دراسة الاستشعار الميكانيكي للأمعاء الصغيرة الفئران للجسيمات المضيئة
Summary
لدراسة كيفية تعامل الأمعاء الدقيقة مع الجسيمات ذات الأحجام المختلفة ، قمنا بتعديل طريقة راسخة في الجسم الحي لتحديد عبور الأمعاء الدقيقة.
Abstract
حركة الجهاز الهضمي (GI) أمر بالغ الأهمية لعملية الهضم والامتصاص الطبيعية. في الأمعاء الصغيرة ، التي تمتص العناصر الغذائية ، تعمل الحركة على تحسين الهضم والامتصاص. لهذا السبب ، تشمل بعض أنماط الحركة في الأمعاء الدقيقة التجزئة لخلط المحتويات المضيئة والتمعج لدفعها. الخصائص الفيزيائية للمحتويات المضيئة تعدل أنماط حركة الأمعاء الدقيقة. التحفيز الميكانيكي للدوائر الحسية الميكانيكية GI عن طريق عبور محتويات اللمعان وحركية الأمعاء الكامنة تبدأ وتعدل أنماط محركات GI المعقدة. ومع ذلك ، فإن الآليات الحسية الميكانيكية التي تقود هذه العملية لا تزال غير مفهومة بشكل جيد. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى نقص الأدوات اللازمة لتشريح كيفية تعامل الأمعاء الدقيقة مع المواد ذات الخصائص الفيزيائية المختلفة. لدراسة كيفية تعامل الأمعاء الدقيقة مع الجسيمات ذات الأحجام المختلفة ، قمنا بتعديل طريقة راسخة في الجسم الحي لتحديد عبور الأمعاء الدقيقة. نحن غافارد الفئران الحية مع السائل الفلورسنت أو حبات الفلورسنت الصغيرة. بعد 30 دقيقة ، نقوم بتشريح الأمعاء لتصوير توزيع محتويات الفلورسنت عبر كامل الجهاز الهضمي. بالإضافة إلى القياسات عالية الدقة للمركز الهندسي ، نستخدم التجليد متغير الحجم والتحليل الطيفي لتحديد كيفية تأثير المواد المختلفة على عبور الأمعاء الدقيقة. لقد استكشفنا كيف تؤثر آلية “لمس الأمعاء” المكتشفة مؤخرا على حركة الأمعاء الدقيقة باستخدام هذا النهج.
Introduction
الجهاز الهضمي البشري (GI) هو نظام عضو طوله عدة أقدام ، يتم تقريبه تقريبا كأنبوب بأبعاد وخصائص فيزيائية مختلفة1. مع تحرك المحتويات عبر طولها ، تتمثل الوظيفة الأساسية للجهاز الهضمي في امتصاص المواد المهمة للحياة. الأمعاء الدقيقة مسؤولة بشكل خاص عن امتصاص المغذيات. يتم تنظيم عبور الأمعاء الدقيقة بإحكام لتتناسب مع وظائف الهضم والامتصاص ، مما يؤدي إلى أنماط حركية مختلفة. وصف بايليس وستارلينغ “قانون الأمعاء”2 في عام 1899 ، مما يدل على برنامج الدفع الانقباضي في الأمعاء المعروف اليوم باسم المنعكس التمعجي. الجزء القريب من عقود البلعة الغذائية لدفعها إلى الأمام ، والجزء البعيد يرتاح لاستلامها. من الناحية النظرية، يمكن أن يكون هذا النمط وحده كافيا لنقل المواد عن طريق الإجهاض، ولكن أكثر من قرن من الأبحاث رسمت صورة أكثر تعقيدا للنشاط الانقباضي في الجهاز الهضمي. يتم التعرف على ثلاث فترات حركية الأمعاء الدقيقة في البشر: المجمع الحركي المهاجر (MMC) ، وفترة الصيام ، وفترة ما بعد الأكل3. تم الإبلاغ عن نفس الأنماط في الفئران 4,5. MMC هو نمط محرك دوري محفوظ عبر معظم الثدييات 6,7. يحتوي MMC على نمط مميز من أربع مراحل يعمل كعلامة سريرية مفيدة في اضطرابات الجهاز الهضمي الوظيفية7. والمراحل الأربع، حسب ترتيب حدوثها، هي: (أولا) السكون، و (ثانيا) الانقباضات غير المنتظمة ذات السعة المنخفضة، و (ثالثا) الانقباضات المنتظمة ذات السعة العالية، و (رابعا) فترة الانخفاض في النشاط7. يمثل MMC النمط الحركي الرئيسي لفترة الصيام3. MMCs من فترة الصيام مسح محتويات الأمعاء الدقيقة استعدادا للوجبة التالية.
يتم تحسين الأنماط الحركية لفترة ما بعد الأكل للوظائف الهضمية والاستيعابية3. بغض النظر عن تكوين السعرات الحرارية ، يكون العبور الأولي سريعا على طول الأمعاء الدقيقة ، وتنتشر المحتويات على طول الأمعاء ، ثم يتباطأ العبور لاحقا8. يتم تحسين الامتصاص عن طريق زيادة مساحة سطح التلامس وإبطائه لزيادة وقت الإقامة. بمجرد أن تكون العناصر الغذائية داخل التجويف ، يتكون النمط السائد من تقلصات غير منسقة قريبة (<2 سم) (تقلصات مجزأة) ، مع عدد قليل من الانقباضات ذات السعة الكبيرة المتراكبة التي تمتد على طول الأمعاء الدقيقة بالكامل (الانقباضات التمعجية)9. تخلط تقلصات التجزئة المحتويات داخل اللمعان في مكانها. تدفع الانقباضات التمعجية الكبيرة العرضية المحتويات نحو القولون.
يعتمد توقيت هذا الانتقال مرة أخرى إلى MMCs على حجم الطعام وتكوين السعرات الحرارية10. وبالتالي ، فإن عينات الأمعاء الدقيقة إشارات مضيئة لتنظيم وقت الانتقال بين فترات الحركة. الإشارات الميكانيكية ، مثل الخواص الفيزيائية للمحتويات المضيئة11 ، وحجم اللمعان ، وتوتر الجدار ، تشرك خلايا المستقبلات الميكانيكية في جدار GI12،13،14،15،16. في الواقع ، تؤدي زيادة المكون الصلب للوجبة إلى زيادة في عبور الأمعاء الدقيقة17. نحن نتوقع أن الخصائص الفيزيائية ، مثل الحالة السائلة أو الصلبة للمحتويات داخل اللمعان ، يجب أن تتفاعل مع مستقبلات ميكانيكية مختلفة بسبب القوى المختلفة التي تولدها على جدار GI18.
المعيار الذهبي لقياس عبور GI في الجسم الحي في البشر ، كما هو الحال في الفئران ، هو استخدام المقتفيات المشعة التي تقاس بالتصوير الومضاني عند خروجها من المعدة أو عبورها على طول القولون19,20. في الثدييات ، حلقات الأمعاء الدقيقة بطرق لا يمكن التنبؤ بها مما يجعل من الصعب تصوير الأمعاء الدقيقة في الجسم الحي بشكل موثوق ، ولكن يتم إحراز تقدم21. علاوة على ذلك ، هناك حاليا نقص في الأدوات اللازمة لتحديد كيفية تعامل الأمعاء الدقيقة مع الجسيمات ذات الخصائص والأحجام المختلفة. كانت نقطة البداية هنا تقنية قياسية ذهبية توحد دراسة عبور الأمعاء الدقيقة 22،23،24 ووظيفة الحاجز22. وهو يتألف من الفئران التي تحتوي على مادة فلورسنت ، في انتظار حركية الجهاز الهضمي لنقل المادة ، واستئصال الجهاز الهضمي ، وتقسيمه إلى عدة أقسام من المعدة إلى القولون ، والتقسيم ، وتجانس المحتويات داخل اللمعان لتحديد كمية التألق. لقد أجرينا تحسينين. أولا ، قمنا بتغيير تركيبة محتويات gavaged لتشمل الخرز المجهري الفلورسنت لتحديد كيفية توزيع الأمعاء الدقيقة للجسيمات الفيزيائية. ثانيا، قمنا بتحسين الدقة المكانية عن طريق تصوير الجهاز الهضمي بأكمله من المعدة إلى القولون خارج الجسم الحي واستخدمنا الربط متغير الحجم لتوحيد تحليلنا عبر الحيوانات. نفترض أن هذا يكشف عن رؤى جديدة في توازن الانقباضات الدافعة مقابل الانقباضات المجزأة خلال مرحلة ما بعد الأكل
Protocol
Representative Results
Discussion
تتطلب الجهاز الهضمي ، مثل الأعضاء الأنبوبية الأخرى ، مثل الأوعية الدموية ، أجهزة استشعار ميكانيكية ومؤثرات للحفاظ على التوازن26،27،28. ومع ذلك ، فإن الجهاز الهضمي فريد من نوعه من حيث أن الخصائص الفيزيائية للمواد التي تجتازه ليست ثابتة عبر ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونشكر السيدة ليندسي باسبي على المساعدة الإدارية والسيد جويل بينو على الدعم الإعلامي. دعمت منح المعاهد الوطنية للصحة هذا العمل: DK123549 وAT010875 وDK052766 وDK128913 ومركز Mayo Clinic لإشارات الخلايا في أمراض الجهاز الهضمي (DK084567).
Materials
| C57BL/6J mice | Jackson Laboratory | 664 | other mice can be used with this protocol |
| Dissection tools | n/a | n/a | |
| Excel software | Microsoft | n/a | used for spreadsheet analysis |
| Fluorescent Green Polyethylene Microspheres 1.00g/cc 75-90um – 10g | Cospheric | UVPMS-BG-1.00 75-90um – 10g | "smaller beads" in the manuscript |
| Fluorescent Green Polyethylene Microspheres 1.00g/cc 180-212um – 10g | Cospheric | UVPMS-BG-1.00 180-212um – 10g | "larger beads" in the manuscript |
| Gavage needles | Instech | FTP-18-50-50 | |
| ImageJ software | n/a | n/a | used to extract fluorescence profile |
| Laminated ruler paper (prepared in-house) | n/a | n/a | |
| Methyl cellulose (viscosity: 400 cP) | Sigma | M0262 | |
| Photoshop software | Adobe | n/a | used for image processing |
| Rhodamine B isothiocyanate-Dextran | Sigma | r8881-100mg | "liquid" condition in the manuscript |
| Xenogen IVIS 200 | Perkin Elmer | 124262 | In vivo imaging system |
Riferimenti
- Stevens, C. E., Hume, I. D. . Comparative Physiology of the Vertebrate Digestive System. 2nd ed. , (2004).
- Bayliss, W. M., Starling, E. H. The movements and innervation of the small intestine. The Journal of Physiology. 24 (2), 99-143 (1899).
- Husebye, E. The patterns of small bowel motility: physiology and implications in organic disease and functional disorders. Neurogastroenterology and Motility. (11), 141-161 (1999).
- Bush, T. G., et al. Effects of alosetron on spontaneous migrating motor complexes in murine small and large bowel in vitro. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 281 (4), 974-983 (2001).
- Der-Silaphet, T., et al. Interstitial cells of cajal direct normal propulsive contractile activity in the mouse small intestine. Gastroenterology. 114 (4), 724-736 (1998).
- Szurszewski, J. H. A migrating electric complex of the canine small intestine. American Journal of Physiology. 217 (6), 1757-1763 (1969).
- Deloose, E., et al. The migrating motor complex: control mechanisms and its role in health and disease. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology. 9 (5), 271-285 (2012).
- Johansoon, C., Ekelund, K. Relation between body weight and the gastric and intestinal handling of an oral caloric load. Gut. 17, 456-462 (1976).
- Sarna, S. K., et al. Spatial and temporal patterns of human jejunal contractions. American Journal of Physiology. 257 (1), 423-432 (1989).
- Hall, K. E., El-Sharkawy, T. Y., Diamant, N. E. Vagal control ofcanine postprandial upper gastrointestinal motility. American Journal of Physiology. 250, 501-510 (1986).
- Mayer, E. A. Gut feelings: the emerging biology of gut-brain communication. Nature Reviews Neuroscience. 12 (8), 453-466 (2011).
- Alcaino, C., et al. A population of gut epithelial enterochromaffin cells is mechanosensitive and requires Piezo2 to convert force into serotonin release. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Sciences. 115 (32), 7632-7641 (2018).
- Kugler, E. M., et al. Mechanical stress activates neurites and somata of myenteric neurons. Frontiers in Cellular Neuroscience. 9, 342 (2015).
- Mazzuoli, G., Schemann, M. Mechanosensitive enteric neurons in the myenteric plexus of the mouse intestine. PloS One. 7 (7), 39887 (2012).
- Won, K. J., Sanders, K. M., Ward, S. M. Interstitial cells of Cajal mediate mechanosensitive responses in the stomach. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (41), 14913-14918 (2005).
- Mao, Y., Wang, B., Kunze, W. Characterization of myenteric sensory neurons in the mouse small intestine. Journal of Neurophysiology. 96 (3), 998-1010 (2006).
- McIntyre, A., et al. Effect of bran, ispaghula, and inert plastic particles on gastric emptying and small bowel transit in humans: the role of physical factors. Gut. 40 (2), 223-227 (1997).
- Treichel, A. J., et al. Specialized mechanosensory epithelial cells in mouse gut intrinsic tactile sensitivity. Gastroenterology. 162 (2), 535-547 (2022).
- Bharucha, A. E., Anderson, B., Bouchoucha, M. More movement with evaluating colonic transit in humans. Neurogastroenterology and Motility. 31 (2), 13541 (2019).
- Camilleri, M., et al. Human gastric emptying and colonic filling of solids characterized by a new method. American Journal of Physiology. 257 (2), 284-290 (1989).
- Wang, D., et al. Trans-illumination intestine projection imaging of intestinal motility in mice. Nature Communications. 12 (1), 1682 (2021).
- Woting, A., Blaut, M. Small intestinal permeability and gut-transit time determined with low and high molecular weight fluorescein isothiocyanate-dextrans in C3H mice. Nutrients. 10 (6), 685 (2018).
- Miller, M. S., Galligan, J. J., Burks, T. F. Accurate measurement of intestinal transit in the rat. The Journal of Pharmacologial and Toxicological Methods. 6 (3), 211-217 (1981).
- Moore, B. A., et al. Inhaled carbon monoxide suppresses the development of postoperative ileus in the murine small intestine. Gastroenterology. 124 (2), 377-391 (2003).
- Machholz, E., et al. Manual restraint and common compound administration routes in mice and rats. Journal of Visualized Experiments. (67), e2771 (2012).
- Baeyens, N., Schwartz, M. A. Biomechanics of vascular mechanosensation and remodeling. Molecular Biology of the Cell. 27 (1), 7-11 (2016).
- Ye, G. J., Nesmith, A. P., Parker, K. K. The role of mechanotransduction on vascular smooth muscle myocytes’ cytoskeleton and contractile function. The Anatomical Record (Hoboken). 297 (9), 1758-1769 (2014).
- Mercado-Perez, A., Beyder, A. Gut feelings: mechanosensing in the gastrointestinal tract. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. , 1-14 (2022).
- Brierley, S. M., et al. Splanchnic and pelvic mechanosensory afferents signal different qualities of colonic stimuli in mice. Gastroenterology. 127 (1), 166-178 (2004).
- Inoue, Y., et al. Diet and abdominal autofluorescence detected by in vivo fluorescence imaging of living mice. Molecular Imaging. 7 (1), 21-27 (2008).
- Szarka, L. A., Camilleri, M. Methods for the assessment of small-bowel and colonic transit. Seminars in Nuclear Medicine. 42 (2), 113-123 (2012).
- Padmanabhan, P., et al. Gastrointestinal transit measurements in mice with 99mTc-DTPA-labeled activated charcoal using NanoSPECT-CT. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 3 (1), 1-8 (2013).
- Jang, S. F., et al. Size discrimination in rat and mouse gastric emptying. Biopharmaceutics and Drug Disposition. 34 (2), 107-124 (2013).
- Zhu, Y. F., et al. Enteric sensory neurons communicate with interstitial cells of Cajal to affect pacemaker activity in the small intestine. Pflügers Archiv: European Journal of Physiology. 446 (7), 1467-1475 (2014).
- Treichel, A. J., Farrugia, G., Beyder, A. The touchy business of gastrointestinal (GI) mechanosensitivity. Brain Research. 1693, 197-200 (2018).
