Estudio de la mecanodetección murina del intestino delgado de partículas luminales
Summary
Para estudiar cómo el intestino delgado maneja partículas de diferentes tamaños, hemos modificado un método in vivo establecido para determinar el tránsito del intestino delgado.
Abstract
La motilidad gastrointestinal (GI) es crítica para la digestión y absorción normales. En el intestino delgado, que absorbe los nutrientes, la motilidad optimiza la digestión y la absorción. Por esta razón, algunos de los patrones de motilidad en el intestino delgado incluyen segmentación para la mezcla de contenidos luminales y peristaltismo para su propulsión. Las propiedades físicas de los contenidos luminales modulan los patrones de motilidad del intestino delgado. La estimulación mecánica de los circuitos mecanosensoriales gastrointestinales mediante el tránsito de contenidos luminales y la motilidad intestinal subyacente inicia y modula patrones motores gastrointestinales complejos. Sin embargo, los mecanismos mecanosensoriales que impulsan este proceso siguen siendo poco conocidos. Esto se debe principalmente a la falta de herramientas para diseccionar cómo el intestino delgado maneja materiales de diferentes propiedades físicas. Para estudiar cómo el intestino delgado maneja partículas de diferentes tamaños, hemos modificado un método in vivo establecido para determinar el tránsito del intestino delgado. Hacemos ratones vivos con líquido fluorescente o pequeñas perlas fluorescentes. Después de 30 minutos, diseccionamos los intestinos para obtener imágenes de la distribución de contenidos fluorescentes en todo el tracto gastrointestinal. Además de las mediciones de alta resolución del centro geométrico, utilizamos binning de tamaño variable y análisis espectral para determinar cómo los diferentes materiales afectan el tránsito del intestino delgado. Hemos explorado cómo un mecanismo de “toque intestinal” recientemente descubierto afecta la motilidad del intestino delgado utilizando este enfoque.
Introduction
El tracto gastrointestinal (GI) humano es un sistema de órganos de varios pies de largo, aproximadamente aproximado como un tubo de diferentes dimensiones y propiedades físicas1. A medida que el contenido se mueve a través de su longitud, la función principal del tracto gastrointestinal es absorber sustancias críticas para la vida. El intestino delgado es específicamente responsable de la absorción de nutrientes. El tránsito del intestino delgado está estrechamente regulado para que coincida con las funciones de digestión y absorción, lo que resulta en varios patrones de motilidad. Bayliss y Starling describieron la “ley del intestino”2 en 1899, mostrando el programa de propulsión contráctil en el intestino conocido hoy como el reflejo peristáltico; El segmento proximal al bolo alimentario se contrae para impulsarlo hacia adelante, y el segmento distal se relaja para recibirlo. En teoría, este patrón por sí solo podría ser suficiente para transportar material por vía oral, pero más de un siglo de investigación ha pintado una imagen más compleja de la actividad contráctil en el tracto gastrointestinal. En humanos se reconocen tres períodos de motilidad del intestino delgado: el complejo motor migratorio (MMC), el período de ayuno y el período postprandial3. Los mismos patrones han sido reportados en ratones 4,5. El MMC es un patrón motor cíclico conservado en la mayoría de los mamíferos 6,7. La MMC tiene un patrón característico de cuatro fases que sirve como un marcador clínico útil en los trastornos gastrointestinales funcionales7. Las cuatro fases, en orden de ocurrencia, son (I) inactividad, (II) contracciones irregulares de baja amplitud, (III) contracciones regulares de alta amplitud y (IV) período de reducción de la actividad decreciente7. La MMC marca el patrón motor principal del período de ayuno3. Las MMC del período de ayuno aclaran el contenido del intestino delgado en preparación para la próxima comida.
Los patrones motores del período postprandial están optimizados para las funciones digestivas y absorbentes3. Independientemente de la composición calórica, el tránsito inicial es rápido a lo largo del intestino delgado, el contenido se extiende a lo largo del intestino y el tránsito posteriormente se ralentiza8. La absorción se optimiza aumentando el área de superficie de contacto y ralentizándola para aumentar el tiempo de residencia. Una vez que los nutrientes están dentro de la luz, el patrón dominante consiste en contracciones cercanas (separadas por <2 cm) descoordinadas (contracciones de segmentación), con algunas contracciones superpuestas de gran amplitud que abarcan toda la longitud del intestino delgado (contracciones peristálticas)9. Las contracciones de segmentación mezclan el contenido intraluminal en su lugar. Las grandes contracciones peristálticas ocasionales impulsan el contenido hacia el colon.
El momento de esta transición de regreso a las MMC depende del volumen de alimentos y la composición calórica10. Por lo tanto, el intestino delgado toma muestras de señales luminales para regular cuándo hacer la transición entre los períodos de motilidad. Las señales mecánicas, como las propiedades físicas del contenido luminal11, el volumen luminal y la tensión de la pared, activan las células mecanorreceptoras en la pared GI 12,13,14,15,16. De hecho, el aumento del componente sólido de una comida conduce a un aumento en el tránsito del intestino delgado17. Especulamos que las propiedades físicas, como el estado líquido o sólido del contenido intraluminal, deben involucrar diferentes mecanorreceptores debido a las diversas fuerzas que generan en la pared GI18.
El estándar de oro para medir el tránsito GI in vivo en humanos, como en ratones, es el uso de trazadores radiactivos medidos por gammagrafía cuando salen del estómago o transitan a lo largo del colon19,20. En los mamíferos, las bucles del intestino delgado de manera impredecible, lo que dificulta la obtención de imágenes in vivo de manera confiable, pero se están logrando avances21. Además, actualmente hay una falta de herramientas para cuantificar cómo el intestino delgado maneja partículas de diferentes propiedades y tamaños. El punto de partida aquí fue una técnica estándar de oro que estandariza el estudio del tránsito del intestino delgado 22,23,24 y la función de barrera 22. Consiste en gavagar ratones con un material fluorescente, esperando que la motilidad GI transporte el material, extirpando el tracto gastrointestinal, segmentándolo en varias secciones desde el estómago hasta el colon, seccionando y homogeneizando los contenidos intraluminales para la cuantificación de fluorescencia. Hicimos dos mejoras. Primero, alteramos la composición del contenido gavagado para incluir perlas microscópicas fluorescentes para determinar cómo el intestino delgado distribuye las partículas físicas. En segundo lugar, mejoramos la resolución espacial al obtener imágenes de todo el tracto gastrointestinal desde el estómago hasta el colon ex vivo y utilizamos binning de tamaño variable para estandarizar nuestro análisis en animales. Postulamos que esto revela nuevos conocimientos sobre el equilibrio de las contracciones propulsivas versus segmentadas durante la fase postprandial.
Protocol
Representative Results
Discussion
El tracto gastrointestinal, al igual que otros órganos tubulares, como los vasos sanguíneos, requiere sensores mecánicos y efectores para mantener la homeostasis26,27,28. Sin embargo, el tracto gastrointestinal es único en el sentido de que las propiedades físicas de los materiales que lo atraviesan no son constantes a lo largo de las comidas. Los contenidos intraluminales de diversas propiedades físicas (sólido, líquido…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a la Sra. Lyndsay Busby por la asistencia administrativa y al Sr. Joel Pino por el apoyo de los medios de comunicación. Las subvenciones de los NIH apoyaron este trabajo: DK123549, AT010875, DK052766, DK128913 y Mayo Clinic Center for Cell Signaling in Gastroenterology (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 |
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