Ramon y Cajal, auf der Suche nach einem neuronalen Netzwerk, das einfacher ist als das Gehirn, untersuchte den Kaninchendünndarm, um interstitielle Zellen zu finden, die er für die Endzellen des sympathischen Nervensystems hielt (Ramon y Cajal, 1911). Seine Zeichnungen dessen, was später als interstitielle Zellen von Cajal bezeichnet werden sollte, erregen noch immer Bewunderung für ihre Genauigkeit. Die Hypothese, dass es sich bei den ICC um Nervenzellen handelt, stützte sich auf die Beobachtung, dass die ICC mit dem Plexus myentericus des Kaninchendarms assoziiert waren, der mit Methylenblau und Silberimprägnierung nach der Golgi-Methode gefärbt wurde und neuralem Gewebe ähnelte. Außerdem schienen die Zellen zwischen typischen Nervenzellen und glatten Muskelzellen zu interkalieren. In den Jahren nach den Veröffentlichungen von Cajal untersuchten Morphologen die ICC im Darm fast ununterbrochen und kamen zu dem Schluss, dass es sich um Nervenzellen, Schwann-Zellen, Fibroblasten oder Myoidzellen handelte. Gelegentlich brachte jemand die Zellen mit der Erzeugung der Rhythmik der Darmmotorik in Verbindung. Keith sah strukturelle Ähnlichkeiten mit Zellen des Sinusknotens und stellte die Hypothese auf, dass es sich um Schrittmacherzellen handelt (Keith, 1915). Leeuwe schrieb im Jahr 1937: „Die interstitiellen Zellen von Cajal sind die Endformationen des sympathischen Nervensystems, die für die rhythmischen Kontraktionen der Darmperistaltik verantwortlich sind“ (Leeuwe, 1937). Ambache glaubte zwar immer noch, dass ICC zum Nervensystem gehört, schlug jedoch vor, dass eine langsame elektrische Welle, die den Kontraktionen vorausgeht, „die Entladung eines Schrittmachers im Darm darstellt und in dem von Cajal beschriebenen Nervennetz entstehen kann“ (Ambache, 1947). Nelemans und Nauta kommentierten: „Da die meisten Organe, die interstitielle Zellen enthalten, Rhythmizität aufweisen …. , scheint es uns sehr wahrscheinlich, dass wir den Ursprung dieser Rhythmizität im interstitiellen Netzwerk finden müssen“ (Nelemans und Nauta, 1951). Die Elektronenmikroskopie läutete die moderne Ära der Forschung über die Physiologie und Pathophysiologie der interstitiellen Zellen von Cajal ein. Die erste Arbeit, die auf der Grundlage dieser neuen Technik die Hypothese aufstellte, dass es sich bei den ICC um Schrittmacherzellen handelt, wurde in einer italienischen Fachzeitschrift von Professor Faussone-Pellegrini von der Universität Florenz, Italien, veröffentlicht, in der sie ICC beschrieb, die in Speiseröhren- und Magenproben von Patienten beobachtet wurden, die nicht an Motilitätspathologien litten (Faussone Pellegrini et al., 1977). Eine Übersetzung dieser Arbeit ins Englische ist jetzt in Frontiers in Autonomic Neuroscience erschienen (Faussone Pellegrini et al., 2013). Faussone-Pellegrini schloss 1963 im Alter von 23 Jahren sein Studium an der Universität Florenz ab und erhielt eine Stelle in der Abteilung für Histologie und Embryologie, um die Mitglieder der Abteilung in der Verwendung des neuen Transmissionselektronenmikroskops zu unterrichten. Mit wenig Geld und ohne Unterstützung entdeckte Faussone Pellegrini damals (1967-1968) das ICC im Rattenmagen, konnte aber nichts veröffentlichen, weil ihr Professor entschied, dass sie zu jung war und nicht gebeten worden war, nach etwas außerhalb des Themas zu suchen, das sie studieren sollte. Jahre später, in den Jahren 1974-1976, wurde Faussone-Pellegrini von dem Chirurgen Camillo Cortesini gebeten, Proben aus dem gastro-ösophagealen Übergang von Patienten mit Achalasie zu untersuchen, wo sie feststellte, dass sich die ICC-Morphologie von der der Kontrollgruppe unterschied, da sie weniger Organellen wie Mitochondrien und glatte endoplasmatische Retikulum enthielten und auch weniger Kontakte mit glatten Muskelzellen und Nerven aufwiesen (Faussone-Pellegrini et al., 1977). Die Tatsache, dass Achalasie mit einer schlechten Peristaltik einhergeht, brachte sie auf die Idee, dass es sich bei ICC um Schrittmacherzellen handeln könnte. Die Entwicklung der Hypothese wurde auch dadurch unterstützt, dass sie physiologische Erkenntnisse aus der Literatur mit den von ihr entdeckten strukturellen Informationen korrelierte. Faussone-Pellegrini (Faussone Pellegrini et al., 1977) verweist auf zwei Kapitel des Handbuchs der Physiologie von 1986. Holman schrieb, dass die Schrittmacheraktivität wahrscheinlich von einigen wenigen oder allen Längsmuskelzellen im Dünndarm erzeugt wird, und räumte ein, dass es unwahrscheinlich ist, dass alle glatten Muskelzellen Schrittmachereigenschaften aufweisen (Holman, 1968). Prosser und Bortoff konzentrierten sich ebenfalls auf die Längsmuskelzellen, aber sie machen die folgende Aussage: „Aus morphologischen Gründen postulierte Tiegs (1925), dass die interstitiellen Zellen, die Cajal als reichlich entlang der Nerven beschrieben hatte, … ein interstitielles Netz bilden, das rhythmische Kontraktionen auslöst, leitet und koordiniert.“ Prosser und Bortoff schienen dies jedoch mit der Aussage abzutun, dass „Richardson (1958) mit Hilfe der Elektronenmikroskopie eindeutig gezeigt hat, dass es sich um Fibroblasten handelt, die Hüllen um die Nerven bilden.“

Neben physiologischen Studien half die vergleichende Morphologie Faussone-Pellegrini bei der Erstellung der Hypothese. Faussone-Pellegrini schreibt: „Der geringe Differenzierungsgrad der interstitiellen Zellen als kontraktile Elemente könnte mit der Selbsterregung zusammenhängen, wie im Herzmuskel (Viragh und Challice, 1973), wo das spezifische Gewebe, das der Erzeugung und Weiterleitung von Impulsen gewidmet ist, aus Zellen besteht, die für die Kontraktion weniger gut differenziert sind als gewöhnliche Myokardzellen“ (Faussone-Pellegrini et al, 2013).

Da die ursprüngliche Arbeit auf Italienisch verfasst wurde (Faussone Pellegrini et al., 1977), fand sie kein großes Publikum und Faussone-Pellegrini war bestrebt, sie auf Englisch zu veröffentlichen. Das Ziel war eine Studie über ICC im menschlichen Dünndarm. Die ersten Publikationsversuche blieben erfolglos, da die Gutachter die ICC für unreife Muskelzellen oder schlecht fixierte Muskelzellen hielten. Doch 1983 wurde ihre Studie veröffentlicht, in der sie ICC im Bereich des Plexus myentericus und im Bereich des tiefen Muskelplexus beschrieb (Faussone Pellegrini und Cortesini, 1983). In dieser Zeit untersuchte Faussone Pellegrini auch den prä- und postnatalen Darm von Mäusen und wies nach, dass es sich bei den ICC nicht um unreife glatte Muskelzellen handelt, und lieferte Informationen über die Morphologie der Differenzierung der ICC von der mesenchymalen Zelle zu „erwachsenen“ ICC (Faussone Pellegrini, 1984).

Die Arbeit von Faussone-Pellegrini wurde durch die Veröffentlichungen und Konferenzvorträge von Professor Lars Thuneberg an der Universität Kopenhagen, Dänemark, bekannter. Die Arbeit von Faussone-Pellegrini (1977) wurde in der bahnbrechenden Doktorarbeit von Thuneberg (1982) zitiert, die den Höhepunkt der jahrelangen Elektronenmikroskopie an einem alten Hitachi-Mikroskop darstellt. Thuneberg hatte die Fähigkeit, Details zu beobachten, die den meisten Beobachtern irrelevant erschienen, was ihm eine Fülle von Ideen und viele originelle Hypothesen lieferte. Thuneberg entdeckte das ICC um 1974, aber da er keinen Druck zur Veröffentlichung verspürte, wurden die Forschungsergebnisse erst 1982 in Form einer Doktorarbeit veröffentlicht (Thuneberg, 1982). Thuneberg erweiterte die strukturellen Beweise für ICC als Schrittmacherzellen und lieferte bald darauf zusammen mit Juri Rumessen die ersten physiologischen Beweise (Thuneberg et al., 1984). Es hatte sich gezeigt, dass die langsame Wellenaktivität aus dem Bereich des Plexus myentericus stammt, so dass beschlossen wurde, die Möglichkeit zu untersuchen, dass eine photochemische Ablation des ICC-MP-Netzwerks das Verschwinden der aufzeichenbaren langsamen Wellenaktivität bewirken würde. Das lebenswichtige Methylenblau sammelte sich zufällig im ICC-MP-Netzwerk an, und als die Zellen einer direkten Beleuchtung ausgesetzt wurden, wurden die ICC schwer geschädigt, was zum Verschwinden der langsamen Wellen führte (Thuneberg et al., 1984), was die Idee, dass die ICC-MP intestinale Schrittmacherzellen sind, stark unterstützt. Der Physiologe, der dieses Ergebnis am ehesten vorhersagen konnte, war Tomita, der 1981 veröffentlichte: „Es ist also möglich, dass einige bestimmte Zellen, die sich zwischen den Muskelschichten befinden, als Schrittmacher für die langsamen Wellen fungieren und sowohl die Längs- als auch die Ringmuskulatur aktivieren“ (Tomita, 1981).

Die Studie über die photochemische Ablation wurde auf dem 9. Internationalen GI-Motilitätstreffen in Aix en Provence (Thuneberg et al., 1984) vorgestellt, was mehrere Labors dazu anregte, mit der Arbeit an ICC zu beginnen. In der Folge stieg die Zahl der Veröffentlichungen über ICC dramatisch an (Thuneberg, 1999). Obwohl Szurszewski in der „Bibel“ der Magen-Darm-Physiologie aus dem Jahr 1981 die ICC nicht als mögliche Quelle erwähnt: „The physiology of the gastrointestinal tract“, herausgegeben von Leonard Johnson (Szurszewski, 1981), zeichnete Szurszewskis Labor 1986 die elektrische Aktivität isolierter Dünndarmabschnitte auf und kam zu dem Schluss, dass spontane langsame Wellen im Dünndarm von Hund, Katze, Kaninchen, Opossum und Mensch in nicht-neuralen Zellen erzeugt werden, die sich zwischen der longitudinalen und der äußeren Ringmuskelschicht befinden. Es wird vermutet, dass die ICC die Quelle sein könnte (Hara et al., 1986). Suzuki et al. führten ähnliche Studien im Jejunum der Katze durch und kamen zu demselben Ergebnis (Suzuki et al., 1986). In der 1987 erschienenen Ausgabe von „Physiology of the gastrointestinal tract“ wird Thunebergs Arbeit von 1982 ausführlich besprochen, und Szurszewski schreibt: „Was die Art dieser Zellen betrifft … scheinen die interstitiellen Zellen von Cajal am vielversprechendsten zu sein (Szurszewski, 1987). Die ICC war in die Bastion der gastrointestinalen Physiologie aufgenommen worden! Im Jahr 1989 bestätigten weitere physiologische Beweise aus anderen Labors die Schrittmacherrolle der ICC (Barajas-Lopez et al., 1989; Langton et al., 1989). Im Jahr 1999 veröffentlichten Thuneberg und Faussone Pellegrini eine gemeinsame Arbeit, den „Leitfaden zur Identifizierung der interstitiellen Zellen von Cajal“ (Faussone-Pellegrini und Thuneberg, 1999).

Es war merkwürdig, dass Faussone Pellegrini die Idee entwickelte, dass die ICC Schrittmacherzellen sind, die die Peristaltik steuern, während er an der Speiseröhre arbeitete, wo unter normalen Bedingungen keine spontane rhythmische Aktivität festgestellt wird und wo man annimmt, dass die Peristaltik unter vagaler Kontrolle steht. Alle nachfolgenden physiologischen Studien über die Rolle der ICC als Schrittmacherzellen betrafen nicht die Speiseröhre. Man nimmt an, dass der Verlust der Peristaltik des Ösophaguskörpers auf den Verlust von Neuronen (Kraichely und Farrugia, 2006) oder auf eine LES-Dysfunktion zurückzuführen ist (Kraichely und Farrugia, 2006). Im Ösophagus gibt es nur sehr wenige ICC, die mit dem Plexus myentericus assoziiert sind, dem ICC, der am häufigsten mit Schrittmacheraktivitäten in Verbindung gebracht wird. Im Ösophagus gibt es reichlich intramuskuläre ICC (ICC-IM), die über den zirkulären und den Längsmuskel verteilt sind (Abbildung 1). Es wird angenommen, dass ICC-IM an der Schrittmacheraktivität und der langsamen Wellenausbreitung im Magen beteiligt sind (Hirst et al., 2006). Interessanterweise finden sich ICC auch in der quergestreiften Muskulatur der Speiseröhre (Faussone-Pellegrini und Cortesini, 1986). Sind ICC in der Speiseröhre mit der Peristaltik verbunden? Wie überall im Körper gibt es auch in der Speiseröhre überlappende Antriebsmechanismen. Der schluckinduzierte Vortrieb wird durch sequenzielle Erregung über vagale Fasern gesteuert und koordiniert, die vom Schluckzentrum im zentralen Nervensystem programmiert wird. Bei fehlender vagaler Aktivität kann der intramurale neurale Mechanismus die Kontrolle übernehmen. Durch das Schlucken eines Bolus wird dieses System aktiviert, und die anschließende sich ausbreitende Kontraktion hat sehr ähnliche Eigenschaften wie die vom zentralen Nervensystem gesteuerte (Diamant, 1989). Die direkte Stimulierung des Speiseröhrenmuskels beim Opossum erzeugt Kontraktionen, die sich peristaltisch mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die den peristaltischen Kontraktionen beim Schlucken in Gegenwart von TTX ähnlich ist (Sarna et al., 1977). Der Ösophagus verfügt also über ein myogenes Kontrollsystem, das die peristaltische Aktivität vollständig orchestrieren kann, und das Netzwerk der ICC ist ein logischer Kandidat für dessen Ursprung. Bei einigen Patienten mit Achalasie wird eine starke rhythmische kontraktile Aktivität festgestellt, die eindeutig auf das Vorhandensein eines Schrittmachers hinweist (Jee et al., 2009). Neue Erkenntnisse aus dem menschlichen Ösophagus deuten darauf hin, dass es sich bei dem Schrittmacher um ein Netzwerk aus ICC-IM- und PDGFRα-positiven Zellen handeln könnte (Ji-Hong Chen und Jan D. Huizinga, unveröffentlicht). Daher könnte sich Faussonne Pellegrinis Idee von ICC in der Speiseröhre als Schrittmacher noch als richtig erweisen.

Abbildung 1. Ultrastruktur von ICC-IM in der zirkulären Muskelschicht des menschlichen unteren Ösophagus. (A) Ein ICC-IM und seine Fortsätze bilden multiple Verbindungen (Pfeile) mit benachbarten glatten Muskelzellen. (B) Eine ICC-IM in einem kleinen Septum befindet sich in der Nähe von zwei kleinen Nervenbündeln (N).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hypothese, dass ICC Schrittmacherzellen des Darms sind, seit 1915 in der Literatur auftaucht. Faussone-Pellegrini war der erste, der 1977 eine Studie veröffentlichte, die diese Hypothese durch den Einsatz der Elektronenmikroskopie untermauerte. Dieser Gedanke wurde 1982 von Thuneberg weiterentwickelt und popularisiert, und damit begann die moderne Ära der physiologischen Studien über die zellulären Ursprünge der Darmschrittmacheraktivität.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch einen Zuschuss der National Natural Science Foundation of China (NSFC) # 81170249 an Ji-Hong Chen und von den Canadian Institutes of Health Research (CIHR) # MOP12874 an Jan D. Huizinga.