肠道作为消化器官，除了可以消化食物，也存在复杂的感觉系统，以监测和应对各种刺激，而肠道系统的紊乱也会导致相关病症，如肠易激综合征（irritable bowel syndrome, IBS）。肠道中存在着一类特化的感觉细胞，肠内分泌细胞，这些细胞在感受到刺激物后释放激素或者神经递质，进而通过一系列的信号传递，产生不同的生理影响。其中备受关注的肠内分泌细胞是肠嗜铬细胞（enterochromaffin cell，EC），这类细胞能够大量合成和分泌5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT，也称为血清素，serotonin）。
在哺乳动物个体中，约95%的5-HT存在于EC细胞中。肠道中表达多种5-HT受体亚型，主要包括低亲和力的离子通道型5-HT3受体和高亲和力的代谢型5-HT4受体，前者通过激活感觉神经元进而引起恶心、疼痛等，后者则能增强肠道的离子分泌从而维持肠道的液体均衡。那么肠道是如何响应不同刺激而实现对不同5-HT信号通路的调控呢？在这个过程中，5-HT信号的时空变化有何特征？这种调控是否和肠道独特的隐窝（crypts）和绒毛（villi）结构有关？此前由于难以对肠道5-HT时空动态进行监测，因而上述问题悬而未决。
2025年2月12日，《Nature》杂志在线发表了题为“Topological segregation of stress sensors along the gut crypt–villus axis”的研究论文，该研究由北京大学生命科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心李毓龙实验室，美国加利福尼亚大学旧金山分校（UCSF）David Julius实验室和澳大利亚阿德莱德大学霍普伍德神经生物学中心内脏疼痛研究组Stuart M. Brierley实验室合作完成。该研究使用可遗传编码的5-HT荧光探针，结合药理学操控、电生理记录和转录分析等多种技术手段，发现肠道隐窝和绒毛的EC细胞表达不同的刺激响应受体、具有不同的5-HT释放特征，从而实现对肠道完整性的监测及刺激物的应激反应。
为了能够实时监测肠道5-HT的时空动态变化，本研究基于李毓龙课题组于2024年发表的改进版本绿色荧光探针gGRAB5-HT3.0（后续简称g5-HT3.0）构建了表达该探针的转基因小鼠品系（图1），通过将该报告品系和Vil1cre品系小鼠杂交，成功地在肠道上皮细胞表达了g5-HT3.0探针，从而实现了对肠道中5-HT时空动态的成像（图2）。
图1. gGRAB5-HT3.0的探针原理及小鼠品系开发策略
图2. 完整隐窝–绒毛结构的5-HT实时成像
除了能够灵敏地检测到高钾溶液激活EC细胞所引起的5-HT释放，该系统也能检测到隐窝处的5-HT自发释放（视频1），但是在绒毛处并未检测到，这暗示隐窝中的5-HT释放存在两种不同模式。隐窝表达一类瞬时受体电位离子通道（transient receptor potential ion channel）TRPA1（也叫做芥末受体），原位杂交实验表明TRPA1在隐窝高表达，并且沿着底部的隐窝到顶部的绒毛表达量逐渐降低，随后通过使用TRPA1受体的激动剂异硫氰酸烯丙酯（allyl isothiocyanate, AITC）处理分离的隐窝和绒毛，发现AITC处理能引起隐窝的5-HT释放但是不能引起绒毛的5-HT释放，并且TRPA1受体的拮抗剂A967079（A96）能够减少隐窝EC细胞的自发活动。
进一步使用一个亲和力更低的5-HT探针gGRAB5-HT2m结合表达不同5-HT受体亚型的细胞记录，发现隐窝EC细胞自发释放的5-HT浓度较低（纳摩尔范围），仅能激活代谢型受体（如5-HT4或者5-HT2），最终刺激离子分泌；而AITC刺激所引起的5-HT释放浓度更高（微摩尔范围），除了激活代谢型受体，也能够激活5-HT3离子通道型受体，进而激活感觉神经元。因此肠道通过EC细胞释放不同浓度的5-HT，结合肠道中不同的5-HT受体表达特征，实现了对5-HT不同的信号通路的激活（图3）。
图3. 隐窝EC细胞存在TRPA1受体依赖的两种5-HT释放模式
那么，生理病理条件下，肠道这一独特的5-HT信号是如何实现对刺激的响应的呢？为了探究黏液层是否确实能够作为肠道应对刺激物的屏障，该研究使用保留了隐窝和黏液层的新鲜制备的肠组织，测试了不同亲电体的刺激效应，发现只有高活性亲电体丙烯醛（acrolein）能够强烈刺激隐窝EC细胞，但是使用黏蛋白酶StcE处理肠组织降解黏液层后，原来无效的亲电体（如AITC）也能快速地激活隐窝EC细胞的TRPA1受体，由此表明正常生理条件下，只有很强的亲电体能够进入隐窝激活EC细胞，而黏液层受损后，其它的刺激物也能激活隐窝处的EC细胞引起5-HT的释放（图4）。而绒毛处则主要表达能够被胞内ADP核糖激活的TRPM2受体，氧化胁迫能够激活绒毛EC细胞，使其同时释放5-HT和ATP，共同激活粘膜迷走传入神经。
图4. TRPA1是黏液层保护下的隐窝EC细胞的亲电体检测器
本研究由国际多个团队合作实现了“新技术-新发现-新想法”的突破，通过构建新型5-HT探针的报告品系小鼠，实现了肠道中5-HT的时空动态成像，发现肠道中隐窝和绒毛的EC细胞存在不同的释放模式，并进一步解释了隐窝-绒毛轴拓扑隔离的生理功能及病理机制（图5），为理解肠道应激响应机制提供了新思路，也有助于开发新的肠道疾病的治疗策略。
图5. 肠应激反应中的区域化EC细胞信号模式总结
UCSF的博士后Kouki K. Touhara为本文第一作者兼共同通讯作者，UCSF的David Julius教授、北京大学李毓龙教授和阿德莱德大学Stuart M. Brierley教授为共同通讯作者。值得一提的是，本研究涉及到国际间三个课题组的合作，三位共同合作发挥自己的专长推动了本研究，其中David Julius课题组的博士研究生Nathan D. Rossen进行了EC细胞的膜片钳记录，李毓龙课题组邓飞博士（现为斯坦福大学博士后）开发了5-HT探针及转基因小鼠品系，Stuart M. Brierley课题组的Joel Castro博士进行了空肠传入神经电活动记录，其他合作者也做出了重要贡献。本研究中，李毓龙课题组得到了膜生物学国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、国家自然科学基金和新基石科学基金会所设立的新基石研究员项目与科学探索奖等机构和经费的大力支持。
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