هنا، فإننا نقدم نموذجا قوية والفسيولوجية دراسة الآليات الجزيئية الكامنة وراء إفراز هرمون القناة الهضمية والامتصاص المعوي – الأمعاء الدقيقة الفئران المعزولة perfused.
القناة الهضمية هو أكبر جهاز الغدد الصماء في الجسم، وإنتاج الهرمونات الببتيد مختلفة أكثر من 15 التي تنظم المدخول الشهية والطعام والهضم وامتصاص العناصر الغذائية والتوزيع والرحلات الجلوكوز بعد prandial. فهم الآليات الجزيئية التي تنظم إفراز هرمون الأمعاء أمر أساسي لفهم وترجمة القناة الهضمية هرمون فسيولوجيا. تقليديا، الآليات الكامنة وراء إفراز هرمون القناة الهضمية هي أما الدراسة المجراة في (في البشر أو الحيوانات التجريبية) أو استخدام القناة الهضمية إفراز هرمون الابتدائية المخاطية خلية الثقافات أو خطوط الخلية. هنا، نحن نقدم الأمعاء معزولة الفئران perfused كأسلوب بديل لدراسة إفراز هرمون القناة الهضمية. فضائل هذا النموذج أنها تعتمد على القناة الهضمية سليمة، بمعنى أنه يجمل معظم المعلمات الناحية الفسيولوجية الهامة المسؤولة عن إفراز في الدراسات المجراة في، بما في ذلك استقطاب الغشاء المخاطي والعلاقات باراكريني وطرق التعرض التروية/التحفيز. وبالإضافة إلى ذلك، وخلافا للدراسات المجراة في الأمعاء المعزولة الفئران perfused يسمح للسيطرة الكاملة تقريبا على التجريبية والتقييم المباشر لإفراز. وعلى النقيض من الدراسات في المختبر، فمن الممكن لدراسة الحجم وديناميكية لإفراز، وإلى معالجة المسائل الهامة، مثل ما هي المحفزات يتسبب في إفراز هرمونات القناة الهضمية المختلفة، من أي جانب من القناة الهضمية (لومينال أو الأوعية الدموية) إفراز وحفز، وتحليل بالتفصيل المجسات الجزيئية الكامنة وراء الاستجابة الافرازية. وبالإضافة إلى ذلك، الإعداد نموذج قوية لدراسة الامتصاص المعوي، والتفاصيل المتعلقة بالقوى المحركة لامتصاص الأمعاء بما في ذلك الناقلون مسؤولة.
القناة الهضمية هو أكبر جهاز الغدد الصماء في الجسم، وإنتاج الهرمونات الببتيد مختلفة أكثر من 15 التي تنظم امتصاص العناصر الغذائية والتصرف في المواد الغذائية، ونمو الأمعاء وتعدل الشهية1. هرمونات القناة الهضمية، لذلك، تشارك في العديد من العمليات الفسيولوجية الأساسية، وفهم هذه الأنماط من إفراز والتفاصيل الجزيئية التي تتحكم في إفراز الهرمونات كل منهما مهم وبالتالي لدينا الأساسية الفسيولوجية فهم ومعالجة الجوانب المتعدية للقناة الهضمية هرمون الإجراءات؛ ولكن كيف يمكن أحد دراسة آليات الاستشعار الجزيئية الكامنة وراء إفراز هرمون القناة الهضمية؟ وبصفة عامة، يمكن دراستها في الكائنات الحية سليمة (البشر أو الحيوانات التجريبية)، من الأعمال التحضيرية الأمعاء المعزولة أو من القناة الهضمية الثقافات الخلية الابتدائية إفراز هرمون إفراز هرمون أو خلد خلية الثقافات2،3، 4 , 5 , 6-لدينا النموذج المفضل هو الأمعاء الدقيقة الفئران المعزولة perfused، التي تعد نموذجا ذات صلة فسيولوجيا يسمح إفراز هرمونات القناة الهضمية دراستها بالتفصيل مع الوقت الأمثل القرار (إفراز معدلات يمكن أن يتحدد بأي وقت قاعدة وصولاً إلى الثانية)، ومن المرجح النتائج التحويل حالة المجراة في7. هنا، نحن نقدم بروتوكول مفصلة حول كيفية تنفيذ هذا الإجراء، ولكن أولاً سوف نناقش أساليب أخرى لدراسة إفراز هرمون القناة الهضمية، بما في ذلك الفوائد والقيود المفروضة على هذه النماذج مقارنة بالفئران المعزولة perfused الأمعاء.
إذا كان أحد يرغب في تحديد ما إذا كان مركب معين ينظم إفراز بعض هرمونات القناة الهضمية، دراسات في البشر هي الهدف النهائي. وهكذا، إذا كان مركب يبين آثار كبيرة على إفراز هرمونات القناة الهضمية واحد أو عدة في القوارض (في فيفو أو بيرفوسيونس) أو من هرمون إفراز الخلايا (خطوط الخلية أو الخلايا الأولية)، هذا التأثير فقط ذات الصلة بالطب وعلم وظائف الأعضاء البشرية إذا أنه يمكن تأكيد في البشر. ومع ذلك، هناك حدود واضحة لنوع الدراسات التي يمكن أن يؤديها في البشر، والدراسات المجراة في الحيوانات التجريبية كثيرا، ولذلك، ثاني أفضل خيار لمثل هذه الدراسات. الفئران والجرذان هي الحيوانات التجريبية الأكثر استخداماً يفترض بسبب حجمها مريحة ومنخفضة التكلفة وخيار وراثيا يغير الجينات المشتبه في تورطهم في أسئلة الدراسة محددة (مثلاً، ضرب من أصل نقل بعض أو مستقبلات). وبصفة عامة، في النماذج الحية تستفيد من كونها سليمة من الناحية الفسيولوجية، ولكن لها أيضا العديد من القيود. والأهم الحجم الصغير للقوارض، خاصة من الفئران، عاملاً مقيداً، كما تتطلب معظم فحوصات للقناة الهضمية الهرمون الكمي على الأقل 20 ميليلتر البلازما (وغالباً أكثر بكثير)، مما يعني أن مالا يقل عن 100 ميليلتر من الدم قد سحب لجعل نسخة مكررة القياس الكمي. ولذلك، من الممكن فقط للحصول على عينات قليلة جداً المقابلة لخط الأساس العينات وعينات التحفيز بعد واحد أو اثنين (وحجم الدم الإجمالي في ماوس غ 20 مل ~1.4). ونتيجة لذلك، الاستجابات المحتملة الافرازية (مثلاً، وسرعة أو تأخر حدوث استجابات) قد غاب عن ذلك.
في طراز التروية، هو التغلب على هذه المشكلة، كعينة كبيرة ويتم الحصول على وحدات التخزين (معدل التدفق: 7.5 مل/دقيقة) وفترات جمع يمكن تعديلها حسب الحاجة لضمان عدم ضياع الردود السريعة وقصيرة الأمد (ونحن جمع عينات كل دقيقة)7 . هناك مسألة أخرى مع في الدراسات فيفو في القوارض هو أن معظم هرمونات القناة الهضمية أكثر سرعة القضاء أو استقلاب من البشر8،،من910، مما قد يؤدي إلى تعقيد التحليل الكيميائية الحيوية اللاحقة. على سبيل المثال، أظهرنا أن يتم استقلاب GLP-1 في الفئران معدل أسرع حتى من البشر (حيث هو T1/2 1-2 دقيقة11)، والأهم من ذلك، ينطوي الانقسام ومن GLP-1 في الفئران، بالإضافة إلى الانقسام الطرفي ن ب ديبيبتيديل-بيبتيداسي-4 (DPP4) (وهو إنزيم المهينة GLP-1 الرئيسية في البشر)، المزيد من الانقسام ومحايدة endopeptidase 24.11 إنزيم12. ونتيجة لذلك، إلى حد كبير فحوصات التجارية الحالية للتحديد الكمي ل GLP-1، التي تقوم أما على isoform سليمة GLP-1 (7-36amide) أو إيسوفورم الحزب الديمقراطي التقدمي-4 المشقوق (9-39amide)، يقلل من إفراز GLP-1 في الفئران، ويؤدي إلى نتائج مضللة 12-في الأمعاء الدقيقة الفئران المعزولة perfused، معظم التمثيل الغذائي للهرمونات يفرزها هو إلغاء أو تخفيض ملحوظ، حيث يتم تجنب تدهور بوساطة البلازما، ويمنع استخراج/تدهور الكبد/الكلي/الرئة (بسبب بيرفوساتي هو جمع كما أنه يترك القناة الهضمية).
وبطبيعة الحال، فكرة هامة يمكن إنشاؤها بواسطة استخدام الحيوانات المحورة وراثيا، مثل، الصوديوم-الجلوكوز الناقل-1 خروج المغلوب الفئران13، لكن يتطلب إجراء تقييم مفصل لأجهزة الاستشعار الجزيئية المشاركة في إفراز غالباً النظر في العديد من مواقع الجزيئية، تتراوح بين الناقلين الجزيئية للقنوات الأيونية ومن مستقبلات مختلفة إلى جانب البروتين ز للبروتينات داخل الخلايا. على سبيل المثال، نحن تستهدف نشاط تسعة مواقع الجزيئية مختلفة عندما كشف أجهزة الاستشعار الجزيئية المسؤولة عن تحفيز الجلوكوز إفراز GLP-17. لن يكون إجراء تحقيق مماثل ممكن المجراة في بعض المركبات المستخدمة يكون غير محدد أو الآثار الضارة/القاتلة. على سبيل المثال، عند استخدام القناة الهضمية بيرفوسيد، كان من الممكن لتقييم دور استقلاب الجلوكوز داخل الخلايا لإفراز GLP-1 ونيوروتينسين بعرقلة تشكيل ATP مع14 من 2-4-دينيتروفينول7،، فضلا عن دور قنوات الكالسيوم الجهد عن طريق بوابة للأحماض الصفراوية تحفز إفراز GLP-1 و NT وبيي3. في الواقع، يمكن تطبيق تيدرودوتاكسين مانع قناة الصوديوم شديدة السمية بنجاح في الدراسات التروية. وأخيراً، في نموذج التروية يمكن مباشرة تقييم فيها في الأمعاء يحفز مركب معينة إفراز هرمون معينة، كما المحقق ببساطة اختيار وإعداد المنطقة المطلوب نتخلل، وفي الوقت نفسه فإنه يمكن أن يحقق ما إذا كانت الأسباب حافزا إفراز بتنشيط أجهزة الاستشعار الجزيئية من جانب لومينال أو الأوعية الدموية الأمعاء3،،من1516.
استخدام آليات الافرازية الأساسية إفراز هرمون القناة الهضمية قد أيضا أن تدرس قطع أنسجة القناة الهضمية (بما في ذلك الأنسجة البشرية)، ثقافات المعوية الأولية (عادة من الفئران)، خلد هرمون إفراز خطوط الخلايا (للماوس أو الأصل البشري)، بالقناة الهضمية الأنسجة المركبة في الدوائر أوسينج أو أورجانويدس (سواء في أغلب الأحيان من الفئران)2،3،4،،من56،،من1718. مقارنة بيرفوسيونس المعوية، دراسات بشأن قطع القناة الهضمية البشرية والثقافات الخلية الأولية وخطوط الخلية هي أسهل من الناحية الفنية لأداء وهي أسرع وأرخص وسيلة لتوليد البيانات، ولكن بطبيعة الحال يتطلب دراسة قطع القناة الهضمية الوصول إلى القناة الهضمية البشرية الطازجة العينات. ومع ذلك، في هذه النماذج استقطاب الخلية العادية للقناة الهضمية المفقودة أصلاً، بمعنى أنه لا يمكن استخدام هذه النماذج لتقييم التنشيط العادي من أجهزة الاستشعار الجزيئية، وعمليات الاستيعاب أيضا لا يمكن أن تدرس. وعلاوة على ذلك، تستخدم هذه الدراسات عادة إينكوباتيونس ثابتة (لتصل إلى ح عدة) الذي هو الغاية غير الفسيولوجية ولا علاقة له مع ديناميات الخلايا الافرازية العادي، لأنه لا يتم إزالة المنتج يفرزها ومما قد يؤثر على ردود الفعل إفراز الهرمونات. وفي المقابل، في الأمعاء بيرفوسيد، جزيئات يفرزها واستيعابها كفاءة إزالة بدوران الأوعية الدقيقة المخاطية كما الحية، ضمان الإبقاء على التدرجات ترانسموكوسال حيث يمكن أن يحدث امتصاص وإفراز بمعدل طبيعي. وعلاوة على ذلك، قد يكون ديديفيرينتياتيد الثقافات الخلية من أصلهم خلية انتيروندوكريني الأصلي، بمعنى أنها لم تعد الممثل للخلايا الأصلية من حيث المحتوى الببتيد والتعبير عن أجهزة الاستشعار الجزيئية، على الرغم من أنها قد لا تزال إفراز الهرمون في السؤال. على سبيل المثال، هذا هو الحال بالنسبة للخلية المبيضي GLP-1 خطوط19.
أنها، لذلك، رأينا أن الثقافات الخلية الأولية أو الخلية خط الدراسات الأكثر ملاءمة لأغراض الفرز وأداء أنواع التجارب التي لا يمكن أن يؤديها في فيفو أو في القناة الهضمية perfused معزولة. على سبيل المثال، هو قوة حقيقية الخلية الابتدائية الثقافات والثقافات خط الخلية الثانوية داخل الخلوية أن الرسل (مثل Ca2 +، مخيم، NAD(P)H) يمكن رصدها في الوقت الحقيقي، والإشارات الكهربائية من هرمون إفراز الخلايا يمكن أن تكون التحقيق في20،،من2122. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتم siRNA ضربة قاضية، وهي مفيدة بشكل خاص إذا كانت مثبطات محددة غير متاح20،،من2122،،من2324. واستخدمت أنسجة القناة الهضمية من الفئران التي شنت في الدوائر أوسينج مؤخرا لدراسة الآليات الجزيئية الكامنة وراء حفز إفراز GLP-1 حامض الصفراء، بينما أورجانويدس المعوية (من الفئران) وقطع القناة الهضمية البشرية قد استخدمت أيضا لدراسة تفاصيل الجزيئية للقناة الهضمية إفراز هرمون17،25. في حين أن الفوائد السابقة من أن الاستقطاب2 جميع هذه النماذج تنطوي إينكوبيشنز ثابتة. دراسات بشأن قطع القناة الهضمية البشرية، إلا أن تستفيد من استخدام الأنسجة البشرية، بدلاً من القوارض، هو أمر مهم منذ اختلاف الأنواع في التعبير الأنسجة مستقبلات 7TM والناقلين الجزيئية قد يسفر عن مسارات الاستشعار الجزيئية مختلفة بين الأنواع. وفي الحقيقة، معظم البيانات في هذا الحقل تم إنشاؤها بواسطة الدراسات على الخنازير، الفئران أو الجرذان، وأنه لا يزال بعيد المنال، ما إذا كان يمكن نقل هذه النتائج إلى البشر. بيد أنه من المطمئن أنه يبدو أن آليات الاستشعار الجزيئية التي تكمن وراء حفز الجلوكوز إفراز GLP-1 مماثلة بين الماوس وفار، والرجل، وكشف ترانسكريبتوميك والتنميط بيبتيدوميك الماوس ولالخلايا البشرية قوي عالمية أوجه التشابه بين هذين النوعين7،18،،من2627.
ومع ذلك، قد الفئران المعزولة perfused الأمعاء الدقيقة، أيضا بعض القيود التي يجب أن تعتبر. الأهم من ذلك، من المستحيل تحديد ما إذا كانت استجابة افرازية معينة ناتجة عن التنشيط المباشر بمضمون اختبار الخلايا المنتجة لهرمون المستهدفة أو بالأحرى بسبب إليه غير مباشرة. على سبيل المثال، بوكل يزيد على الفور إفراز GLP-1 من الأمعاء بيرفوسيد7، ولكن لا يزال غير معروف ما إذا كان هذا هو نتيجة ل depolarization المباشرة للأم-الخلية أو ناتجة عن ديبولاريزيشن من الخلايا العصبية القريبة من L-الخلايا أو آثار في الوقت نفسه أطلق سراح paracrine المنبهات/مثبطات. البيانات الناشئة عن الدراسات باستخدام الأمعاء بيرفوسيد التي تهدف إلى توضيح الآليات الجزيئية الكامنة وراء إفراز ينبغي، ولذلك دائماً أن توضع في سياق مع البيانات التي تم الحصول عليها من نماذج أخرى أكثر تحديداً لزيادة القدرة على إنشاء العلاقة السببية. على سبيل المثال، حفزت الجلوكوز إفراز GLP-1 من خط خلية المبيضي GLP-1 جلوتاج28،29 ومن الماوس الأساسي لالخلايا تعتمد على نشاط الناقلين الجلوكوز (SGLT1 و GLUT2). حجب هذه الناقلين في الأمعاء perfused الفئران كما يخفف إفراز20، بمعنى أنه من المرجح أن تحفز الجلوكوز إفراز GLP-1 هو إلى حد كبير بوساطة من الإجراءات المباشرة الجلوكوز في الخلية-L. قيد هام آخر من الأمعاء perfused معزولة بعض من الدهون صعوبة في الدراسة بسبب ما هيدروفوبيسيتي. على الرغم من أنه من الممكن للتحقيق في المنتجات النهائية لهضم الدهون (الأحماض الدهنية، جليسيرولس دياسيل، ليسوفوسفاتيديلجليسيرولس، إلخ) وعلى الرغم من أن الإعداد قد تكون قادراً على إعادة استيريفي الدهون داخل سيلولارلي وربما حزمة لهم في هو تعطل chylomicrons، والنقل ل chylomicrons خارج الخلايا وعلى امتصاص لاكتيلس الزوائد اللاحقة، إذ لا يمكن تأمين تدفق الليمفاوية في الأمعاء المعزولة. على الأرجح، ولذلك امتصاص الدهن توقف بمجرد بدء استيعاب المنتجات التي تتراكم في الخلايا. نظم الخلايا في المختبر حتى أقل ملاءمة للدراسات الدهن بسبب افتقارها إلى الاستقطاب. ومن الواضح أن هذا القيد هو فقط ذات الصلة للدهون التي يتم استيعابها وتنقل عبر لاكتيلس، بينما تلك التي استوعبت عبر الأوعية الدموية المعوية من المرجح أن تعامل عادة.
الأمعاء الدقيقة الفئران المعزولة perfused هو أداة قوية لبحث يسمح لديناميات والآليات الجزيئية الكامنة وراء إفراز هرمون القناة الهضمية دراستها بالتفصيل. أن الخطوة الأكثر أهمية للنجاح في إنتاج البيانات بهذا النموذج هو العملية الجراحية. التعامل مع القناة الهضمية حتما سوف يسبب بعض الضرر للامعا?…
The authors have nothing to disclose.
هذا العمل وأيده على منحة غير مقيد إلى البروفيسور ينس يول هولست من مركز نوفو نورديسك “البحوث الأساسية الأيضية” (نوفو نورديسك مؤسسة، الدانمرك)، منحة منفصلة من مؤسسة نوفو نورديسك للقيام بدراسات نضح القوارض (منحة لا. NNF15OC0016574)، منحة إلى الأستاذ هولست من مجلس البحوث الأوروبي (منحة no.695069) والاتحاد theEuropean في “البرنامج الإطاري السابع” للبحوث، تيتشنولوجيكالديفيلوبمينت، وأنشطة البيان العملي (المنحة رقم 266408)، فضلا عن مأزق منحة لكوري أ رون من مؤسسة Lundbeck (R264-2017-3492). ونحن نشكر جينا هاء هانت وكارولين ف. الشماس لتصحيح التجارب المطبعية حذراً.
Chemicals for perfusion buffer | |||
Bovine serum albumin (BSA) | Merck | 1.12018.0500 | |
Calcium chloride dihydrate (CaCl2 x 2 H2O) | Merck | 102382 | |
Dextran 70 | Pharmacosmos | 40014 | |
Fumaric acid disodium salt (C4H2Na2O4) | Sigma Aldrich | F9642 | |
Glucose (C6H12O6) | Merck | 108342 | |
Magnesium sulfate hepatahydrate (MgSO4) | Merck | 105886 | |
Potasium chloride (KCl) | Merck | 104936 | |
Potassium dihydrogen phosphate (KH2PO4) | Merck | 104873 | |
Pyruvic acid sodium salt (C3H3NaO4) | Merck | 106619 | |
Sodium bicarbonate (NaHCO3) | Merck | ||
Sodium chloride (NaCl) | Merck | 106404 | |
Sodium L-glutamate monohydrate (C5H8NNaO4 x H2O) | Merck | 106445 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Perfusion equitment | |||
Universial perfusion system | Harvard Bioscience, Inc. | 732316 | |
BASIC UNIT UNIPER UP-100, TYPE 834 | Harvard Bioscience, Inc. | ||
Roller Pump, with four channels | Harvard Bioscience, Inc. | 730100 | |
Windkessel | Harvard Bioscience, Inc. | 732068 | |
Thermostatic Circulator,Bath Volume 3L, 230V/50Hz | Harvard Bioscience, Inc. | 730125 | |
Operating table, heated on tripod stand, type 873 | Harvard Bioscience, Inc. | 733776 | |
Cannula with basked, OD= 2.0mm, ID= 1.0mm | Harvard Bioscience, Inc. | 733313 |