Dopamine is an enteric neurotransmitter that regulates gastrointestinal motility. This study was done to investigate whether dopamine modulates spontaneous pacemaker activity in cultured interstitial cells of Cajal (ICCs) from mouse using whole cell patch clamp technique, RT-PCR and live $Ca^{2+}$ imaging analysis. ICCs generate pacemaker inward currents at a holding potential of -70 mV and generate pacemaker potentials in current-clamp mode. Dopamine did not change the frequency and amplitude of pacemaker activity in small intestinal ICCs. On the contrary dopamine reduced the frequency and amplitude of pacemaker activity in large intestinal ICCs. RT-PCR analysis revealed that Dopamine2 and 4-receptors are expressed in c-Kit positive ICCs. Dopamine2 and 4 receptor agonists inhibited pacemaker activity in large intestinal ICCs mimicked those of dopamine. Domperidone, dopamine2 receptor antagonist, increased the frequency of pacemaker activity of large intestinal ICCs. In $Ca^{2+}$-imaging, dopamine inhibited spontaneous intracellular $Ca^{2+}$ oscillations of ICCs. These results suggest that dopamine can regulate gastrointestinal motility through modulating pacemaker activity of large intestinal ICCs and dopamine effects on ICCs are mediated by dopamine2 receptor and intracellular $Ca^{2+}$ modulation.
Objectives: Shengmaisan (SMS) is a traditional Chinese medicine prescription widely used for the treatment of diverse organs in Korea. The interstitial cells of Cajal (ICCs) are pacemaker cells that play an important role in the generation of coordinated gastrointestinal (GI) motility. We have aimed to investigate the effects of SMS in the ICCs in the mouse small intestine. Methods: To dissociate the ICCs, we used enzymatic digestions from the small intestine in a mouse. After that, the ICCs were identified immunologically by using the anti-c-kit antibody. In the ICCs, the electrophysiological whole-cell patch-clamp configuration was used to record pacemaker potentials in the cultured ICCs. Results: The ICCs generated pacemaker potentials in the mouse small intestine. SMS produced membrane depolarization with concentration-dependent manners in the current clamp mode. Pretreatment with a $Ca^{2+}$ free solution and thapsigargin, a $Ca^{2+}$-ATPase inhibitor in the endoplasmic reticulum, stopped the generation of the pacemaker potentials. In the case of $Ca^{2+}$-free solutions, SMS induced membrane depolarizations. However, when thapsigargin in a bath solution was applied, the membrane depolarization was not produced by SMS. The membrane depolarizations produced by SMS were inhibited by U-73122, an active phospholipase C (PLC) inhibitors. Furthermore, chelerythrine and calphostin C, a protein kinase C (PKC) inhibitors had no effects on SMS-induced membrane depolarizations. Conclusions: These results suggest that SMS might affect GI motility by modulating the pacemaker activity through an internal $Ca^{2+}$- and PLC-dependent and PKC-independent pathway in the ICCs.
Kim, Jung Nam;Song, Ho Jun;Lim, Bora;Kwon, Young Kyu;Kim, Byung Joo
Journal of Pharmacopuncture
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v.16
no.1
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pp.43-49
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2013
Objective: Pyungwi-san (PWS) plays a role in a number of physiologic and pharmacologic functions in many organs. Interstitial cells of Cajal (ICCs) are pacemaker cells that generate slow waves in the gastrointestinal (GI) tract. We aimed to investigate the beneficial effects of PWS in mouse small-intestinal ICCs. Methods: Enzymatic digestion was used to dissociate ICCs from the small intestine of a mouse. The whole-cell patch-clamp configuration was used to record membrane potentials from the cultured ICCs. Results: ICCs generated pacemaker potentials in the GI tract. PWS produced membrane depolarization in the current clamp mode. Pretreatment with a $Ca^{2+}$-free solution and a thapsigargin, a $Ca^{2+}$-ATPase, inhibitor in the endoplasmic reticulum, eliminated the generation of pacemaker potentials. However, only when the thapsigargin was applied in a bath solution, the membrane depolarization was not produced by PWS. Furthermore, the membrane depolarizations due to PWS were inhibited not by U-73122, an active phospholipase C inhibitor, but by chelerythrine and calphostin C, protein kinase C inhibitors. Conclusions: These results suggest that PWS might affect GI motility by modulating the pacemaker activity in the ICCs.
Interstitial cells of Cajal (ICCs) are pacemaker cells that exhibit periodic spontaneous depolarization in the gastrointestinal (GI) tract and generate pacemaker potentials. In this study, we investigated the effects of ghrelin and motilin on the pacemaker potentials of ICCs isolated from the mouse small intestine. Using the whole-cell patch-clamp configuration, we demonstrated that ghrelin depolarized pacemaker potentials of cultured ICCs in a dose-dependent manner. The ghrelin receptor antagonist [D-Lys] GHRP-6 completely inhibited this ghrelin-induced depolarization. Intracellular guanosine 5'-diphosphate-${\beta}$-S and pre-treatment with $Ca^{2+}$-free solution or thapsigargin also blocked the ghrelin-induced depolarization. To investigate the involvement of inositol triphosphate ($IP_3$), Rho kinase, and protein kinase C (PKC) in ghrelin-mediated pacemaker potential depolarization of ICCs, we used the $IP_3$ receptor inhibitors 2-aminoethoxydiphenyl borate and xestospongin C, the Rho kinase inhibitor Y-27632, and the PKC inhibitors staurosporine, Go6976, and rottlerin. All inhibitors except rottlerin blocked the ghrelin-induced pacemaker potential depolarization of ICCs. In addition, motilin depolarized the pacemaker potentials of ICCs in a similar dose-dependent manner as ghrelin, and this was also completely inhibited by [D-Lys] GHRP-6. These results suggest that ghrelin induced the pacemaker potential depolarization through the ghrelin receptor in a G protein-, $IP_3$-, Rho kinase-, and PKC-dependent manner via intracellular and extracellular $Ca^{2+}$ regulation. In addition, motilin was able to depolarize the pacemaker potentials of ICCs through the ghrelin receptor. Therefore, ghrelin and its receptor may modulate GI motility by acting on ICCs in the murine small intestine.
Interstitial cells of Cajal (ICCs) are the pacemaker cells that generate slow waves in the gastrointestinal (GI) tract. In the present study, we investigated the effect of mitochondrial ATP-sensitive potassium (mitoKATP) channel on pacemaking activity in cultured ICCs from murine small intestine by using whole-cell patch clamp techniques. Under current clamp mode, at 10μM glibenclamide, there was no change in pacemaking activity of ICCs. At $30{\mu}M$ glibenclamide, an inhibitor of the ATP sensitive $K^+$ channels, we could find two examples. If pacemaking activity of ICCs was irregulating, pacemaking activity of ICCs was changed into regulating and if in normal conditions, membrane potential amplitude was increased. At $50{\mu}M$ glibenclamide, the resting membrane potential was depolarized. At 3mM 5-HDA, an inhibitor of the mitoKATP channels, inhibited the pacemaking activity of ICCs. Both the amplitude and the frequency were decreased. At 5 mM 5-HDA, both the amplitude and the frequency were completely abolished. Diazoxide, an opener of the mitoKATP channels, was applied to examine its effect on pacemaking activity of ICCs. At $50{\mu}M$ concentration, the pacemaking activity of ICCs was inhibited. Both the amplitude and the frequency were decreased. At 1 mM concentration, both the amplitude and the frequency were completely abolished and the resting membrane potential was shaked.These results indicate that mitoKATP channel has an important role in pacemaking activity of ICCs.
Kim, Byung Joo;Kwon, Young Kyu;Kim, Euiyong;So, Insuk
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.17
no.2
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pp.149-156
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2013
Interstitial cells of Cajal (ICCs) are the pacemaker cells in the gastrointestinal tract, and histamine is known to regulate neuronal activity, control vascular tone, alter endothelial permeability, and modulate gastric acid secretion. However, the action mechanisms of histamine in mouse small intestinal ICCs have not been previously investigated, and thus, in the present study, we investigated the effects of histamine on mouse small intestinal ICCs, and sought to identify the receptors involved. Enzymatic digestions were used to dissociate ICCs from small intestines, and the whole-cell patch-clamp configuration was used to record potentials (in current clamp mode) from cultured ICCs. Histamine was found to depolarize resting membrane potentials concentration dependently, and whereas 2-PEA (a selective H1 receptor agonist) induced membrane depolarizations, Dimaprit (a selective H2-agonist), R-alpha-methylhistamine (R-alpha-MeHa; a selective H3-agonist), and 4-methylhistamine (4-MH; a selective H4-agonist) did not. Pretreatment with $Ca^{2+}$-free solution or thapsigargin (a $Ca^{2+}$-ATPase inhibitor in endoplasmic reticulum) abolished the generation of pacemaker potentials and suppressed histamine-induced membrane depolarization. Furthermore, treatments with U-73122 (a phospholipase C inhibitor) or 5-fluoro-2-indolyl des-chlorohalopemide (FIPI; a phospholipase D inhibitor) blocked histamine-induced membrane depolarizations in ICCs. On the other hand, KT5720 (a protein kinase A inhibitor) did not block histamine-induced membrane depolarization. These results suggest that histamine modulates pacemaker potentials through H1 receptor-mediated pathways via external $Ca^{2+}$ influx and $Ca^{2+}$ release from internal stores in a PLC and PLD dependent manner.
Kim, Sun-Ouck;Jeong, Han-Seong;Jang, Sujeong;Wu, Mei-Jin;Park, Jong Kyu;Jiao, Han-Yi;Jun, Jae Yeoul;Park, Jong-Seong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.17
no.6
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pp.531-536
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2013
Interstitial cells of Cajal (ICCs) from the urinary bladder regulate detrusor smooth muscle activities. We cultured ICCs from the urinary bladder of mice and performed patch clamp and intracellular $Ca^{2+}$ ($[Ca^{2+}]_i$) imaging to investigate whether cultured ICCs can be a valuable tool for cellular functional studies. The cultured ICCs displayed two types of spontaneous electrical activities which are similar to those recorded in intact bladder tissues. Spontaneous electrical activities of cultured ICCs were nifedipine-sensitive. Carbachol and ATP, both excitatory neurotransmitters in the urinary bladder, depolarized the membrane and increased the frequency of spike potentials. Carbachol increased $[Ca^{2+}]_i$ oscillations and basal $Ca^{2+}$ levels, which were blocked by atropine. These results suggest that cultured ICCs from the urinary bladder retain rhythmic phenotypes similar to the spontaneous electrical activities recorded from the intact urinary bladder. Therefore, we suggest that cultured ICCs from the urinary bladder may be useful for cellular and molecular studies of ICCs.
Many gastrointestinal muscles show electrical oscillation, so-called 'slow wave', originated from interstitial cells of Cajal (ICCs). Thus, a technique to freshly isolate the cells is indispensable to explore the electrophysiological properties of the ICCs. To apply an enzyme solution on the serosal surface for cell isolation, the intestine was inverted and 0.02% trypsin solution and 0.04% collagenase solution were applied to serosal cavity. After the enzyme treatment, mucosal layer was removed and longitudinal muscle layer was gently separated from the rest of tissue. The thin layer was stretched in the recording chamber and mounted on an inverted microscope. Using ${\beta}-escine$, perforated whole cell patch clamp technique was used. Under a microscope, the tissue showed smooth muscle cells and interstitial cells around the myenteric plexus. Under voltage clamp condition, three types of membrane potential were recorded. One group of interstitial cells, which were positive to methylene blue and CD34, showed spontaneous outward current. These cells had bipolar shape and were considered as fibroblast-like cells because of their peculiar shape and arrangement. Another group, positive to c-kit and methylene blue, showed spontaneous inward current. These cells had more rounded shape and processes and were considered as ICCs. The third, positive to c-kit and had granules containing methylene blue, showed quiet membrane potentials under the voltage-clamp mode. These cells appeared to be resident macrophages. Therefore, in the freshly isolated thin tissue preparation, methylene blue could easily identify three types of cells rather than morphological properties. Using this method, we were able to study electrical properties of fibroblast and residential macrophage as well as myenteric ICCs.
Background: Ginseng belongs to the genus Panax. Its main active ingredients are the ginsenosides. Interstitial cells of Cajal (ICCs) are the pacemaker cells of the gastrointestinal (GI) tract. To understand the effects of ginsenoside Re (GRe) on GI motility, the authors investigated its effects on the pacemaker activity of ICCs of the murine small intestine. Methods: Interstitial cells of Cajal were dissociated from mouse small intestines by enzymatic digestion. The whole-cell patch clamp configuration was used to record pacemaker potentials in cultured ICCs. Changes in cyclic guanosine monophosphate (cGMP) content induced by GRe were investigated. Results: Ginsenoside Re ($20-40{\mu}M$) decreased the amplitude and frequency of ICC pacemaker activity in a concentration-dependent manner. This action was blocked by guanosine 50-[${\beta}-thio$]diphosphate [a guanosine-5'-triphosphate (GTP)-binding protein inhibitor] and by glibenclamide [an adenosine triphosphate (ATP)-sensitive $K^{+}$ channel blocker]. To study the GRe-induced signaling pathway in ICCs, the effects of 1H-[1,2,4]oxadiazolo[4,3-a]quinoxalin-1-one (a guanylate cyclase inhibitor) and RP-8-CPT-cGMPS (a protein kinase G inhibitor) were examined. Both inhibitors blocked the inhibitory effect of GRe on ICC pacemaker activity. L-NG-nitroarginine methyl ester ($100{\mu}M$), which is a nonselective nitric oxide synthase (NOS) inhibitor, blocked the effects of GRe on ICC pacemaker activity and GRe-stimulated cGMP production in ICCs. Conclusion: In cultured murine ICCs, GRe inhibits the pacemaker activity of ICCs via the ATP-sensitive potassium ($K^{+}$) channel and the cGMP/NO-dependent pathway. Ginsenoside Re may be a basis for developing novel spasmolytic agents to prevent or alleviate GI motility dysfunction.
In preliminary tests, we examined the effect of several fractions isolated from fermented pine needle extract on pacemaker potentials in cultured interstitial cells of Cajal (ICCs) from the mouse colon using a whole cell patch clamp technique. Among these fractions, Fraction 3 (F3) elicited the most powerful depolarization of membrane. Therefore, the aim of the present study was to investigate the effect of F3 obtained from fermented extract of Pinus densiflora needle on pacemaker potentials in ICCs and to establish its mechanism of action. Colonic ICCs generated spontaneous periodic pacemaker potentials in the current-clamp mode. F3 depolarized the membrane and decreased the frequency and amplitude of pacemaker potentials in a dose-dependent fashion. The F3-induced effects on pacemaker potentials were blocked by methoctramine, a muscarinic $M_2$ receptor antagonist, and by glycopyrrolate, a muscarinic $M_3$ receptor antagonist. The F3-induced effects on pacemaker potentials were blocked by external $Na^+$-free solution and by flufenamic acid, a non-selective cation channel blocker, as well as by the removal of external $Ca^{2+}$ and in the presence of thapsigargin, a $Ca^{2+}$-ATPase inhibitor in the endoplasmic reticulum. Taken together, these results suggest that F3 of pine needle extract modulates the pacemaker activity of colonic ICCs by the activation of non-selective cation channels via muscarinic $M_2$ and $M_3$ receptors. And external $Ca^{2+}$ influx and intracellular $Ca^{2+}$ release are involved in F3 actions on ICCs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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