JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicina

Luminal Partiküllerin Murine İnce Bağırsak Mekanosenizasyonunun İncelenmesi

Published: March 18, 2022
doi:
10.3791/63697
, , , ,
1Enteric NeuroScience Program (ENSP), Division of Gastroenterology & Hepatology, Department of Medicine,Mayo Clinic, 2Medical Scientist Training Program (MSTP),Mayo Clinic, 3Easy Learning Labs, 4Department of Physiology & Biomedical Engineering (PBME),Mayo Clinic

Summary

İnce bağırsağın farklı boyutlardaki partikülleri nasıl işlediğini incelemek için, ince bağırsak geçişini belirlemek için yerleşik bir in vivo yöntemi değiştirdik.

Abstract

Gastrointestinal (GI) motilitesi normal sindirim ve emilim için kritik öneme sahiptir. Besinleri emen ince bağırsakta, hareketlilik sindirim ve emilimi optimize eder. Bu nedenle, ince bağırsaktaki hareketlilik modellerinden bazıları, luminal içeriklerin karıştırılması için segmentasyon ve itici güçleri için peristalsis içerir. Luminal içeriğin fiziksel özellikleri, ince bağırsak hareketliliğinin kalıplarını modüle eder. GI mekanosensoriyel devrelerinin luminal içerikleri ve altta yatan bağırsak hareketliliğini geçirerek mekanik olarak uyarılması, karmaşık GI motor paternlerini başlatır ve modüle eder. Yine de, bu süreci yönlendiren mekanosensoriyel mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır. Bu öncelikle ince bağırsağın farklı fiziksel özelliklere sahip materyalleri nasıl işlediğini incelemek için gerekli araçların eksikliğinden kaynaklanmaktadır. İnce bağırsağın farklı boyutlardaki partikülleri nasıl işlediğini incelemek için, ince bağırsak geçişini belirlemek için yerleşik bir in vivo yöntemi değiştirdik. Canlı fareleri floresan sıvı veya küçük floresan boncuklarla besliyoruz. 30 dakika sonra, floresan içeriğinin GI yolunun tamamı boyunca dağılımını görüntülemek için bağırsakları diseke ediyoruz. Geometrik merkezin yüksek çözünürlüklü ölçümlerine ek olarak, farklı malzemelerin ince bağırsak geçişini nasıl etkilediğini belirlemek için değişken boyutlu gruplama ve spektral analiz kullanıyoruz. Yakın zamanda keşfedilen bir “bağırsak dokunuşu” mekanizmasının bu yaklaşımı kullanarak ince bağırsak hareketliliğini nasıl etkilediğini araştırdık.

Introduction

İnsan gastrointestinal (GI) sistemi, kabaca farklı boyutlarda ve fiziksel özelliklerde bir tüp olarak yaklaşık olarak yaklaşık olarak çok ayak uzunluğunda bir organ sistemidir1. İçerikler uzunluğu boyunca hareket ettikçe, GI yolunun birincil işlevi yaşam için kritik olan maddeleri emmektir. İnce bağırsak özellikle besin emiliminden sorumludur. İnce bağırsağın geçişi, sindirim ve emilim fonksiyonlarına uyacak şekilde sıkı bir şekilde düzenlenir ve bu da çeşitli hareketlilik modellerine neden olur. Bayliss ve Starling, 1899’da “bağırsak yasasını”2 tanımladılar ve bugün peristaltik refleks olarak bilinen bağırsaktaki kasılma tahrik programını gösterdiler; gıda bolusuna yakın segment onu ileriye doğru itmek için büzülür ve distal segment onu almak için gevşer. Teorik olarak, bu model tek başına materyali oral olarak taşımak için yeterli olabilir, ancak bir yüzyıldan fazla süren araştırmalar, GI kanalındaki kasılma aktivitesinin daha karmaşık bir resmini çizmiştir. İnsanlarda üç ince bağırsak hareketlilik periyodu tanınır: göç eden motor kompleksi (MMC), açlık dönemi ve postprandiyal dönem3. Aynı modeller farelerdede bildirilmiştir 4,5. MMC, çoğu memelide korunan döngüsel bir motor modelidir 6,7. MMC, fonksiyonel GİS bozukluklarında yararlı bir klinik belirteç görevi gören karakteristik dört fazlı bir paterne sahiptir7. Dört faz, oluşum sırasına göre, (I) sessizlik, (II) düzensiz, düşük genlikli kasılmalar, (III) düzenli yüksek genlikli kasılmalar ve (IV) azalan aktivitenin rampa aşağı periyodu7’dir. MMC, oruç dönemi3’ün ana motor modelini işaretler. Oruç döneminin MMC’leri, bir sonraki öğüne hazırlanırken ince bağırsağın içeriğini temizler.

Postprandiyal dönemin motor paternleri sindirim ve emici fonksiyonlar için optimize edilmiştir3. Kalorik bileşimden bağımsız olarak, ilk transit ince bağırsak boyunca hızlıdır, içerikler bağırsağın uzunluğu boyunca yayılır ve transit daha sonra8’i yavaşlatır. Emilim, temas yüzeyi alanını artırarak ve ikamet süresini artırmak için yavaşlatarak optimize edilir. Besinler lümenin içine girdikten sonra, baskın patern yakın (<2 cm arayla) koordine edilmemiş kasılmalardan (segmentleme kasılmaları) oluşur ve ince bağırsağın tüm uzunluğunu kapsayan birkaç üst üste binmiş büyük genlikli kasılmalar (peristaltik kasılmalar)9. Segmentleme kasılmaları, intraluminal içeriği yerinde karıştırır. Ara sıra büyük peristaltik kasılmalar, içeriği kolona doğru iter.

MMC’lere bu geçişin zamanlaması, gıda hacmine ve kalorik bileşime bağlıdır10. Böylece, ince bağırsak, hareketlilik dönemleri arasında ne zaman geçiş yapılacağını düzenlemek için luminal ipuçlarını örnekler. Luminal içeriklerin fiziksel özellikleri 11, luminal hacim ve duvar gerilimi gibi mekanik ipuçları, GI duvarı 12,13,14,15,16’daki mekanoreseptör hücreleri devreye sokar. Gerçekten de, bir yemeğin katı bileşeninin arttırılması, ince bağırsak geçişinde bir artışa yol açar17. İntraluminal içeriğin sıvı veya katı hali gibi fiziksel özelliklerin, GI duvarı18’de ürettikleri çeşitli kuvvetler nedeniyle farklı mekanoreseptörleri devreye sokması gerektiğini düşünüyoruz.

İnsanlarda in vivo GI transitini ölçmek için altın standart, farelerde olduğu gibi, mideden çıkarken veya kolon19,20 boyunca geçerken sintigrafi ile ölçülen radyoaktif izleyicilerin kullanılmasıdır. Memelilerde, ince bağırsak öngörülemeyen şekillerde döngü yaparak, ince bağırsağın in vivo olarak güvenilir bir şekilde görüntülenmesini zorlaştırır, ancak ilerleme kaydedilmektedir21. Ayrıca, şu anda ince bağırsağın farklı özelliklere ve boyutlara sahip partikülleri nasıl işlediğini ölçmek için araç eksikliği vardır. Buradaki başlangıç noktası, ince bağırsak transiti22,23,24 vebariyer fonksiyonu 22 çalışmasını standartlaştıran altın standart bir teknikti. Floresan bir malzeme ile farelerin gavaging edilmesi, GI hareketliliğinin malzemeyi taşımasını beklemek, GI kanalını eksize etmek, mideden kolona kadar birkaç bölüme ayırmak, floresan niceliği için intraluminal içeriği bölümlemek ve homojenize etmekten oluşur. İki iyileştirme yaptık. İlk olarak, ince bağırsağın fiziksel parçacıkları nasıl dağıttığını belirlemek için gavaged içeriğinin makyajını floresan mikroskobik boncuklar içerecek şekilde değiştirdik. İkincisi, mideden kolon ex vivo’ya kadar tüm GI yolunu görüntüleyerek uzamsal çözünürlüğü geliştirdik ve analizimizi hayvanlar arasında standartlaştırmak için değişken boyutlu bağlama kullandık. Bunun, postprandiyal faz sırasında itici ve segmentleme kasılmalarının dengesi hakkında yeni bilgiler ortaya koyduğunu varsayıyoruz.

Protocol

Burada açıklanan tüm yöntemler, Mayo Clinic’in Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır. 1. Kurulum 8 ila 10 haftalık fareleri 4 saat boyunca hızlı. Farelerin suya erişimini sağlayın.NOT: Burada sunulan tüm deneyler için vahşi tip erkek C57BL / 6J fareleri kullanıyoruz, ancak bunlar herhangi bir suş, cinsiyet ve genotipteki fareler üzerinde gerçekleştirilebilir. 15 mL damıtılmış suyu 4 ?…

Representative Results

Adım 3’ten itibaren temsili sonuçlar gösteriyoruz. Şekil 1 , floresan ölçümleri üst üste yerleştirilmiş sağlam ekşi bağırsakları göstermektedir. Mide (mor) ince bağırsak (turuncu) ile aynı eksen boyunca serilir, ancak kalın bağırsakla (turuncu) örtüşmeyi önlemek için çekumu (mavi) yana doğru hareket ettirmeyi tercih ederiz. Sol panelde kanıtlandığı gibi, organ büyüklüğü nedeniyle bu her zaman mümkün değildir. Sürekli segmentlerin kapsamını en üst…

Discussion

GI yolu, kan damarları gibi diğer boru şeklindeki organlar gibi, homeostazı korumak için mekanik sensörler ve efektörler gerektirir26,27,28. Bununla birlikte, GI yolu, onu geçen malzemelerin fiziksel özelliklerinin öğünler arasında sabit olmaması bakımından benzersizdir. Çeşitli fiziksel özelliklerin (katı, sıvı ve gaz) intraluminal içeriği bağırsaktan geçerek GI mekanoreseptörlerine farklı mekanik g…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

İdari yardım için Bayan Lyndsay Busby’ye ve medya desteği için Bay Joel Pino’ya teşekkür ederiz. NIH hibeleri bu çalışmayı destekledi: DK123549, AT010875, DK052766, DK128913 ve Mayo Clinic Gastroenterolojide Hücre Sinyalizasyonu Merkezi (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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Stevens, C. E., Hume, I. D. . Comparative Physiology of the Vertebrate Digestive System. 2nd ed. , (2004).
  2. Bayliss, W. M., Starling, E. H. The movements and innervation of the small intestine. The Journal of Physiology. 24 (2), 99-143 (1899).
  3. Husebye, E. The patterns of small bowel motility: physiology and implications in organic disease and functional disorders. Neurogastroenterology and Motility. (11), 141-161 (1999).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Szurszewski, J. H. A migrating electric complex of the canine small intestine. American Journal of Physiology. 217 (6), 1757-1763 (1969).
  7. 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).
  8. Johansoon, C., Ekelund, K. Relation between body weight and the gastric and intestinal handling of an oral caloric load. Gut. 17, 456-462 (1976).
  9. Sarna, S. K., et al. Spatial and temporal patterns of human jejunal contractions. American Journal of Physiology. 257 (1), 423-432 (1989).
  10. 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).
  11. Mayer, E. A. Gut feelings: the emerging biology of gut-brain communication. Nature Reviews Neuroscience. 12 (8), 453-466 (2011).
  12. 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).
  13. Kugler, E. M., et al. Mechanical stress activates neurites and somata of myenteric neurons. Frontiers in Cellular Neuroscience. 9, 342 (2015).
  14. Mazzuoli, G., Schemann, M. Mechanosensitive enteric neurons in the myenteric plexus of the mouse intestine. PloS One. 7 (7), 39887 (2012).
  15. 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).
  16. Mao, Y., Wang, B., Kunze, W. Characterization of myenteric sensory neurons in the mouse small intestine. Journal of Neurophysiology. 96 (3), 998-1010 (2006).
  17. 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).
  18. Treichel, A. J., et al. Specialized mechanosensory epithelial cells in mouse gut intrinsic tactile sensitivity. Gastroenterology. 162 (2), 535-547 (2022).
  19. Bharucha, A. E., Anderson, B., Bouchoucha, M. More movement with evaluating colonic transit in humans. Neurogastroenterology and Motility. 31 (2), 13541 (2019).
  20. 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).
  21. Wang, D., et al. Trans-illumination intestine projection imaging of intestinal motility in mice. Nature Communications. 12 (1), 1682 (2021).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Machholz, E., et al. Manual restraint and common compound administration routes in mice and rats. Journal of Visualized Experiments. (67), e2771 (2012).
  26. Baeyens, N., Schwartz, M. A. Biomechanics of vascular mechanosensation and remodeling. Molecular Biology of the Cell. 27 (1), 7-11 (2016).
  27. 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).
  28. Mercado-Perez, A., Beyder, A. Gut feelings: mechanosensing in the gastrointestinal tract. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. , 1-14 (2022).
  29. Brierley, S. M., et al. Splanchnic and pelvic mechanosensory afferents signal different qualities of colonic stimuli in mice. Gastroenterology. 127 (1), 166-178 (2004).
  30. Inoue, Y., et al. Diet and abdominal autofluorescence detected by in vivo fluorescence imaging of living mice. Molecular Imaging. 7 (1), 21-27 (2008).
  31. Szarka, L. A., Camilleri, M. Methods for the assessment of small-bowel and colonic transit. Seminars in Nuclear Medicine. 42 (2), 113-123 (2012).
  32. 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).
  33. Jang, S. F., et al. Size discrimination in rat and mouse gastric emptying. Biopharmaceutics and Drug Disposition. 34 (2), 107-124 (2013).
  34. 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).
  35. Treichel, A. J., Farrugia, G., Beyder, A. The touchy business of gastrointestinal (GI) mechanosensitivity. Brain Research. 1693, 197-200 (2018).

Tags

Small IntestineMechanosensingLuminal ParticulatesGut MechanosensitivityGavageIn Vivo ImagingIntestinal TransitMouse ModelRITC SolutionMicrospheres

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Mercado-Perez, A., Wegner, A., Knutson, K., Zumchak, M., Beyder, A. Studying Murine Small Bowel Mechanosensing of Luminal Particulates. J. Vis. Exp. (181), e63697, doi:10.3791/63697 (2022).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image