Изучение механозондирования просветных частиц мышей тонкой кишки
Summary
Чтобы изучить, как тонкая кишка обрабатывает частицы различных размеров, мы модифицировали установленный метод in vivo для определения транзита тонкой кишки.
Abstract
Моторика желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) имеет решающее значение для нормального пищеварения и всасывания. В тонкой кишке, которая усваивает питательные вещества, моторика оптимизирует пищеварение и всасывание. По этой причине некоторые из паттернов моторики в тонкой кишке включают сегментацию для смешивания просветного содержимого и перистальтику для их движения. Физические свойства просветного содержимого модулируют паттерны моторики тонкой кишки. Механическая стимуляция механосенсорных цепей ЖКТ путем транзита просветного содержимого и лежащей в основе подвижности кишечника инициирует и модулирует сложные двигательные паттерны ЖКТ. Тем не менее, механосенсорные механизмы, которые управляют этим процессом, остаются плохо изученными. В первую очередь это связано с отсутствием инструментов для вскрытия того, как тонкая кишка обрабатывает материалы различных физических свойств. Чтобы изучить, как тонкая кишка обрабатывает частицы различных размеров, мы модифицировали установленный метод in vivo для определения транзита тонкой кишки. Мы обоживаем живых мышей флуоресцентной жидкостью или крошечными флуоресцентными шариками. Через 30 минут мы рассекаем кишечник, чтобы изобразить распределение флуоресцентного содержимого по всему желудочно-кишечному тракту. В дополнение к измерениям геометрического центра с высоким разрешением мы используем биннинг переменного размера и спектральный анализ, чтобы определить, как различные материалы влияют на транзит тонкой кишки. Мы изучили, как недавно обнаруженный механизм «прикосновения к кишечнику» влияет на моторику тонкой кишки, используя этот подход.
Introduction
Желудочно-кишечный тракт человека (ЖКТ) представляет собой систему органов длиной в несколько футов, примерно аппроксимированную как трубка различных размеров и физических свойств1. По мере того, как содержимое движется по своей длине, основная функция желудочно-кишечного тракта заключается в поглощении веществ, критически важных для жизни. Тонкая кишка специально отвечает за всасывание питательных веществ. Транзит тонкой кишки жестко регулируется, чтобы соответствовать функциям пищеварения и всасывания, что приводит к различным моделям моторики. Бейлисс и Старлинг описали «закон кишечника»2 в 1899 году, показав сократительную двигательную программу в кишечнике, известную сегодня как перистальтический рефлекс; сегмент, близкий к пищевому болюсу, сжимается, чтобы продвинуть его вперед, а дистальный сегмент расслабляется, чтобы получить его. Теоретически одной этой модели может быть достаточно для транспортировки материала аборально, но более века исследований нарисовали более сложную картину сократительной активности в желудочно-кишечном тракте. У человека выделяют три периода моторики тонкой кишки: мигрирующий двигательный комплекс (MMC), период голодания и постпрандиальный период3. Такие же закономерности были зарегистрированы у мышей 4,5. MMC представляет собой циклическую моторную модель, сохраненную у большинства млекопитающих 6,7. MMC имеет характерную четырехфазную картину, которая служит полезным клиническим маркером при функциональных расстройствах ЖКТ7. Четырьмя фазами, в порядке возникновения, являются (I) покое, (II) нерегулярные сокращения с низкой амплитудой, (III) регулярные сокращения с высокой амплитудой и (IV) период снижения активности7. MMC отмечает основную двигательную картину периода голодания3. ММК периода натощак очищают содержимое тонкой кишки при подготовке к следующему приему пищи.
Двигательные паттерны постпрандиального периода оптимизированы для пищеварительной и абсорбционной функций3. Независимо от калорийного состава, начальный транзит происходит быстро по тонкому кишечнику, содержимое распространяется по всей длине кишечника, а транзит впоследствии замедляется8. Абсорбция оптимизируется за счет увеличения площади контактной поверхности и ее замедления для увеличения времени пребывания. Как только питательные вещества находятся внутри просвета, доминирующий рисунок состоит из близких (<2 см друг от друга) нескоординированных сокращений (сегментирующих сокращений), с несколькими наложенными сокращениями с большой амплитудой, охватывающими всю длину тонкой кишки (перистальтические сокращения)9. Сегментирующие сокращения смешивают внутрипросветное содержимое на месте. Случайные большие перистальтические сокращения продвигают содержимое к толстой кишке.
Сроки этого перехода обратно к ММК зависят от объема пищи и калорийности10. Таким образом, тонкая кишка пробует просветные сигналы, чтобы регулировать, когда переходить между периодами моторики. Механические сигналы, такие как физические свойства просветного содержимого11, объем просвета и напряжение стенки, задействуют механорецепторные клетки в стенке ЖКТ 12,13,14,15,16. Действительно, увеличение твердого компонента пищи приводит к увеличению транзита тонкой кишки17. Мы предполагаем, что физические свойства, такие как жидкое или твердое состояние внутрипросветного содержимого, должны задействовать различные механорецепторы из-за различных сил, которые они генерируют на стенке ЖКТ18.
Золотым стандартом для измерения транзита IN vivo GI у людей, как и у мышей, является использование радиоактивных индикаторов, измеренных сцинтиграфией, когда они выходят из желудка или проходят по толстой кишке19,20. У млекопитающих тонкая кишка петляет непредсказуемым образом, что затрудняет надежное изображение тонкой кишки in vivo, но прогресс достигается21. Кроме того, в настоящее время не хватает инструментов для количественной оценки того, как тонкая кишка обрабатывает частицы различных свойств и размеров. Отправной точкой здесь был метод золотого стандарта, который стандартизирует изучение транзита тонкой кишки 22,23,24 и барьерной функции22. Он состоит из обжига мышей флуоресцентным материалом, ожидающих подвижности ЖКТ для транспортировки материала, иссечения желудочно-кишечного тракта, сегментации его на несколько секций от желудка до толстой кишки, секционирования и гомогенизации внутрипросветного содержимого для количественной оценки флуоресценции. Мы сделали два улучшения. Во-первых, мы изменили состав гаваированного содержимого, включив флуоресцентные микроскопические шарики, чтобы определить, как тонкая кишка распределяет физические частицы. Во-вторых, мы улучшили пространственное разрешение, визуализируя весь желудочно-кишечный тракт от желудка до толстой кишки ex vivo и использовали биннинг переменного размера для стандартизации нашего анализа на животных. Мы постулируем, что это раскрывает новое понимание баланса пропульсивных и сегментирующих сокращений во время постпрандиальной фазы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Желудочно-кишечный тракт, как и другие трубчатые органы, такие как кровеносные сосуды, требует механических датчиков и эффекторов для поддержания гомеостаза 26,27,28. Тем не менее, желудочно-кишечный тракт уникален тем, что физические сво?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим г-жу Линдсей Басби за административную помощь и г-на Джоэла Пино за поддержку со стороны средств массовой информации. Гранты NIH поддержали эту работу: DK123549, AT010875, DK052766, DK128913 и Центр клеточной сигнализации в гастроэнтерологии клиники Майо (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).
