Crohn Hastalığında Mekanik Stresin Patojenik Rolünü İncelemek için TNBS Kaynaklı Bir Kemirgen Modeli
Summary
Mevcut protokol, kemirgenlerde Crohn benzeri bir kolit modelinin gelişimini açıklamaktadır. Transmural inflamasyon TNBS damlatma bölgesinde darlığa yol açar ve darlığa yakın segmentte mekanik genişleme gözlenir. Bu değişiklikler kolitte mekanik stresin incelenmesine izin verir.
Abstract
Crohn hastalığı (CD) gibi inflamatuar bağırsak hastalıkları (IBD), Avrupa ve ABD’de 1.00.000’de yaklaşık 20’yi etkileyen gastrointestinal sistemin kronik enflamatuar hastalıklarıdır. ÇH transmural inflamasyon, intestinal fibroz ve luminal stenoz ile karakterizedir. Anti-inflamatuar tedaviler inflamasyonu kontrol etmeye yardımcı olsa da, CD’de fibroz ve darlık üzerinde hiçbir etkinliği yoktur. ÇH’nin patogenezi tam olarak anlaşılamamıştır. Mevcut çalışmalar esas olarak düzensiz bağırsak immün yanıt mekanizmalarını tanımlamaya odaklanmaktadır. CD ile ilişkili transmural inflamasyon, intestinal fibroz ve luminal stenozun hepsi bağırsak duvarına mekanik stresi temsil ederken, mekanik stresin CD’deki rolü iyi tanımlanmamıştır. Mekanik stresin CD’de bağımsız bir patojenik rol oynayıp oynamadığını belirlemek için, kemirgenlerde TNBS kaynaklı CD benzeri kolit modelinin bir protokolü geliştirilmiştir. TNBS ile indüklenen bu transmural inflamasyon ve fibroz modeli, kolondaki ÇH’nin patolojik özelliklerine benzemektedir. TNBS’nin yetişkin Sprague-Dawley sıçanlarının distal kolonuna intrakolonik damlatılması ile indüklenir. Bu modelde transmural inflamasyon TNBS damlatma bölgesinde darlığa yol açar (Site I). Mekanik distansiyon, damlatma bölgesine (Site P) proksimal kısımda gözlenir, mekanik stresi temsil eder, ancak görünür inflamasyonu temsil etmez. Enflamasyona distal kolonik kısım (Site D) ne inflamasyon ne de mekanik stres göstermez. Farklı bölgelerde (P, I ve D) gen ekspresyonu, immün yanıt, fibroz ve düz kas büyümesinde belirgin değişiklikler gözlendi ve mekanik stresin derin bir etkisi vurgulandı. Bu nedenle, bu CD benzeri kolit modeli, CD’nin patojenik mekanizmalarını, özellikle mekanik stresin ve mekanik strese bağlı gen ekspresyonunun immün disregülasyon, bağırsak fibrozu ve CD’deki doku yeniden şekillenmesindeki rolünü daha iyi anlamamıza yardımcı olacaktır.
Introduction
Ülseratif kolit (UC) ve Crohn hastalığı (CD) dahil olmak üzere inflamatuar barsak hastalığı (IBD), gastrointestinal (GI) sistemde kronik inflamasyon ile karakterizedir. ~ 1-2 milyon Amerikalıyı etkiler1. ABD’de IBD bakımı için tahmini yıllık maliyetler 11,8 milyar dolardır. UC’den farklı olarak, CD transmural inflamasyon ve striktür oluşumu 2,3 ile karakterizedir. Darlık oluşumu (darlık) ÇH hastalarının %70’inde görülür 3 ve transmural inflamasyondan (inflamatuar stenoz) veya intestinalfibrozdan (fibrotik stenoz) kaynaklanabilir4,5. İntestinal fibrozis, aşırı kollajen birikimi ve proseste yer alan ana mezenkimal hücre tiplerinden biri olarak düz kas hücreleri (SMC) ile diğer hücre dışı matrisler (ECM) ile karakterizedir 3,4. Hipertrofi ile ilişkili düz kas hiperplazisi, CD6’da fibrotik stenozda bir diğer önemli histolojik değişikliktir. ÇH’de darlık oluşumu kronik inflamasyon ile ilişkili olmasına rağmen, cerrahi tedavi dışında hiçbir antienflamatuar tedavi etkili değildir 2,6. Ancak ameliyat sonrası nüksler yeterli süre verildiğinde neredeyse %100’dür 2,7. Enflamatuar bir yanıt olarak, fibroz ve SMC hiperplazisi bağırsakta enflamatuar olmayan durumlarda (yani bağırsak tıkanıklığı) da gelişebilir 8,9; striktür oluşumunda hem inflamasyona bağımlı hem de bağımsız mekanizmaların rol oynadığı düşünülmektedir 3,4. Enflamasyona bağımlı mekanizmalara yönelik kapsamlı araştırmaların striktür oluşumu için etkili bir tedaviye dönüşmediği göz önüne alındığında, bağırsak fibrozisinde inflamasyondan bağımsız mekanizmaların olası rolüne ilişkin çalışmalara ihtiyaç vardır.
Non-inflamatuar bir faktör olarak ödem, inflamatuar hücre infiltrasyonu, doku deformasyonu, fibrozis ve darlık ile ilişkili mekanik stres (MS)10,11,12,13 İBH’de, özellikle transmural inflamasyon ile karakterize ÇH’de sık rastlanmaktadır. Mekanik stres en çok inflamasyon bölgesindeki darlığın (inflamatuar veya fibrotik) lokal dokuda mekanik stres oluşturduğu ve obstrüksiyon bölgesine yakın segmentte lümen distansiyonuna yol açtığı stenotik CD’de dikkat çekicidir10,14. Önceki in vitro çalışmalar, mekanik stresin gastrointestinal dokularda, özellikle bağırsak düz kas hücrelerinde (SMC) spesifik inflamatuar mediatörlerin (yani, COX-2, IL-6) 8,14,15 ve büyüme faktörlerinin (yani TGF-β) gen ekspresyonunu değiştirdiğini göstermiştir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar ayrıca, bağ dokusu büyüme faktörü (CTGF) gibi spesifik pro-fibrotik mediatörlerin ekspresyonunun mekanik strese karşı oldukça duyarlı olduğunu bulmuştur17,18. Mekanik stresin CD ile ilişkili inflamasyon, fibroz ve doku yeniden şekillenmesinde bağımsız bir patojenik rol oynayabileceği varsayılmıştır. Bununla birlikte, bağırsak iltihabı, fibroz ve CD’deki düz kas hiperplazisinde mekanik stresin patojenik önemi büyük ölçüde keşfedilmemiştir. Bunun nedeni kısmen inflamasyonun mekanik stresten daha görünür ve daha iyi çalışılmış bir süreç olması olabilir. Daha da önemlisi, mekanik stresin etkisini inflamasyonunkinden ayırt etmek için iyi tanımlanmış bir hayvan modeli yoktur.
Mevcut çalışma, CD’deki mekanik stresin rolünü incelemek amacıyla hizmet edebilecek hapten reaktifi 2,4,6-trinitrobenzen sülfonik asit (TNBS)19,20’nin intrakolonik enjeksiyonu ile indüklenen Crohn benzeri kolitin kemirgen modelini tanımlamaktadır. TNBS instilasyonunun distal kolonda lümen daralması (darlık) ile lokalize (~2 cm uzunluğunda) transmural inflamasyona neden olduğu bulundu. Darlık, belirgin barsak distansiyonuna (mekanik stres) yol açar14,15 ancak damlatma bölgesine proksimal kolon segmentinde gözle görülmeyen inflamasyona yol açar. Aksine, darlık bölgesine distal olan kolon segmenti ne inflamasyon ne de mekanik stres göstermez. Üç farklı bölgede gen ekspresyonu, inflamasyon, fibroz ve SMC hiperplazisinde bölgeye özgü önemli değişiklikler gözlendi. Sonuçlar, mekanik stresin, özellikle mekanik strese bağlı gen ekspresyonunun, Crohn kolitinde fibroz ve hiperplazi gelişiminde kritik bir rol oynayabileceğini düşündürmektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
TNBS kaynaklı kolit 1989 yılında tanıtıldı ve o zamandan beri Crohn hastalığının deneysel bir modeli olarak kullanıldı 19,20,23. Kemirgenlerde bu modelin önemli özellikleri, insan Crohn hastalığında geliştirilen histopatolojik lezyonlara çok benzeyen bir transmural inflamasyonun gelişmesini içerir19,20. Model üzerinde yapılan önceki çalışmalar,…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen NIH (R01 DK124611’den XZS’ye) ve ABD Savunma Bakanlığı’ndan (W81XWH-20-1-0681’den XZS’ye) gelen hibelerle desteklenmektedir. Histoloji çalışmaları UTMB Cerrahi Patoloji Laboratuvarı yardımıyla yapıldı.
Materials
| ACT-1 Control Software Ver2.63 | Nikon | DXM1200F | |
| C1000 Touch Thermal Cycler with 96-Well Fast Reaction Module | BIO-RAD | 1851196 | |
| CFX96 Optical Reaction Module for Real-Time PCR Systems | BIO-RAD | 1845097 | |
| Dako Agilent Artisan Link Pro Special stainer | Dako | AR310 | |
| Dako-Agilent Masson's Trichrome Kit ref# AR173 | Dako | AR173 | |
| DXM1200 Digital Color HR Camera | Nikon | DXM1200 | |
| Eukaryotic 18S rRNA Endogenous Control | ThermoFisher Scientific | 4352930E | |
| E-Z Anesthesia | E-Z Systems Inc. | EZ-155 | |
| GraphPad Prism 9 | GraphPad | 9.0.2 (161) | |
| Hard-Shell 96-Well PCR Plates, low profile, thin wall, skirted, white/clear | BIO-RAD | HSP9601 | |
| HBSS (Corning Hank's Balanced Salt Solution, 1x without calcium and magnesium) | CORNING | 21-021-CV | |
| HM 325 Microtome | Thermo Scientific | 23-900-667 | |
| Isoflurane | Piramal | NDC 66794-017-10 | |
| LI-COR Odyssey Digital Imaging System | LI-COR | 9120 | |
| Mastercycler epGradient Thermal Cycler with Control Panel 5340 Thermal Cycler | Eppendorf | 5341 | |
| Medical grade open end polyurethane catheter | Covidien | 8890703013 | |
| NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometers | Thermo Fisher Scientific | ND2000CLAPTOP | |
| Nikon Eclipse E800 Upright Microscope | Nikon | E800 | |
| Nitrocellulose/Filter Paper Sandwiches Pkg of 50, 0.45 μm, 7 x 8.5 cm | BIO-RAD | 1620215 | |
| Polyethylene Glycol 3350, Osmotic Laxative | Miralax | C8175 | Dose: 17g in 226 mL of water |
| RNeasy Mini Kit (250) 250 RNeasy Mini Spin Columns, Collection Tubes (1.5 mL and 2 mL), RNase-free Reagents and Buffers |
QIAGEN | 74106 | |
| SuperScript III First-Strand Synthesis System | ThermoFisher Scientific | 18080051 | |
| TaqMan Gene Expression Assays Rn00573960_g1 CTGF Probe | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| TaqMan Gene Expression Assays Rn99999011_m1 IL6 Probe | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| TaqMan Fast Advanced Master Mix | ThermoFisher Scientific | 4444557 | |
| Tissue-Tek Prisma H&E Stain Kit #1 | Sakura | 6190 | |
| Tissue-Tek Prisma Plus Automated Slide Stainer | Sakura | 6171 | |
| TNBS (Picrylsulfonic acid solution) | SIGMA-ALDRICH | 92822 |
Riferimenti
- Kappelman, M. D., et al. The prevalence and geographic distribution of Crohn’s disease and ulcerative colitis in the United States. Clinical Gastroenterology and Hepatology. 5 (12), 1424-1429 (2007).
- Hwang, J. M., Varma, M. G. Surgery for inflammatory bowel disease. World Journal of Gastroenterology. 14 (17), 2678-2690 (2008).
- Latella, G., Rieder, F. Intestinal fibrosis: Ready to be reversed. Current Opinion in Gastroenterology. 33 (4), 239-245 (2017).
- Rieder, F., Fiocchi, C., Rogler, G. Mechanisms, management, and treatment of fibrosis in patients with inflammatory bowel diseases. Gastroenterology. 152 (2), 340-350 (2017).
- Bettenworth, D., et al. Assessment of Crohn’s disease-associated small bowel strictures and fibrosis on cross-sectional imaging: A systematic review. Gut. 68 (6), 1115-1126 (2019).
- Chen, W., Lu, C., Hirota, C., Iacucci, M., Ghosh, S., Gui, X. Smooth muscle hyperplasia/hypertrophy is the most prominent histological change in Crohn’s fibrostenosing bowel strictures: A semiquantitative analysis by using a novel histological grading scheme. Journal of Crohn’s and Colitis. 11 (1), 92-104 (2017).
- Olaison, G., Smedh, K., Sjödahl, R. Natural course of Crohn’s disease after ileocolic resection: Endoscopically visualised ileal ulcers preceding symptoms. Gut. 33 (3), 331-335 (1992).
- Lin, Y. M., Li, F., Shi, X. Z. Mechanical stress is a pro-inflammatory stimulus in the gut: In vitro, in vivo and ex vivo evidence. PLoS One. 9, 106242 (2014).
- Gabella, G., Yamey, A. Synthesis of collagen by smooth muscle in the hyertrophic intestine. Experimental Physiology. 62 (3), 257-264 (1977).
- Katsanos, K. H., Tsianos, V. E., Maliouki, M., Adamidi, M., Vagias, I., Tsianos, E. V. Obstruction and pseudo-obstruction in inflammatory bowel disease. Annals of Gastroenterology. 23 (4), 243-256 (2010).
- Johnson, L. A., et al. Matrix stiffness corresponding to strictured bowel induces a fibrogenic response in human colonic fibroblasts. Inflammatory Bowel Disease. 19 (5), 891-903 (2013).
- Gayer, C. P., Basson, M. D. The effects of mechanical forces on intestinal physiology and pathology. Cell Signalling. 21 (8), 1237-1244 (2009).
- Cox, C. S., et al. Hypertonic saline modulation of intestinal tissue stress and fluid balance. Shock. 29 (5), 598-602 (2008).
- Shi, X. Z. Mechanical regulation of gene expression in gut smooth muscle cells. Frontiers in Physiology. 8, 1000 (2017).
- Shi, X. Z., Lin, Y. M., Powell, D. W., Sarna, S. K. Pathophysiology of motility dysfunction in bowel obstruction: Role of stretch-induced COX-2. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 300 (1), 99-108 (2011).
- Gutierrez, J. A., Perr, H. A. Mechanical stretch modulates TGF-beta1 and alpha1(I) collagen expression in fetal human intestinal smooth muscle cells. American Journal of Physiology. 277 (5), 1074-1080 (1999).
- Lipson, K. E., Wong, C., Teng, Y., Spong, S. CTGF is a central mediator of tissue remodeling and fibrosis and its inhibition can reverse the process of fibrosis. Fibrogenesis Tissue Repair. 5, 24 (2012).
- Chaqour, B., Goppelt-Struebe, M. Mechanical regulation of the Cyr61/CCN1 and CTGF/CCN2 proteins. The FEBS Journal. 273 (16), 3639-3649 (2006).
- Shi, X. Z., Winston, J. H., Sarna, S. K. Differential immune and genetic responses in rat models of Crohn’s colitis and ulcerative colitis. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 300 (1), 41-51 (2011).
- Antoniou, E., et al. The TNBS-induced colitis animal model: An overview. Annals of Medicine and Surgery (London). 11, 9-15 (2016).
- Shi, X. Z., Sarna, S. K. Gene therapy of Cav1.2 channel with VIP and VIP receptor agonists and antagonists: A novel approach to designing promotility and antimotility agents. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 295 (1), 187-196 (2008).
- Lin, Y. M., Sarna, S. K., Shi, X. Z. Prophylactic and therapeutic benefits of COX-2 inhibitor on motility dysfunction in bowel obstruction: Roles of PGE2 and EP receptors. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 302 (2), 267-275 (2012).
- Morris, G. P., Beck, P. L., Herridge, M. S., Depew, W. T., Szewczuk, M. R., Wallace, J. L. Hapten-induced model of chronic inflammation and ulceration in the rat colon. Gastroenterology. 96 (3), 795-803 (1989).
- Mudter, J., Neurath, M. F. Il-6 signaling in inflammatory bowel disease: Pathophysiological role and clinical relevance. Inflammatory Bowel Disease. 13 (8), 1016-1023 (2007).
- Geesala, R., Lin, Y. M., Zhang, K., Shi, X. Z. Targeting mechano-transcription process as therapeutic intervention in gastrointestinal disorders. Frontiers in Pharmacology. 12, 809350 (2021).
