Ramon y Cajal, som sökte efter ett neuralt nätverk som var enklare än hjärnan, studerade tunntarmen hos kanin för att hitta interstitiella celler som han betraktade som slutcellerna i det sympatiska nervsystemet (Ramon y Cajal, 1911). Hans teckningar av vad som senare skulle kallas interstitiella celler av Cajal, fångar fortfarande beundran för sin noggrannhet. Hypotesen om ICC som nervceller baserades på observationen att ICC associerade med det myenteriska plexus i kanintarmen, färgade med metylenblått och silverimpregnering enligt Golgi-metoden, liknade neurala vävnader. Dessutom verkade cellerna interkalera mellan typiska nervceller och glatta muskelceller. Under åren efter Cajals publikationer studerade morfologer ICC i tarmen nästan oavbrutet och kom fram till att de var nervceller, Schwannceller, fibroblaster eller myoidceller. Ibland kopplade någon ihop cellerna med genereringen av rytmiken i tarmens motoriska aktivitet. Keith såg strukturella likheter med celler i sinoatrialknutan och antog att de var pacemakerceller (Keith, 1915). Leeuwe skrev 1937: ”Cajals interstitiella celler är slutformationer av det sympatiska nervsystemet, ansvariga för de rytmiska sammandragningarna av tarmens peristaltiska aktivitet” (Leeuwe, 1937). Ambache, som fortfarande ansåg att ICC tillhörde nervsystemet, föreslog dock att en långsam elektrisk våg som föregår kontraktionerna ”representerar urladdningen från en pacemaker i tarmen och kan uppstå i det nervnät som Cajal beskrev” (Ambache, 1947). Nelemans och Nauta kommenterade: ”Eftersom de flesta organ som innehåller interstitiella celler uppvisar rytmicitet …. verkar det för oss högst troligt att vi måste hitta ursprunget till denna rytmicitet i det interstitiella nätverket” (Nelemans och Nauta, 1951). Elektronmikroskopi inledde den moderna eran av forskning om fysiologi och patofysiologi hos Cajals interstitiella celler. Den första artikeln som gav hypotesen att ICC var pacemakerceller baserat på denna nya teknik publicerades i en italiensk tidskrift av professor Faussone-Pellegrini vid universitetet i Florens, Italien, där hon beskrev ICC som observerats i esofagus- och magsäcksprover från patienter som inte led av motilitetspatologier (Faussone Pellegrini et al., 1977). En översättning av denna artikel på engelska har nu publicerats i Frontiers in Autonomic Neuroscience (Faussone Pellegrini et al., 2013). Faussone-Pellegrini utexaminerades från universitetet i Florens 1963 vid 23 års ålder och erbjöds en tjänst på avdelningen för histologi och embryologi för att instruera avdelningens medlemmar i användningen av det nya transmissionselektronmikroskopet. Med lite pengar och utan hjälp upptäckte Faussone Pellegrini då (1967-1968) ICC i råttmagen, men kunde inte publicera något eftersom hennes professor ansåg att hon var för ung och inte hade blivit ombedd att leta efter något utanför det ämne hon skulle studera. Flera år senare, under perioden 1974-1976, ombads Faussone-Pellegrini av kirurgen Camillo Cortesini att titta på prover från den gastro-esofageala övergången från patienter med achalasi där hon såg att ICC-morfologin skilde sig från kontrollerna eftersom de hade färre organeller som mitokondrier, glatt endoplasmatiskt retikulum och de hade också färre kontakter med glatta muskelceller och nerver (Faussone Pellegrini et al., 1977). Det faktum att achalasi är förknippat med dålig peristaltik gav henne idéer till hypotesen att ICC skulle kunna vara pacemakerceller. Utvecklingen av hypotesen underlättades också av att korrelera fysiologiska fynd från litteraturen med den strukturella information som hon upptäckte. Faussone-Pellegrini (Faussone Pellegrini et al., 1977) hänvisar till två kapitel i 1986 års Handbook of Physiology. Holman skrev att pacemakeraktivitet sannolikt genererades av några få eller alla längsgående muskelceller i tunntarmen, och erkände att det var osannolikt att alla glatta muskelceller uppvisade pacemakeregenskaper (Holman, 1968). Prosser och Bortoff fokuserade också sin uppmärksamhet på longitudinella muskelceller, men de gör följande uttalande: ”På morfologiska grunder postulerade Tiegs (1925) att de interstitiella celler som Cajal hade beskrivit som rikligt förekommande längs nerverna … bildar ett interstitiellt nät som ger upphov till, leder och samordnar rytmiska sammandragningar”. Prosser och Bortoff tycktes dock avfärda detta genom att konstatera att ”Richardson (1958) tydligt visade med hjälp av elektronmikroskopi att de är fibroblaster som bildar höljen runt nerverna.”

Förutom fysiologiska studier hjälpte den jämförande morfologin Faussone-Pellegrini att skapa hypotesen. Faussone-Pellegrini skriver: ”Den låga graden av differentiering av interstitiella celler som kontraktila element kan vara kopplad till självexcitation, som i myokardiet (Viragh och Challice, 1973), där den specifika vävnad som ägnar sig åt att generera och leda impulser består av celler som är mindre väl differentierade för sammandragning än vanliga myokardieocyter.” (Faussone Pellegrini et al, 2013).

Då den ursprungliga artikeln skrevs på italienska (Faussone Pellegrini et al., 1977) fick den inte en stor publik och Faussone-Pellegrini var angelägen om att publicera på engelska. Målet var en studie av ICC i den mänskliga tunntarmen. De första försöken att publicera misslyckades eftersom granskarna trodde att ICC var omogna muskelceller eller dåligt fixerade muskelceller. Men slutligen 1983 publicerades hennes studie där hon beskrev ICC i det myenteriska plexusområdet och i det djupa muskelplexusområdet (Faussone Pellegrini och Cortesini, 1983). Under denna tid studerade Faussone Pellegrini även pre- och postnatal musentarm och visade att ICC inte var omogna glatta muskelceller och gav information om morfologin för differentiering av ICC från mesenkymalcell till ”vuxen” ICC (Faussone Pellegrini, 1984).

Faussone-Pellegrinis arbete blev mer känt genom de publikationer och konferenspresentationer som professor Lars Thuneberg vid Köpenhamns universitet i Danmark gjorde. Faussone-Pellegrinis (1977) artikel citerades i Thunebergs banbrytande doktorsavhandling (1982), som var kulmen på flera års elektronmikroskopi på ett gammalt Hitachimikroskop. Thuneberg hade förmågan att observera detaljer som verkade irrelevanta för de flesta observatörer, vilket gav honom en mängd idéer och många originella hypoteser. Thuneberg upptäckte ICC omkring 1974 men fri från trycket att publicera var det inte förrän 1982 som forskningen dök upp som en doktorsavhandling (Thuneberg, 1982). Thuneberg utökade de strukturella bevisen för ICC som pacemakerceller och han gav snart de första fysiologiska bevisen tillsammans med Juri Rumessen (Thuneberg et al., 1984). Långsamvågsaktivitet hade visat sig härröra från det myenteriska plexusområdet, så man bestämde sig för att undersöka möjligheten att en fotokemisk ablation av ICC-MP-nätverket skulle leda till att registrerbar långsamvågsaktivitet skulle försvinna. Vital metylenblått råkade vara unikt ackumulerande i ICC-MP-nätverket och när cellerna utsattes för direkt belysning skadades ICC allvarligt och det ledde faktiskt till att de långsamma vågorna försvann (Thuneberg et al., 1984), vilket ger ett starkt stöd för idén att ICC-MP är tarmens pacemakerceller. Den fysiolog som hade kommit närmast att förutsäga detta resultat var Tomita som publicerade 1981: ”Det är alltså möjligt att vissa särskilda celler som är belägna mellan muskelskikten fungerar som pacemakers för de långsamma vågorna och aktiverar både de longitudinella och cirkulära musklerna” (Tomita, 1981).

Studien av den fotokemiska ablationen kommunicerades vid det nionde internationella mötet om gastrointestinala motilitet i Aix en Provence (Thuneberg et al., 1984), vilket stimulerade flera laboratorier att börja arbeta med ICC. Därefter ökade antalet publikationer om ICC dramatiskt (Thuneberg, 1999). Även om Szurszewski inte nämner ICC som en möjlig källa i 1981 års ”bibel” om gastrointestinal fysiologi: ”The physiology of the Gastrointestinal Tract” redigerad av Leonard Johnson (Szurszewski, 1981), registrerar Szurszewskis laboratorium 1986 den elektriska aktiviteten i isolerade delar av tunntarmen och drar slutsatsen att spontana långsamma vågor i tunntarmen hos hund, katt, kanin, opossum och människa genereras i icke-neurala celler som är belägna mellan det longitudinella och yttre cirkulära muskulära lagret. Det föreslås att ICC kan vara källan (Hara et al., 1986). Suzuki et al. gjorde liknande studier i kattens jejunum och kom fram till samma slutsats (Suzuki et al., 1986). I 1987 års upplaga av ”Physiology of the gastrointestinal tract” diskuteras Thunebergs artikel från 1982 utförligt och Szurszewski skriver: ”När det gäller karaktären på dessa celler … verkar Cajals interstitiella celler vara de mest lovande (Szurszewski, 1987). ICC hade accepterats i bastionen för gastrointestinal fysiologi! År 1989 bekräftade fler fysiologiska bevis från andra laboratorier ICC:s roll som pacemaker (Barajas-Lopez et al., 1989; Langton et al., 1989). År 1999 publicerade Thuneberg och Faussone Pellegrini en gemensam artikel, ”Guide to the identification of interstitial cells of Cajal” (Faussone-Pellegrini och Thuneberg, 1999).

Det var märkligt att Faussone Pellegrini utvecklade idén om att ICC var pacemakerceller som styrde peristaltiken när han arbetade på matstrupen, där det under normala förhållanden inte noteras någon spontan rytmisk aktivitet och där peristaltiken antas vara under vagal kontroll. Alla efterföljande fysiologiska studier om ICC:s roll som pacemakerceller har faktiskt inte involverat matstrupen. Förlust av peristaltik i esofaguskroppen antas bero på förlust av neuroner (Kraichely och Farrugia, 2006) eller på LES-dysfunktion (Kraichely och Farrugia, 2006). Ösofagus har mycket få ICC som är associerade med plexus myentericus, den ICC som oftast förknippas med pacemakeraktivitet. Ösofagus har rikligt med intramuskulära ICC (ICC-IM) som är utspridda i den cirkulära och longitudinella muskeln (figur 1). ICC-IM tros vara involverade i pacemaking och långsam vågutbredning i magsäcken (Hirst et al., 2006). Intressant nog finns ICC även i den strimmiga muskeln i matstrupen (Faussone-Pellegrini och Cortesini, 1986). Är esofagala ICC associerade med peristaltik? Liksom på andra ställen i kroppen har matstrupen överlappande framdrivningsmekanismer. Den sväljningsinducerade propulsionen styrs och samordnas av sekventiell excitering genom vagala fibrer som programmeras av sväljningscentret i det centrala nervsystemet. I avsaknad av vagal aktivitet kan den intramurala neurala mekanismen ta över. Att svälja en bolus aktiverar detta system och den efterföljande utbredande kontraktionen har mycket liknande egenskaper som den som styrs av det centrala nervsystemet (Diamant, 1989). Direkt stimulering av esofagusmuskeln hos opossum ger upphov till sammandragningar som fortplantar sig peristaltiskt med en hastighet som liknar de peristaltiska sammandragningar som produceras av sväljning, i närvaro av TTX (Sarna et al., 1977). Ösofagus har alltså ett myogent kontrollsystem som helt och hållet kan iscensätta peristaltisk aktivitet, och nätverket av ICC är en logisk kandidat för dess ursprung. Hos vissa patienter med achalasi noteras en stark rytmisk kontraktila aktivitet som tydligt visar på förekomsten av en pacemaker (Jee et al., 2009). Nya bevis i den mänskliga matstrupen tyder på att pacemakern kan vara ett nätverk av ICC-IM- och PDGFRα-positiva celler (Ji-Hong Chen och Jan D. Huizinga, opublicerat). Därför kan Faussonne Pellegrinis idé om ICC i matstrupen som pacemaker fortfarande visa sig vara korrekt.

Figur 1. Ultrastruktur av ICC-IM i det cirkulära muskelskiktet i människans nedre matstrupe. (A) En ICC-IM och dess processer bildar flera förbindelser (pilar) med intilliggande glatta muskelceller. (B) En ICC-IM i ett litet septum ligger nära två små nervbuntar (N).

Sammanfattningsvis har hypotesen att ICC är pacemakerceller i tarmen förekommit i litteraturen sedan 1915. Faussone-Pellegrini var den första som publicerade en studie 1977 där hypotesen stärktes med hjälp av elektronmikroskopi. Denna föreställning utvecklades vidare och populariserades av Thuneberg 1982, och detta inledde den moderna eran av fysiologiska studier av det cellulära ursprunget till tarmens pacemakeraktivitet.

Acknowledgments

Detta arbete har fått ekonomiskt stöd av ett bidrag från National Natural Science Foundation of China (NSFC) # 81170249 till Ji-Hong Chen och från Canadian Institutes of Health Research (CIHR) # MOP12874 till Jan D. Huizinga.