Over the last years, insights in the cancer neuroscience field increased rapidly and a potential role for neurons in colorectal carcinogenesis has been recognized. However, knowledge on the neuronal distribution, subtypes, origin and associations with clinicopathological characteristics in human studies is sparse. In this study, colorectal tumor tissues from the Netherlands Cohort Study on diet and cancer (n=490) and an in-cohort validation population (n=529) were immunohistochemically stained for the pan-neuronal markers neurofilament (NF) and protein gene product 9.5 (PGP9.5) to study the association between neuronal marker expression and clinicopathological characteristics. In addition, tumor and healthy colon tissue were stained for neuronal subtype markers and their immunoreactivity in colorectal cancer (CRC) stroma was analyzed. NF and PGP9.5 positive nerve fibers were found within the tumor stroma and were mostly characterized by the neuronal subtype markers vasoactive intestinal protein (VIP) and neuronal nitric oxide synthase (nNOS), suggesting that inhibitory neurons are the most prominent neuronal subtype in CRC. NF and PGP9.5 protein expression were not consistently associated with tumor stage, sublocation, differentiation grade and median survival. NF immunoreactivity was associated with a worse CRC-specific survival in the study cohort (p=0.025), independent of other prognostic factors (HR=2.31; 95% CI 1.33-4.03; p=0.003), but these results were not observed in the in-cohort validation group. PGP9.5 on the other hand, was associated with a worse CRC-specific survival in the in-cohort validation (p=0.046) but not in the study population. This effect disappeared in multivariate analyses (HR=0.81; 95% CI 0.50-1.32; p=0.393) indicating that this effect was dependent on other prognostic factors. This study demonstrates that the tumor stroma of CRC patients mainly harbors inhibitory neurons and that NF as a single marker is significantly associated with a poorer CRC-specific survival in the study cohort but necessitates future validation.

Abstract Hirschsprung disease (HSCR) is caused by an absence of the enteric nervous system (ENS), which is crucial for intestinal function. The ENS is composed of enteric neurons and glia, and is mostly derived from migrating vagal neural crest cells. Trunk-derived Schwann cells also play a significant role in postnatal maintenance of the ENS. However, the diversity of the ENS in health and disease remains largely unknown. Here, we performed single cell RNA sequencing on pediatric controls and HSCR individuals, and identified two major classes of enteric glia, being canonical and Schwann-like enteric glia. We show that the latter are the main contributors of enteric glia heterogeneity after birth and importantly, that they are preserved in aganglionic segments of HSCR individuals. In a zebrafish model of HSCR, which also shows preservation of Schwann-like enteric glia, enteric neurogenesis could be stimulated, demonstrating a potential novel therapy for HSCR.

Hirschsprung disease (HSCR) is a congenital disorder characterized by the absence of an enteric nervous system (ENS) in the distal gut, causing obstruction and constipation. Despite the known importance of the ENS for normal gut function due to its interaction with other intestinal cells, the impact of ENS loss on intestinal homeostasis remains largely unexplored. In this manuscript, we investigate changes in intestinal composition associated with loss of an ENS, by performing single cell RNA sequencing on zebrafish intestines collected from 5 days post-fertilization wildtype zebrafish and a ret mutant HSCR model. Significant findings were validated through immunofluorescence and fluorescence in situ hybridization in zebrafish and human tissues. Notable shifts included a reduction in enterocytes and enterochromaffin cells, alongside an increase in immune and endothelial cells, as well as BEST4+ enterocytes, in the HSCR model. These discoveries elucidate significant changes in the intestinal cellular composition in HSCR, highlighting potential pathways to secondary complications and offering insights into new therapeutic possibilities aimed at enhancing patient outcomes.

Abstract The enteric nervous system (ENS) regulates many gastrointestinal functions including peristalsis, immune regulation and uptake of nutrients. Defects in the ENS can lead to severe enteric neuropathies such as Hirschsprung disease (HSCR), which is caused by defective ENS development. Zebrafish have proven to be fruitful in the identification of novel genes involved in ENS development and HSCR pathology. However, the composition and specification of enteric neurons and glial subtypes of the larval zebrafish at a single cell level, remains mainly unexplored. Here, we performed single cell RNA sequencing of zebrafish ENS at 5 days post-fertilization. We identified both vagal neural crest progenitors and Schwann cell precursors, as well as four clusters of early differentiated neurons. Interestingly, since we took an unbiased approach where we sequenced total intestines, an elavl3+/phox2bb- population of neurons and the presence of cx43+ / phox2bb- enteric glia were identified in larval zebrafish. These populations have not been described before. Pseudotime analysis supported binary neurogenic branching of ENS differentiation, which happens via a notch-responsive state. Together, our data revealed previously unrecognized ENS populations and serve as a resource to gain new insights on ENS development and specification, proving that the zebrafish is a valuable model organism in the quest towards understanding and treating congenital enteric neuropathies.