De Multi-gefluoreerde galzuren en<em> In Vivo</em> Magnetic Resonance Imaging te meten Bile Acid Transport
Summary
Tools om te diagnosticeren galzuurintermediairen malabsorptie en meet galzuur transport in vivo beperkt zijn. Een innovatieve aanpak in levende dieren wordt beschreven dat de gecombineerde proton (1H) plus fluor (19 F) magnetic resonance imaging gebruikt; Deze nieuwe methodologie heeft translationeel potentieel om te screenen op galzuurintermediairen malabsorptie in de klinische praktijk.
Abstract
Samen met hun traditionele rol als wasmiddelen die vetopname te vergemakkelijken, opkomende literatuur geeft aan dat galzuren krachtige signaalmoleculen die meerdere organen aantasten; ze moduleren darmmotiliteit en de productie van hormonen, en veranderen de vasculaire tonus, glucose metabolisme, vetstofwisseling en energiegebruik. Veranderingen in fecale galzuren kan de darm microbiome veranderen en bevorderen colon pathologie zoals cholerrheic diarree en darmkanker. Key regulatoren van fecale galzuur samenstelling van de dunne darm apicale natrium-afhankelijke Bile Acid Transporter (ASBT) en fibroblast groeifactor-19 (FGF19). Verminderde expressie en functie van ASBT vermindert intestinale galzuur-opname. Bovendien suggereren in vitro gegevens dat een aantal door de FDA goedgekeurde geneesmiddelen remmen ASBT functie. Deficiënte FGF19 vrijlating verhoogt de lever galzuursynthese en laat in de darmen tot een niveau dat ASBT overweldigen. Ofwel ASBT disfunctie of FGF19 tekort verhoogt feCAL galzuren en kan chronische diarree veroorzaken en colon neoplasie te promoten. Helaas, instrumenten voor het meten van galzuren malabsorptie en de acties van drugs op galzuur transport in vivo zijn beperkt. De complexe werkingen van galzuren begrijpen, zijn technieken vereist dat gelijktijdige controle van galzuren in de darm en metabole weefsels mogelijk. Daarom hebben we een innovatieve werkwijze voor galzuur transport in levende dieren te meten met behulp van een combinatie van proton (1H) en fluor (F 19) magnetische resonantie beeldvorming (MRI) vatten. Nieuwe tracers fluor (F 19) -gebaseerde levende dieren MRI werden gemaakt en getest, zowel in vitro als in vivo. Sterke punten van deze aanpak zijn het ontbreken van blootstelling aan ioniserende straling en translationeel potentieel voor klinisch onderzoek en praktijk.
Introduction
Naast hun klassieke rol als detergentia dat vet in de darm te vergemakkelijken, zijn galzuren ontwikkeld tot krachtige signaalmoleculen beïnvloeden meerdere organen naast die verband houden met de enterohepatische circulatie 1,2. Naast het controleren van hun eigen metabolisme, galzuren moduleren verschillende aspecten van gastrointestinale fysiologie (bijvoorbeeld darmmotiliteit en incretinehormoon productie, colon fysiologie en kanker gevoeligheid) en systemische effecten op de vasculaire tonus, glucose en lipidemetabolisme en energiegebruik. Hoewel sommige van deze effecten tot stand in de darm, weer om postprandiale veranderingen in systemische galzuur niveaus, zoals in obese patiënten of na gastric bypass operatie. De complexe metabolische werkingen van galzuren nieuwe technologie vereist dat gelijktijdige controle van galzuur niveaus in verschillende anatomische compartimenten toestaat, in het maagdarmkanaal en meta helderenbolic weefsels (lever, pancreas, skeletspier en vetweefsel). Het verkrijgen van een dergelijke temporele en ruimtelijke informatie vereist innovatieve techniek – in vivo beeldvorming met behulp van nieuwe galzuur tracers zoals hier beschreven is zo'n nieuwe benadering.
Galzuur samenstelling en distributie in anatomische compartimenten worden gereguleerd door factoren die hun lever synthese en ileale opname, met inbegrip van voeding, chirurgie, gebruik van antibiotica en de veranderingen in de darmflora te moduleren. Een belangrijke regulator van intestinale galzuur opname vanwege hun enterohepatische circulatie 3 (figuur 1) is de dunne apicale natrium-afhankelijke galzuur Transporter (ASBT; SLC10A2). Hoewel passieve absorptie optreedt gedurende de darmen, ASBT medieert opname van 95% van intestinale galzuren zodat normaal beperkt is morsen van galzuren in de ontlasting. ASBT-deficiënte (Slc10a2 – / -) muizen fecale galzuren en een verminderde gal aci toegenomend zwembad 4.
Figuur 1: enterohepatische circulatie van galzuren.
Illustratie van enterohepatische circulatie waarbij galzuren worden in de lever gesynthetiseerd, uitgescheiden in de gal Boom, opgeslagen in de galblaas, vrij in de proximale dunne darm met maaltijden, en actief opgenomen via ASBT in de distale Ileum. Dat kleine hoeveelheden galzuren passief gehele darm geabsorbeerd worden ongeveer 95% van intestinale galzuren actief getransporteerd ASBT er nauwelijks (ongeveer 5%) verlies van de ontlasting die wordt gecompenseerd door een gelijke hoeveelheid nieuwe galzuur synthese de lever, waardoor het handhaven van een steady-state galzuren. De pijlen op de juiste identificatie van factoren die van invloed kunnen zijn autochtone en fluor gemerkte galzuur stabiliteit, met inbegrip van maagzuur, pancreas en intestinale slijmvlies enzymen, en, het meest importantly, hydrolytische enzymen vrijgegeven door Clostridium soorten die de distale dunne darm en dikke darm te koloniseren. (Gewijzigd met toestemming 16) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Galzuur malabsorptie kan worden onderverdeeld in drie typen, elk toeneemt fecale dihydroxy galzuren, waardoor intermitterende of chronische diarree veroorzaken. Type 1 gevolg is van grove ileale pathologie (bv, resectie, de ziekte van Crohn) 5. Type 3 resultaten van cholecystectomie, vagotomie, coeliakie, bacteriële overgroei en pancreas insufficiëntie. Daarentegen mensen met primaire (type 2) galzuur malabsorptie vormen een enorme diagnostische uitdaging omdat ze geen dergelijke voorafgaande voorwaarden niet aannemelijk pathologie in het ileum niet. Derhalve wordt primair galzuur malabsorptie vaak verkeerd gediagnosticeerd als diarree-predominant prikkelbare darmsyndroom (IBS-D), misschien wel de meest voorkomende reden voor gastro-enterologie gerelateerde poliklinische bezoeken. Er wordt geschat dat een derde van de patiënten met IBS-D primair galzuur malabsorptie; in de VS, kan dit een paar miljoen mensen 5 vertegenwoordigen. Recente inzichten geven aan dat de primaire BAM is afgeleid van een verminderde feedback remming van de lever galzuursynthese door intestinale fibroblast groeifactor-19 (FGF19), niet van verminderde expressie of functie van ASBT.
In primaire galzuren malabsorptie, lage plasmaspiegels van FGF19 niet af te sluiten hepatische galzuursynthese – de resulterende toename van intestinale galzuren verzadigd galzuur transporters, waaronder ASBT en augmented morsen van galzuren in de ontlasting veroorzaakt diarree 6 (Figuur 2). Deficiënte muizen in Fgf15 (muizen FGF19) hebben een uitgebreide galzuren en een verhoogde fecale galzuren 7.
<p class= "Jove_content">
Figuur 2: Mechanismen van Intestinal Bile Acid Malabsorptie.
Normaal, zoals getoond in panel A, ongeveer 95% van intestinale galzuren worden geabsorbeerd door actief transport in het distale ileum via ASBT. Wanneer ASBT expressie of activiteit wordt verminderd (paneel B), verminderde darm galzuur opname resulteert in verspilling van galzuren in de dikke darm. Met een verminderde FGF19 signalering (paneel C), het gebrek aan feedback remming van de lever galzuursynthese resulteert in verhoogde concentraties van intestinale galzuren dat ASBT transportcapaciteit met het morsen van galzuren in de dikke darm te overweldigen. Klik hier om een grotere versie te bekijken dit figuur.
Op lange termijn, chronische verhoging in fecal gal acids kan colon neoplasie te promoten. Colon neoplasie komt voort uit progressieve mucosale dysplasie geassocieerd met somatische genmutaties, maar omgevingsfactoren die fecale galzuren kan versnellen en versterken dit proces te verhogen. Bij knaagdieren, verhoogde fecale galzuren hetzij als gevolg van exogene toediening of ASBT deficiëntie bevorderen colon dysplasie en tumorvorming 8-10.
Met name provocerende bevindingen wijzen erop dat veel gebruikte drugs door de Food and Drug Administration (FDA) goedgekeurd krachtig remmen galzuur transport door ASBT in vitro 11. Als deze drugs, verminderen de dunne darm galzuur transport in vivo en het verhogen van fecale galzuur niveaus, zou de mogelijke impact op colon pathologie betrekking. Zelfs een kleine toename colon pathologie die aan het gebruik van een dergelijk geneesmiddel kan een belangrijk gezondheidsprobleem impact. Een toolkit die de plausibiliteit van deze in vitro bevindingen en epidemiologische ob kunnen beoordelenservations zou aanvullend onderzoek, met inbegrip van post-marketing onderzoek naar de veiligheid te bevorderen.
Ondanks de noodzaak praktische assays identificeren mensen met galzuren malabsorptie ontbreken. Directe meting van fecale galzuren werd jaren geleden afgewezen als omslachtig, onpraktisch en onbetrouwbaar 5. Alternatieve benaderingen omvatten het meten van het behoud van een radioactief selenium gemerkt cholinezuur derivaten (75 SeHCAT) en plasmaniveaus van 7α-hydroxy-4-cholesten-3-on (C4), of een therapeutisch proces galzuur bindmiddelen. 75 SeHCAT testing beperkte beschikbaarheid in Europa en is niet FDA-goedgekeurd of beschikbaar is voor gebruik in de VS zelfs bescheiden blootstelling aan straling (0,26 mSv / 75 SeHCAT test) van diagnostische tests geeft aanleiding tot bezorgdheid, en bacteriële overgroei en gevorderde leverziekte kan 75 SeHCAT resultaten verwarren. C4 testen potentieel aantrekkelijk aangezien alleen plasma nodig is, maar het heeft lage positieve voorspellende valUE en testen is niet algemeen beschikbaar. Meten serumniveaus van FGF19 heeft dezelfde beperkingen. Veel clinici toevlucht nemen tot een therapeutisch proces van galzuursequestranten, maar deze benadering kan geen definitieve diagnose galzuur malabsorptie 5.
Daarom werd een nieuwe benadering ontworpen om MRI galzuur transport en distributie in vivo meten met behulp innovatief multi-gefluoreerde galzuren (MFBA-MRI). MFBA met drie atomen van fluor (19 F), een stabiele isotoop van 100% natuurlijke abundantie, zijn eveneens getransporteerd naar natief galzuren 12, en kan worden gebruikt voor het visualiseren galzuur transport met een combinatie van proton (1H) en fluorine ( 19 F) MRI, een gevoelige, veilige methode zonder ioniserende straling blootstelling 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
De synthese van CA-lys-TFA en CA-sar-TFMA en de in vitro analyse van hun vervoer met stabiel getransfecteerde Madin-Darby niercellen van honden expressie ASBT en humane embryonale niercellen tot expressie de natrium / taurocholaat co-transporterende polypeptide (NTCP) elders gedetailleerd 13,14. Hier ligt de nadruk op de orale toediening van MFBA via een maagsonde aan dieren, gevolgd door de oogst van de galblaas, lever en bloed voor de analyse van MFBA inhoud leven en, met name, de beeldvorming MFBA…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health, National Institute of Diabetes en spijsvertering en Kidney Diseases (subsidie nummers R21 DK093406 en T32 DK067872 te JP.R.) en een VA Merit Award (licentienummer 1BX002129 te JP.R.).
Materials
| Duall size-21 all glass tissue grinder | Kimble Chase Life Science, Vineland, NJ | 885351-0022 | |
| Bruker BioSpec 70/30USR Avance III 7T horizontal bore MR Scanner | Bruker Biospin MRI GmbH, Germany | Use companion Paravision Version 5.1 software (see step 3.5) | |
| Bruker 40 mm 19F/1H dual-tuned linerar volume coil | Bruker Biospin MRI GmbH, Germany | Use companion Paravision Version 5.1 software (see step 3.5) | |
| Waters Acquity UPLC System with Quadrupole Detector | Waters Corporation, Milford, MA | ||
| Waters Acquity UPLC ethylene bridged hybrid C8 1.7 μm 2.1 X 50 mm column | Waters Corporation, Milford, MA | ||
| Gavage Needle | Braintree Scientific, INC. | N-010 | 20 G-1.5" curved 2.25mm ball |
| 2 Stainless Steel Hemostats | VWR | 10755-018 | 4 and 5 inch, straight |
| Ketamine | MWI Veterinary Supply | 501090 | Ketamin zetamine 100 mg / ml |
| Xylazine | Akorn, Inc. | 20 mg/ml | |
| Intraperitoneal Catheter | Abbott | AbbocathTM-T.I.V. G720-A01 4535-42 | 24-G x 0.75" |
References
- Thomas, C., Pellicciari, R., Pruzanski, M., Auwerx, J., Schoonjans, K. Targeting bile-acid signalling for metabolic diseases. Nat Rev Drug Discov. 7, 678-693 (2008).
- Vallim, T. Q., Edwards, P. A. Bile acids have the gall to function as hormones. Cell Metab. 10, 162-164 (2009).
- Dawson, P. A., Karpen, S. J. Thematic Review Series: Intestinal Lipid Metabolism: New Developments and Current Insights Intestinal transport and metabolism of bile acids. Journal of Lipid Research. 56, 1085-1099 (2015).
- Dawson, P. A., et al. Targeted deletion of the ileal bile acid transporter eliminates enterohepatic cycling of bile acids in mice. J Biol Chem. 278, 33920-33927 (2003).
- Pattni, S., Walters, J. R. Recent advances in the understanding of bile acid malabsorption. Br Med Bull. 92, 79-93 (2009).
- Walters, J. R., et al. A new mechanism for bile acid diarrhea: defective feedback inhibition of bile acid biosynthesis. Clin Gastroenterol Hepatol. 7, 1189-1194 (2009).
- Hofmann, A. F., Mangelsdorf, D. J., Kliewer, S. A. Chronic diarrhea due to excessive bile acid synthesis and not defective ileal transport: a new syndrome of defective fibroblast growth factor 19 release. Clin Gastroenterol Hepatol. 7, 1151-1154 (2009).
- Flynn, C., et al. Deoxycholic acid promotes the growth of colonic aberrant crypt foci. Mol Carcinog. 46, 60-70 (2007).
- Glinghammar, B., Rafter, J. Carcinogenesis in the colon: interaction between luminal factors and genetic factors. Eur J Cancer Prev. 8, S87-S94 (1999).
- Bernstein, C., et al. Carcinogenicity of deoxycholate, a secondary bile acid. Arch Toxicol. 85, 863-871 (2011).
- Zheng, X., Ekins, S., Raufman, J. P., Polli, J. E. Computational models for drug inhibition of the human apical sodium-dependent bile acid transporter. Mol Pharm. 6, 1591-1603 (2009).
- Vivian, D., et al. Design and characterization of a novel fluorinated magnetic resonance imaging agent for functional analysis of bile Acid transporter activity. Pharm Res. 30, 1240-1251 (2013).
- Vivian, D., et al. Design and evaluation of a novel trifluorinated imaging agent for assessment of bile acid transport using fluorine magnetic resonance imaging. J Pharm Sci. 103, 3782-3792 (2014).
- Vivian, D., et al. In vivo performance of a novel fluorinated magnetic resonance imaging agent for functional analysis of bile acid transport. Mol Pharm. 11, 1575-1582 (2014).
- Raufman, J. P., et al. In Vivo Magnetic Resonance Imaging to Detect Biliary Excretion of 19F-Labeled Drug in Mice. Drug Metab Dispos. 39, 736-739 (2011).
- Ridlon, J. M., Kang, D. J., Hylemon, P. B. Bile salt biotransformations by human intestinal bacteria. J Lipid Res. 47, 241-259 (2006).
- Frisch, K., et al. N-methyl-11C]cholylsarcosine, a novel bile acid tracer for PET/CT of hepatic excretory function: radiosynthesis and proof-of-concept studies in pigs. J Nucl Med. 53, 772-778 (2012).
