Ramon y Cajal, alla ricerca di una rete neurale più semplice del cervello, studiò l’intestino tenue del coniglio per trovare cellule interstiziali che considerava le cellule finali del sistema nervoso simpatico (Ramon y Cajal, 1911). I suoi disegni di quelle che in seguito sarebbero state chiamate cellule interstiziali di Cajal, suscitano ancora ammirazione per la loro precisione. L’ipotesi delle ICC come cellule nervose si basava sull’osservazione che le ICC si associavano al plesso mienterico dell’intestino del coniglio, colorato con blu di metilene e impregnato d’argento secondo il metodo Golgi, simile ai tessuti neurali. Inoltre, le cellule sembravano intercalare tra le tipiche cellule nervose e le cellule muscolari lisce. Negli anni successivi alle pubblicazioni di Cajal, i morfologi studiarono le ICC nell’intestino arrivando quasi continuamente alla conclusione che fossero cellule nervose, cellule di Schwann, fibroblasti o cellule mioidi. Di tanto in tanto qualcuno collegava le cellule alla generazione della ritmicità dell’attività motoria intestinale. Keith vide somiglianze strutturali con le cellule del nodo senoatriale e ipotizzò che fossero cellule pacemaker (Keith, 1915). Leeuwe scrisse nel 1937: “Le cellule interstiziali di Cajal sono le formazioni terminali del sistema nervoso simpatico, responsabili delle contrazioni ritmiche dell’attività peristaltica intestinale” (Leeuwe, 1937). Ambache, pur continuando a credere che l’ICC appartenesse al sistema nervoso, suggerì tuttavia che un’onda elettrica lenta, che precede le contrazioni “rappresenta la scarica di un pacemaker nell’intestino, e può nascere nella rete nervosa che fu descritta da Cajal” (Ambache, 1947). Nelemans e Nauta hanno commentato: “Poiché la maggior parte degli organi che contengono cellule interstiziali mostrano ritmicità …. ci sembra più probabile che dobbiamo trovare l’origine di questa ritmicità nella rete interstiziale” (Nelemans e Nauta, 1951). La microscopia elettronica ha inaugurato l’era moderna della ricerca sulla fisiologia e la fisiopatologia delle cellule interstiziali di Cajal. Il primo articolo che ha fornito l’ipotesi che le ICC fossero cellule pacemaker sulla base di questa nuova tecnica è stato pubblicato in una rivista italiana dalla professoressa Faussone-Pellegrini dell’Università di Firenze, Italia, dove ha descritto le ICC osservate in campioni esofagei e gastrici di pazienti non affetti da patologie della motilità (Faussone Pellegrini et al., 1977). Una traduzione di questo articolo in inglese è ora apparsa su Frontiers in Autonomic Neuroscience (Faussone Pellegrini et al., 2013). Faussone-Pellegrini si laureò all’Università di Firenze nel 1963 all’età di 23 anni e gli fu offerto un posto nel Dipartimento di Istologia ed Embriologia per istruire i membri del dipartimento nell’uso del nuovo microscopio elettronico a trasmissione. Con pochi soldi e nessuna assistenza Faussone Pellegrini scoprì allora (1967-1968) l’ICC nello stomaco del ratto, ma non poté pubblicare nulla perché il suo professore decise che era troppo giovane e non le era stato chiesto di cercare qualcosa al di fuori dell’argomento che doveva studiare. Anni dopo, nel periodo 1974-1976 la Faussone-Pellegrini fu incaricata dal chirurgo Camillo Cortesini di esaminare campioni della giunzione gastro-esofagea di pazienti affetti da acalasia, dove vide che la morfologia dell’ICC era diversa da quella dei controlli in quanto avevano meno organelli come mitocondri, reticolo endoplasmatico liscio e avevano anche meno contatti con cellule muscolari lisce e nervi (Faussone Pellegrini et al., 1977). Il fatto che l’acalasia sia associata ad una scarsa peristalsi le diede idee per l’ipotesi che le ICC potessero essere cellule pacemaker. Lo sviluppo dell’ipotesi fu anche aiutato dalla correlazione dei risultati fisiologici dalla letteratura con le informazioni strutturali che stava scoprendo. Faussone-Pellegrini (Faussone Pellegrini et al., 1977) fa riferimento a due capitoli del Handbook of Physiology del 1986. Holman scrisse che l’attività di pacemaker era probabilmente generata da poche o tutte le cellule muscolari longitudinali dell’intestino tenue, riconoscendo che era improbabile che tutte le cellule muscolari lisce esibissero proprietà di pacemaker (Holman, 1968). Anche Prosser e Bortoff hanno focalizzato la loro attenzione sulle cellule muscolari longitudinali, ma fanno la seguente dichiarazione: “Su basi morfologiche, Tiegs (1925) postulò che le cellule interstiziali che Cajal aveva descritto come abbondanti lungo i nervi … formano una rete interstiziale che origina, conduce e coordina le contrazioni ritmiche.” Tuttavia, Prosser e Bortoff sembrarono respingere questa tesi affermando che “Richardson (1958) ha chiaramente dimostrato al microscopio elettronico che si tratta di fibroblasti che formano guaine intorno ai nervi.”

Oltre agli studi fisiologici, la morfologia comparativa ha aiutato Faussone-Pellegrini a creare l’ipotesi. Faussone-Pellegrini scrive: “Il basso grado di differenziazione delle cellule interstiziali come elementi contrattili potrebbe essere legato all’autoeccitazione, come nel miocardio (Viragh e Challice, 1973), dove il tessuto specifico dedicato alla generazione e conduzione degli impulsi è costituito da cellule meno ben differenziate per la contrazione rispetto ai comuni miocardiociti” (Faussone Pellegrini et al, 2013).

Poiché l’articolo originale è stato scritto in italiano (Faussone Pellegrini et al., 1977) non ha ricevuto un ampio pubblico e Faussone-Pellegrini era ansioso di pubblicare in inglese. L’obiettivo era uno studio dell’ICC nell’intestino tenue umano. I primi tentativi di pubblicazione non ebbero successo perché i revisori credevano che le ICC fossero cellule muscolari immature o mal fissate. Ma finalmente nel 1983 fu pubblicato il suo studio dove descrisse la ICC nell’area del plesso mienterico e nell’area del plesso muscolare profondo (Faussone Pellegrini e Cortesini, 1983). Durante questo periodo Faussone Pellegrini studiò anche l’intestino pre e post-natale del topo e dimostrò che le ICC non erano cellule muscolari lisce immature e fornì informazioni sulla morfologia della differenziazione delle ICC dalla cellula mesenchimale alle ICC “adulte” (Faussone Pellegrini, 1984).

Il lavoro di Faussone-Pellegrini divenne più noto attraverso le pubblicazioni e le presentazioni di conferenze del professor Lars Thuneberg dell’Università di Copenhagen, Danimarca. L’articolo di Faussone-Pellegrini (1977) fu citato nella seminale tesi di dottorato di Thuneberg (1982), che culminava anni di microscopia elettronica su un vecchio microscopio Hitachi. Thuneberg aveva la capacità di osservare dettagli che sembravano irrilevanti per la maggior parte degli osservatori, il che gli ha fornito una ricchezza di idee e molte ipotesi originali. Thuneberg scoprì l’ICC intorno al 1974, ma libero dalla pressione di pubblicare, non fu fino al 1982 che la ricerca apparve come tesi di dottorato (Thuneberg, 1982). Thuneberg ha ampliato le prove strutturali dell’ICC come cellule pacemaker e presto ha fornito le prime prove fisiologiche insieme a Juri Rumessen (Thuneberg et al., 1984). L’attività delle onde lente aveva dimostrato di derivare dall’area del plesso mienterico, così fu deciso di indagare la possibilità che un’ablazione fotochimica della rete ICC-MP causasse la scomparsa dell’attività registrabile delle onde lente. Il blu di metilene vitale si accumulava unicamente nella rete ICC-MP e quando le cellule furono esposte all’illuminazione diretta, le ICC furono gravemente danneggiate e ciò causò la scomparsa delle onde lente (Thuneberg et al., 1984), fornendo un forte sostegno all’idea che le ICC-MP sono cellule pacemaker intestinali. Il fisiologo che più si è avvicinato a prevedere questo risultato è stato Tomita che ha pubblicato nel 1981: “È quindi possibile che alcune cellule particolari situate tra gli strati muscolari agiscano come pacemaker per le onde lente, e attivino sia i muscoli longitudinali che quelli circolari” (Tomita, 1981).

Lo studio dell’ablazione fotochimica fu comunicato al 9° International GI Motility Meeting di Aix en Provence (Thuneberg et al., 1984) che stimolò diversi laboratori ad iniziare a lavorare sull’ICC. In seguito, il numero di pubblicazioni sull’ICC è aumentato drammaticamente (Thuneberg, 1999). Anche se Szurszewski non menziona l’ICC come possibile fonte nella “bibbia” della fisiologia gastrointestinale del 1981: “The physiology of the Gastrointestinal Tract” a cura di Leonard Johnson (Szurszewski, 1981), nel 1986, il laboratorio di Szurszewski registra l’attività elettrica di sezioni isolate dell’intestino tenue e conclude che le onde lente spontanee dell’intestino tenue di cane, gatto, coniglio, opossum e uomo sono generate in cellule non neurali situate tra lo strato muscolare longitudinale e circolare esterno. Si suggerisce che l’ICC potrebbe essere la fonte (Hara et al., 1986). Suzuki et al. hanno fatto studi simili nel digiuno del gatto e sono giunti alla stessa conclusione (Suzuki et al., 1986). Nell’edizione del 1987 di “Physiology of the gastrointestinal tract”, l’articolo di Thuneberg del 1982 è ampiamente discusso e Szurszewski scrive: “Per quanto riguarda la natura di queste cellule … le cellule interstiziali di Cajal sembrano essere le più promettenti (Szurszewski, 1987). L’ICC era stata accettata nel bastione della fisiologia gastrointestinale! Nel 1989 altre prove fisiologiche da altri laboratori confermarono il ruolo di pacemaker dell’ICC (Barajas-Lopez et al., 1989; Langton et al., 1989). Nel 1999 Thuneberg e Faussone Pellegrini pubblicarono un documento congiunto, la “Guida all’identificazione delle cellule interstiziali di Cajal” (Faussone-Pellegrini e Thuneberg, 1999).

E’ singolare che Faussone Pellegrini abbia sviluppato l’idea che le ICC fossero cellule pacemaker che regolano la peristalsi mentre lavorava sull’esofago, dove in condizioni normali non si nota alcuna attività ritmica spontanea e dove si presume che la peristalsi sia sotto controllo vagale. Infatti, tutti i successivi studi fisiologici sul ruolo delle ICC come cellule pacemaker non hanno coinvolto l’esofago. Si pensa che la perdita di peristalsi del corpo esofageo sia dovuta alla perdita di neuroni (Kraichely e Farrugia, 2006) o alla disfunzione del LES (Kraichely e Farrugia, 2006). L’esofago ha pochissimi ICC associati al plesso mienterico, l’ICC più spesso associato all’attività del pacemaker. L’esofago ha abbondanti ICC intramuscolari (ICC-IM) dispersi nel muscolo circolare e longitudinale (Figura 1). ICC-IM sono pensati per essere coinvolti nel pacemaking e la propagazione delle onde lente nello stomaco (Hirst et al., 2006). È interessante notare che gli ICC si trovano anche nel muscolo striato dell’esofago (Faussone-Pellegrini e Cortesini, 1986). Gli ICC esofagei sono associati alla peristalsi? Come altrove nel corpo, l’esofago ha meccanismi di propulsione sovrapposti. La propulsione indotta dalla deglutizione è diretta e coordinata dall’eccitazione sequenziale attraverso le fibre vagali programmate dal centro di deglutizione nel sistema nervoso centrale. In assenza di attività vagale, il meccanismo neurale intramurale può prendere il sopravvento. La deglutizione di un bolo attiva questo sistema e la successiva contrazione propagatrice ha caratteristiche molto simili a quella diretta dal sistema nervoso centrale (Diamant, 1989). La stimolazione diretta del muscolo esofageo nell’opossum produce contrazioni che si propagano in modo peristaltico ad una velocità simile a quella delle contrazioni peristaltiche prodotte dalla deglutizione, in presenza di TTX (Sarna et al., 1977). Quindi l’esofago ha un sistema di controllo miogenico che può orchestrare completamente l’attività peristaltica e la rete di ICC è un candidato logico per la sua origine. In alcuni pazienti con acalasia, si nota una forte attività contrattile ritmica che indica chiaramente la presenza di un pacemaker (Jee et al., 2009). Nuove prove nell’esofago umano suggeriscono che il pacemaker potrebbe essere una rete di cellule ICC-IM e PDGFRα positive (Ji-Hong Chen e Jan D. Huizinga, non pubblicato). Quindi, l’idea di Faussonne Pellegrini di ICC nell’esofago come pacemaker potrebbe ancora essere dimostrata corretta.

Figura 1. Ultrastruttura di ICC-IM nello strato muscolare circolare dell’esofago inferiore umano. (A) Un ICC-IM e i suoi processi formano connessioni multiple (frecce) con le cellule muscolari lisce adiacenti. (B) Un ICC-IM in un piccolo setto è vicino a due piccoli fasci nervosi (N).

In sintesi, l’ipotesi che gli ICC siano cellule pacemaker dell’intestino è apparsa in letteratura dal 1915. Faussone-Pellegrini fu il primo a pubblicare uno studio nel 1977 che rafforzava l’ipotesi attraverso l’uso della microscopia elettronica. Questa nozione è stata ulteriormente sviluppata e resa popolare da Thuneberg nel 1982, e questo ha dato inizio all’era moderna degli studi fisiologici sulle origini cellulari dell’attività del pacemaker intestinale.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da una sovvenzione della National Natural Science Foundation of China (NSFC) # 81170249 a Ji-Hong Chen e dal Canadian Institutes of Health Research (CIHR) # MOP12874 a Jan D. Huizinga.