חקר מורין מעיים קטנים מכנוסנס של חלקיקים לומינליים
Summary
כדי לחקור כיצד המעי הדק מטפל בחלקיקים בגדלים שונים, שינינו שיטת in vivo מבוססת כדי לקבוע את המעבר במעי הדק.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
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).
