Summary

微生物肠道血屏障及肝脏代谢的体内评价方法

Published: October 20, 2018
doi:

Summary

营养物质、微生物代谢物和药物进入血液循环的途径由肠道血屏障 (GBB) 控制。我们描述了一种直接测量体内 GBB 通透的方法, 与常用的间接方法相比, 它几乎不受肝肾功能的影响。

Abstract

肠道血屏障 (GBB) 控制养分、细菌代谢物和药物从肠道腔到血液的通道。GBB 完整性在胃肠道、心血管和代谢疾病中受到干扰, 这可能导致生物活性化合物 (如肠道细菌代谢物) 更容易进入血液。因此, GBB 的通透性可能是肠道和肠外疾病的标志物。此外, 细菌代谢物的渗透率增加可能影响整个机体的功能。

研究 GBB 通透性的常用方法是在体内进行。这些方法的准确性是有限的, 因为 GBB 的功能取决于肠道血流。另一方面, 通常使用的活体方法可能有偏见的肝脏和肾脏的表现, 因为这些方法是基于评估尿液或/和外周血浓度的外源标记。在这里, 我们提出了一种直接测量大鼠 GBB 通透性的方法, 采用基于门静脉采血的活体法, 可保持肠道血流, 几乎不受肝肾功能的影响。

聚氨酯导管插入门静脉和下腔静脉刚好高于肝静脉汇合处。血液在基线和被选择的标记的管理后被取样到胃肠道的所需部分。在这里, 我们提出了一些应用的方法, 包括 (1) 结肠通透性对 tma, 肠道细菌代谢物的评价, (2) tma 肝清除率的评价, 和 (3) 肠道门静脉血-肝-外周血通路的评价细菌衍生的短链脂肪酸。此外, 该协议还可用于跟踪药物的肠道吸收和肝脏代谢或门静脉血压测量。

Introduction

肠道血屏障 (GBB), 也被称为肠道屏障, 是一个复杂的多层系统, 分离肠道腔与血液, 以限制有害化合物的通过, 同时允许营养素的吸收1。它由三主要层组成: 粘液层、上皮和固有。

许多因素可能影响 GBB 的完整性和功能2。已经表明, GBB 在胃肠道和肠外疾病, 包括心血管和代谢疾病3, 这可能导致肠道细菌代谢物的通过增加到血液4的紊乱。肠道细菌代谢物的渗透增加可能影响整个机体的功能。例如, 最近的研究显示, 细菌代谢产物, 如吲哚, H2S, 短链脂肪酸 (欢迎) 和三甲胺 n-氧化物, 在循环系统功能5,6,7 显著影响,8,9。最后, 有人建议, 增加的 GBB 渗透率可以作为心血管和代谢疾病的标志, 与形态学和功能改变在肠道10。因此, 跟踪细菌代谢物的肠道门血-肝系统血液通路可能对基础和临床科学有兴趣。

常用的实验方法对 GBB 通透性进行体外检测, 使用切除肠段、粘膜片段或人工膜1112。这些方法的准确性受到损害的事实, GBB 的正常运作需要恒定的肠道血流。另一方面, 可用的活体方法是基于对外源标记13的尿液或外周血浓度的评估。但是外源性化合物的外周血和尿液浓度受肾脏功能的影响,肾小球滤过率和管状排泄, 以及肝脏代谢,第一次代谢。两个参数在独立于 GBB 函数的研究对象之间可能有显著差异。

本文介绍了用门静脉采血法直接测定大鼠 GBB 通透性的方法。这种在体内的方法保留肠道血流, 几乎不受肝脏和肾脏功能的影响。所描述的方法并不常用, 可能是因为一些方法上的困难。我们详细描述了门静脉导管和下腔静脉在肝静脉汇合上方的插管。从门静脉和下腔静脉的血液取样允许评估 GBB 通透性和肝脏清除, 以及跟踪胃肠门血-肝系统血液通路的兴趣分子, 如肠道细菌代谢物或药物。我们还介绍了在我们的实验室测试的方法的几个应用。这些包括对 tma 的结肠通透性的评估, 肠道细菌代谢物, tma 的肝清除率的评价, 和欢迎的肠门血-肝-系统血通路的评价。

为了评估肠血屏障通透性, 应遵循以下协议步骤, 按顺序: 1 (插入 intraintestinal 管理线), 3 (门静脉导管), 4 (门静脉血取样), 6 (肠道通透性标记的管理), 4

为了评估肝脏清除和肠道门血-肝系统的血液通路, 应遵循以下协议步骤, 按顺序: 1 (插入 intraintestinal 行政部门的行), 2 (下腔静脉导尿), 3 (门静脉导管), 4 (门静脉血采样), 5 (下腔静脉采血), 6 (胃肠通透性标记的管理), 4, 5, 7 (肝间隙的计算).

Protocol

根据指令2010/63 欧盟对用于科学目的的动物进行保护, 并经华沙当地生物伦理委员会批准, 对雄性京都大鼠进行了实验。 1. 插入 Intraintestinal 管理的线路 注意:在这里, 我们建议使用导管 intracolonic 管理标记。它可以通过口服或灌胃在消化道的不同级别 (如胃或十二指肠) 进行修改。切记使用一次性手术服, 包括手术服、兜帽和手套, 并确保遵…

Representative Results

成功测定了大鼠 GBB 通透性和肝清除率。我们已经证明高血压大鼠与血压正常大鼠相比, 其结肠通透性增加到 TMA (图 2)4。在另一项研究中, 我们发现高盐摄入不会影响 TMA 的 GBB 通透性和肝间隙 (图 3)14。 测量粪便、门血和外周血中欢迎的浓度, 我们…

Discussion

直接,在体内, 测量 GBB 渗透率的方法保持胃肠系统中的 closetophysiological 条件 (保留肠道血流), 几乎不受肝肾功能的影响。

这项技术的关键步骤是插入门导管。这必须在同一时间轻轻和果断地完成。轻微, 短出血可能发生从正确执行的门静脉穿刺;但是, 当针头插入容器时, 它会停止。持续出血表明门静脉穿孔。为便于导管插入, 门静脉应充分暴露。exteriorizing 肠后, 肠系膜?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了波兰科学和高等教育部的支持, 钻石赠款号: DI2017 009247。

Materials

Needle OD: 9 mm Becton Dickinson  S.A. 301300
Polyethylene catheter ID: 0.025", OD: 0.040"  Scientific Commodities, Inc. #BB520-40
Polyethylene catheter ID: 0.012", OD: 0.025"  Scientific Commodities, Inc. #BB520-25
C-Flex Tubing,Opaque White 1/50"ID x 1/12 " OD   Cole-Parmer Instrument Co. 06424-59
Pediatric Foley catheter (size 10F or 8F)  Sigmed 0000 80305
Surgical ligatures 3/0 Yavo Sp. Z o.o.  P48JE
Absorbable surgical sutures – Polyglactine 910 4/0 KRUUSE Polska Sp. Zo.o. 152336
Tissue glue – Loctite 454Cyanoacrylate Adhesive Loctite  1370127
Povidone iodine EGIS Pharmaceuticals PLC 4449 11
Heparin – Heparinium WZF  WZF Polfa S.A. 02BK0417 Dilute 10 times with physiological saline
Glycerin 86% Laboratorium Farmaceutyczne Avena 5.90999E+12 Serves as a lubricant in colon catheterization
Xylocaine 2% AstraZenca  9941342
Urethane Sigma-Aldrich (Merck)  U2500-500G
Trimethylamine solution 45% Sigma-Aldrich (Merck)  92262-1L
Syringes 2 mL B.Braun Melsungen AG 4606027V
Saline 250 mL Fraesenius Kabi Polska Sp. Z o.o. 15LL707WL
Surgical scissors, straight, length 115 mm, 4 1/2 "blunt ends Braun NS-010-115-PKM
Artery forceps type Micro-Adson bent, length 140 mm 5 1/2 " Braun KN-008-140-ZMK
Anatomic forceps, lenght 95 mm, 3 3/4" sharp 0.7×0.55 Braun PO-001-007-ZMK
Micro Scissors type Vannas,  straight, lenght 85 mm, 3 3/8 " the length of the blades 6 mm Braun  NO-010-085-PMK
Towel clamps type Backhouse, lenght 130 mm, 5 1/8"  Braun HO-128-130-PMK
Needle holders, lenght 150 mm, 6" t=0.4 1/2  Braun  IM-927-150-PZMK
Delicate Scissors, lenght 110 mm , straight, 4 3/8” sharp  Braun NO-052-110-PMK
Anatomic forceps, lenght 95 mm, 3 3/4" sharp Braun PO-022-001-PMK

References

  1. Camilleri, M., Madsen, K., Spiller, R., Greenwood-Van Meerveld, B., Verne, G. N. Intestinal barrier function in health and gastrointestinal disease. Neurogastroenterology and Motility: The Official Journal of the European Gastrointestinal Motility Society. 24 (6), 503-512 (2012).
  2. Keita, A. V., Soderholm, J. D. The intestinal barrier and its regulation by neuroimmune factors. Neurogastroenterology and Motility: The Official Journal of the European Gastrointestinal Motility Society. 22 (7), 718-733 (2010).
  3. Farhadi, A., Banan, A., Fields, J., Keshavarzian, A. Intestinal barrier: an interface between health and disease. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 18 (5), 479-497 (2003).
  4. Jaworska, K., et al. Hypertension in rats is associated with an increased permeability of the colon to TMA, a gut bacteria metabolite. PloS one. 12 (12), e0189310 (2017).
  5. Fujii, H., Nakai, K., Fukagawa, M. Role of oxidative stress and indoxyl sulfate in progression of cardiovascular disease in chronic kidney disease. Therapeutic Apheresis and Dialysis: Official Peer-Reviewed Journal of the International Society for Apheresis, the Japanese Society for Apheresis, the Japanese Society for Dialysis Therapy. 15 (2), 125-128 (2011).
  6. Tomasova, L., et al. Intracolonic hydrogen sulfide lowers blood pressure in rats. Nitric Oxide: Biology and Chemistry. 60, 50-58 (2016).
  7. Brahe, L. K., Astrup, A., Larsen, L. H. Is butyrate the link between diet, intestinal microbiota and obesity-related metabolic diseases?. Obesity Reviews: An Official Journal of the International Association for the Study of Obesity. 14 (12), 950-959 (2013).
  8. Ufnal, M., et al. Trimethylamine-N-oxide: a carnitine-derived metabolite that prolongs the hypertensive effect of angiotensin II in rats. The Canadian Journal of Cardiology. 30 (12), 1700-1705 (2014).
  9. Huc, T., Nowinski, A., Drapala, A., Konopelski, P., Ufnal, M. Indole and indoxyl sulfate, gut bacteria metabolites of tryptophan, change arterial blood pressure via peripheral and central mechanisms in rats. Pharmacological Research. 130, 172-179 (2018).
  10. Ufnal, M., Pham, K. The gut-blood barrier permeability – A new marker in cardiovascular and metabolic diseases?. Medical Hypotheses. 98, 35-37 (2017).
  11. Le Ferrec, E., et al. In vitro models of the intestinal barrier. The report and recommendations of ECVAM Workshop 46. European Centre for the Validation of Alternative methods. Alternatives to Laboratory Animals: ATLA. 29 (6), 649-668 (2001).
  12. Bohets, H., et al. Strategies for absorption screening in drug discovery and development. Current Topics in Medicinal Chemistry. 1 (5), 367-383 (2001).
  13. Grootjans, J., et al. Non-invasive assessment of barrier integrity and function of the human gut. World Journal of Gastrointestinal Surgery. 2 (3), 61-69 (2010).
  14. Bielinska, K., et al. High salt intake increases plasma trimethylamine N-oxide (TMAO) concentration and produces gut dysbiosis in rats. Nutrition. 54, 33-39 (2018).
  15. Clarke, L. L. A guide to Ussing chamber studies of mouse intestine. American journal of physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology. 296 (6), G1151-G1166 (2009).
  16. Denno, D. M., et al. Use of the lactulose to mannitol ratio to evaluate childhood environmental enteric dysfunction: a systematic review. Clinical Infectious Diseases: An Official Publication of the Infectious Diseases Society of America. 59 Suppl 4, S213-S219 (2014).
  17. Lugea, A., Salas, A., Casalot, J., Guarner, F., Malagelada, J. R. Surface hydrophobicity of the rat colonic mucosa is a defensive barrier against macromolecules and toxins. Gut. 46 (4), 515-521 (2000).
  18. Bloemen, J. G., et al. Short chain fatty acids exchange across the gut and liver in humans measured at surgery. Clinical Nutrition. 28 (6), 657-661 (2009).
  19. Huc, T., et al. Colonic hydrogen sulfide produces portal hypertension and systemic hypotension in rats. Experimental Biology and Medicine. 243 (1), 96-106 (2018).

Play Video

Citer Cet Article
Jaworska, K., Huc, T., Gawrys, M., Onyszkiewicz, M., Samborowska, E., Ufnal, M. An In Vivo Method for Evaluating the Gut-Blood Barrier and Liver Metabolism of Microbiota Products. J. Vis. Exp. (140), e58456, doi:10.3791/58456 (2018).

View Video