 흥분성 수축들을 유발하지만 좌측 결장의 원위부에서는 이완이 관찰되는 것을 보여주었다. 이 연구는 신전 자극에 대한 반응의 차이가 우측과 좌측 결장 사이의 기능적인 차이를 만드는 잠재적이고 결정적인 요소일 수 있음을 보여주었다.