כדי לחקור כיצד המעי הדק מטפל בחלקיקים בגדלים שונים, שינינו שיטת in vivo מבוססת כדי לקבוע את המעבר במעי הדק.
תנועתיות במערכת העיכול (GI) חיונית לעיכול ולספיגה תקינים. במעי הדק, אשר סופג חומרים מזינים, תנועתיות מייעלת את העיכול והספיגה. מסיבה זו, חלק מדפוסי התנועתיות במעי הדק כוללים סגמנטציה לערבוב של תוכן לומינלי ופריסטלטיקה להנעתם. תכונות פיזיקליות של תוכן לומינלי מווסתות את דפוסי תנועתיות המעי הדק. הגירוי המכני של מעגלים מכנו-חושיים במערכת העיכול על ידי מעבר תוכן לומינלי ותנועתיות מעיים בסיסית יוזמים ומווסתים תבניות מוטוריות מורכבות של GI. עם זאת, המנגנונים המכנו-חושיים המניעים את התהליך הזה עדיין אינם מובנים כהלכה. זה נובע בעיקר ממחסור בכלים לנתח כיצד המעי הדק מטפל בחומרים בעלי תכונות פיזיקליות שונות. כדי לחקור כיצד המעי הדק מטפל בחלקיקים בגדלים שונים, שינינו שיטת in vivo מבוססת כדי לקבוע את המעבר במעי הדק. אנו מגדלים עכברים חיים עם נוזל פלואורסצנטי או חרוזים פלואורסצנטיים זעירים. לאחר 30 דקות, אנו מנתחים את המעיים כדי לדמות את התפלגות התוכן הפלואורסצנטי על פני כל מערכת העיכול. בנוסף למדידות ברזולוציה גבוהה של המרכז הגיאומטרי, אנו משתמשים במדידות בגדלים משתנים ובאנליזה ספקטרלית כדי לקבוע כיצד חומרים שונים משפיעים על מעבר המעי הדק. בחנו כיצד מנגנון “מגע במעיים” שהתגלה לאחרונה משפיע על תנועתיות המעי הדק בגישה זו.
מערכת העיכול האנושית (GI) היא מערכת איברים באורך של מספר מטרים, בערך כמו צינור בעל ממדים שונים ותכונות פיזיות1. כאשר התכולה נעה לאורכה, תפקידה העיקרי של מערכת העיכול הוא לספוג חומרים חיוניים לחיים. המעי הדק אחראי באופן ספציפי לספיגת חומרים מזינים. המעבר במעי הדק מווסת באופן הדוק כדי להתאים לתפקודי העיכול והספיגה, וכתוצאה מכך נוצרים דפוסי תנועתיות שונים. בייליס וסטארלינג תיארו את “חוק המעי”2 בשנת 1899, והראו את תוכנית ההנעה ההתכווצותית במעי הידועה כיום כרפלקס פריסטלטי; הקטע הפרוקסימלי לבולוס המזון מתכווץ כדי להניע אותו קדימה, והקטע הדיסטלי נרגע לקבל אותו. בתיאוריה, תבנית זו לבדה יכולה להספיק כדי להעביר חומר באופן תמוה, אך למעלה ממאה שנים של מחקר ציירו תמונה מורכבת יותר של פעילות התכווצות במערכת העיכול. שלוש תקופות תנועתיות של המעי הדק מוכרות בבני אדם: קומפלקס המנועים הנודדים (MMC), תקופת הצום והתקופה שלאחר הלידה3. אותם דפוסים דווחו בעכברים 4,5. ה-MMC הוא תבנית מוטורית מחזורית הנשמרת ברוב היונקים 6,7. ל- MMC דפוס אופייני בן ארבעה שלבים המשמש סמן קליני שימושי בהפרעות GI תפקודיות7. ארבעת השלבים, לפי סדר ההתרחשות, הם (I) התכווצויות, (II) התכווצויות לא סדירות, משרעת נמוכה, (III) התכווצויות משרעת גבוהה רגילות, ו-(IV) תקופתירידה בפעילות 7. ה- MMC מסמן את התבנית המוטורית העיקרית של תקופת הצום3. MMCs של תקופת הצום לנקות את התוכן של המעי הדק לקראת הארוחה הבאה.
הדפוסים המוטוריים של התקופה שלאחר הלידה מותאמים לתפקודי העיכול והספיגה3. ללא קשר להרכב הקלורי, המעבר הראשוני מהיר לאורך המעי הדק, התוכן מתפשט לאורך המעי, והמעבר מאט לאחר מכן8. הספיגה ממוטבת על ידי הגדלת שטח הפנים במגע והאטתו כדי להאריך את זמן המגורים. ברגע שהחומרים המזינים נמצאים בתוך הלומן, התבנית הדומיננטית מורכבת מהתכווצויות קרובות (<2 ס"מ זו מזו) לא מתואמות (התכווצויות פילוח), עם כמה התכווצויות על גבי משרעת גדולה המשתרעות לכל אורך המעי הדק (התכווצויות פריסטלטיות)9. התכווצויות פילוח מערבבות את התכולה התוך-לומינלית במקום. התכווצויות פריסטלטיות גדולות מדי פעם מניעות את התוכן לכיוון המעי הגס.
עיתוי המעבר חזרה ל-MMCs תלוי בנפח המזון ובהרכב הקלורי10. לפיכך, המעי הדק דוגם רמזים לומינליים כדי לווסת מתי לעבור בין תקופות תנועתיות. רמזים מכניים, כגון תכונות פיזיקליות של תכולה לומינלית11, נפח לומינלי ומתח דופן, מעסיקים תאים מכנורצפטורים בקיר מערכת העיכול 12,13,14,15,16. ואכן, הגדלת המרכיב המוצק בארוחה מובילה לעלייה במעבר המעי הדק17. אנו משערים כי תכונות פיזיקליות, כגון המצב הנוזלי או המוצק של תוכן תוך-לומינלי, חייבות להעסיק מכנורצפטורים שונים בשל הכוחות השונים שהם מייצרים על קיר מערכת העיכול18.
תקן הזהב למדידת מעבר in vivo GI בבני אדם, כמו בעכברים, הוא השימוש בעוקבים רדיואקטיביים הנמדדים על ידי scintigraphy כשהם יוצאים מהקיבה או עוברים לאורך המעי הגס 19,20. ביונקים, לולאות המעי הדק בדרכים בלתי צפויות מה שמקשה על הדמיית in vivo באופן אמין, אך ההתקדמות נעשית21. יתר על כן, כיום חסרים כלים לכימות האופן שבו המעי הדק מטפל בחלקיקים בעלי תכונות וגדלים שונים. נקודת המוצא כאן הייתה טכניקה של תקן זהב שמתקננת את המחקר של מעבר מעי דק 22,23,24 ותפקוד מחסום 22. הוא מורכב מגידול עכברים עם חומר פלואורסצנטי, המתנה לתנועתיות של מערכת העיכול כדי להעביר את החומר, כריתת מערכת העיכול, פילוחו למספר חלקים מהקיבה ועד המעי הגס, חתך, והומוגניות של תוכן תוך-לומינלי לכימות פלואורסצנטי. עשינו שני שיפורים. ראשית, שינינו את ההרכב של תכולת ה-gavaged כך שיכלול חרוזים מיקרוסקופיים פלואורסצנטיים כדי לקבוע כיצד המעי הדק מפיץ חלקיקים פיזיים. שנית, שיפרנו את הרזולוציה המרחבית על ידי הדמיה של כל מערכת העיכול מהקיבה ועד המעי הגס, והשתמשנו בבינוי בגודל משתנה כדי לתקנן את הניתוח שלנו בין בעלי חיים. אנו מניחים כי זה חושף תובנות חדשות על האיזון של התכווצויות הנעה לעומת פילוח בשלב שלאחר הלידה.
מערכת העיכול, כמו איברים צינוריים אחרים, כגון כלי דם, דורשת חיישנים מכניים ואפקטים כדי לשמור על הומאוסטזיס26,27,28. עם זאת, מערכת העיכול ייחודית בכך שהתכונות הפיזיקליות של החומרים החוצים אותה אינן קבועות לאורך ארוחות. תכולה תוך-גופית בעלת תכ?…
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לגברת לינדזי באזבי על הסיוע האדמיניסטרטיבי ולמר ג’ואל פינו על התמיכה התקשורתית. מענקי NIH תמכו בעבודה זו: DK123549, AT010875, DK052766, DK128913, ומרכז מאיו קליניק לאיתות תאי בגסטרואנטרולוגיה (DK084567).
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 |