Un modèle de rongeur induit par le TNBS pour étudier le rôle pathogène du stress mécanique dans la maladie de Crohn
Summary
Le présent protocole décrit le développement d’un modèle de colite semblable à celui de Crohn chez les rongeurs. L’inflammation transmurale entraîne une sténose au site d’instillation du TNBS et un élargissement mécanique est observé dans le segment proximal de la sténose. Ces changements permettent d’étudier le stress mécanique dans la colite.
Abstract
Les maladies inflammatoires de l’intestin (MII) telles que la maladie de Crohn (MC) sont des troubles inflammatoires chroniques du tractus gastro-intestinal affectant environ 20 pour 1 000 000 en Europe et aux États-Unis. La MC se caractérise par une inflammation transmurale, une fibrose intestinale et une sténose luminale. Bien que les thérapies anti-inflammatoires puissent aider à contrôler l’inflammation, elles n’ont aucune efficacité sur la fibrose et la sténose dans la MC. La pathogenèse de la MC n’est pas bien comprise. Les études actuelles se concentrent principalement sur la délimitation des mécanismes de réponse immunitaire intestinale dérégulés. Alors que l’inflammation transmurale associée à la MC, la fibrose intestinale et la sténose luminale représentent toutes un stress mécanique à la paroi intestinale, le rôle du stress mécanique dans la MC n’est pas bien défini. Pour déterminer si le stress mécanique joue un rôle pathogène indépendant dans la MC, un protocole de modèle de colite de type CD induite par TNBS chez les rongeurs a été développé. Ce modèle d’inflammation transmurale et de fibrose induit par le TNBS ressemble aux caractéristiques pathologiques de la MC dans le côlon. Elle est induite par instillation intracolononique de TNBS dans le côlon distal des rats Sprague-Dawley adultes. Dans ce modèle, l’inflammation transmurale entraîne une sténose au site d’instillation du TNBS (site I). Une distension mécanique est observée dans la portion proximale au site d’instillation (site P), représentant un stress mécanique mais pas d’inflammation visible. La partie colique distale à l’inflammation (site D) ne présente ni inflammation ni stress mécanique. Des changements distinctifs de l’expression des gènes, de la réponse immunitaire, de la fibrose et de la croissance musculaire lisse à différents sites (P, I et D) ont été observés, soulignant un impact profond du stress mécanique. Par conséquent, ce modèle de colite de type CD nous aidera à mieux comprendre les mécanismes pathogènes de la MC, en particulier le rôle du stress mécanique et de l’expression des gènes induits par le stress mécanique dans la dérégulation immunitaire, la fibrose intestinale et le remodelage tissulaire dans la MC.
Introduction
Les maladies inflammatoires de l’intestin (MII), y compris la colite ulcéreuse (CU) et la maladie de Crohn (MC), se caractérisent par une inflammation chronique du tractus gastro-intestinal (GI). Il affecte ~ 1-2 millions d’Américains1. Les coûts annuels estimés des soins des MII aux États-Unis sont de 11,8 milliards de dollars. Contrairement à la CO, la MC est caractérisée par une inflammation transmurale et la formation de sténoses 2,3. La formation de sténoses (sténose) survient chez jusqu’à 70 % des patients atteints de la MC3 et peut être causée par une inflammation transmurale (sténose inflammatoire) ou une fibrose intestinale (sténose fibrotique)4,5. La fibrose intestinale est caractérisée par un dépôt excessif de collagène et d’autres matrices extracellulaires (ECM) avec des cellules musculaires lisses (SMC) comme l’un des principaux types de cellules mésenchymateuses impliquées dans le processus 3,4. L’hyperplasie musculaire lisse associée à l’hypertrophie est un autre changement histologique important de la sténose fibrotique dans laCD 6. Bien que la formation de sténoses dans la MC soit associée à une inflammation chronique, aucun traitement anti-inflammatoire n’est efficace, à l’exception du traitement chirurgical 2,6. Cependant, les récidives post-opératoires sont presque de 100%, avec suffisamment de temps 2,7. En tant que réponse inflammatoire, la fibrose et l’hyperplasie SMC peuvent également se développer dans des conditions non inflammatoires (c.-à-d. occlusion intestinale) dans l’intestin 8,9; on pense que des mécanismes dépendants de l’inflammation et indépendants sont impliqués dans la formation desténoses 3,4. Étant donné que des recherches approfondies sur les mécanismes dépendants de l’inflammation ne se sont pas traduites par un traitement efficace pour la formation de sténoses, des études sur le rôle possible des mécanismes indépendants de l’inflammation dans la fibrose intestinale sont nécessaires.
En tant que facteur non inflammatoire, le stress mécanique (SEP) associé à l’œdème, à l’infiltration de cellules inflammatoires, à la déformation tissulaire, à la fibrose et à la sténose 10,11,12,13 est couramment rencontré dans les MII, en particulier la MC, qui se caractérise par une inflammation transmurale. Le stress mécanique est le plus remarquable dans la CD sténotique, où la sténose (inflammatoire ou fibrotique) dans le site de l’inflammation présente un stress mécanique dans le tissu local et conduit à une distension de la lumière dans le segment proximal au site d’obstruction10,14. Des études in vitro antérieures ont démontré que le stress mécanique modifie l’expression génique de médiateurs inflammatoires spécifiques (c.-à-d. COX-2, IL-6)8,14,15 et les facteurs de croissance (c.-à-d. TGF-β) dans les tissus gastro-intestinaux, en particulier les cellules musculaires lisses intestinales (SMC)16. Des études récentes ont également révélé que l’expression de médiateurs pro-fibrotiques spécifiques tels que le facteur de croissance du tissu conjonctif (CTGF) est très sensible au stress mécanique17,18. On a émis l’hypothèse que le stress mécanique pourrait jouer un rôle pathogène indépendant dans l’inflammation, la fibrose et le remodelage des tissus associés à la MC. Cependant, l’importance pathogène du stress mécanique dans l’inflammation intestinale, la fibrose et l’hyperplasie des muscles lisses dans la MC reste largement inexplorée. Cela peut être dû en partie au fait que l’inflammation est un processus plus visible et mieux étudié que le stress mécanique. Plus important encore, il n’y a pas eu de modèle animal bien défini de MII pour distinguer l’effet du stress mécanique de celui de l’inflammation.
Les travaux actuels décrivent un modèle rongeur de colite de type Crohn induite par injection intracolonique de réactif haptène acide 2,4,6-trinitrobenzène sulfonique (TNBS)19,20, qui pourrait servir à étudier le rôle du stress mécanique dans la MC. Il a été constaté que l’instillation de TNBS induisait une inflammation transmurale localisée (~ 2 cm de longueur) avec rétrécissement de la lumière (sténose) dans le côlon distal. La sténose entraîne une distension intestinale marquée (stress mécanique)14,15 mais une inflammation non visible dans le segment colique proximal du site d’instillation. Au contraire, le segment du côlon distal au site de la sténose ne présente ni inflammation ni stress mécanique. Des changements significatifs spécifiques au site dans l’expression des gènes, l’inflammation, la fibrose et l’hyperplasie SMC ont été observés dans les trois sites différents. Les résultats suggèrent que le stress mécanique, en particulier l’expression génétique induite par le stress mécanique, peut jouer un rôle essentiel dans le développement de la fibrose et de l’hyperplasie dans la colite de Crohn.
Protocol
Representative Results
Discussion
La colite induite par le TNBS a été introduite en 1989 et a été utilisée comme modèle expérimental de la maladie de Crohn depuis lors 19,20,23. Les caractéristiques importantes de ce modèle chez les rongeurs comprennent le développement d’une inflammation transmurale qui ressemble beaucoup aux lésions histopathologiques développées dans la maladie de Crohn humaine19,20<sup class=…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail est soutenu en partie par des subventions des NIH (R01 DK124611 à XZS) et du département de la Défense des États-Unis (W81XWH-20-1-0681 à XZS). Le travail d’histologie a été réalisé avec l’aide du laboratoire de pathologie chirurgicale de l’UTMB.
Materials
| ACT-1 Control Software Ver2.63 | Nikon | DXM1200F | |
| C1000 Touch Thermal Cycler with 96-Well Fast Reaction Module | BIO-RAD | 1851196 | |
| CFX96 Optical Reaction Module for Real-Time PCR Systems | BIO-RAD | 1845097 | |
| Dako Agilent Artisan Link Pro Special stainer | Dako | AR310 | |
| Dako-Agilent Masson's Trichrome Kit ref# AR173 | Dako | AR173 | |
| DXM1200 Digital Color HR Camera | Nikon | DXM1200 | |
| Eukaryotic 18S rRNA Endogenous Control | ThermoFisher Scientific | 4352930E | |
| E-Z Anesthesia | E-Z Systems Inc. | EZ-155 | |
| GraphPad Prism 9 | GraphPad | 9.0.2 (161) | |
| Hard-Shell 96-Well PCR Plates, low profile, thin wall, skirted, white/clear | BIO-RAD | HSP9601 | |
| HBSS (Corning Hank's Balanced Salt Solution, 1x without calcium and magnesium) | CORNING | 21-021-CV | |
| HM 325 Microtome | Thermo Scientific | 23-900-667 | |
| Isoflurane | Piramal | NDC 66794-017-10 | |
| LI-COR Odyssey Digital Imaging System | LI-COR | 9120 | |
| Mastercycler epGradient Thermal Cycler with Control Panel 5340 Thermal Cycler | Eppendorf | 5341 | |
| Medical grade open end polyurethane catheter | Covidien | 8890703013 | |
| NanoDrop 2000/2000c Spectrophotometers | Thermo Fisher Scientific | ND2000CLAPTOP | |
| Nikon Eclipse E800 Upright Microscope | Nikon | E800 | |
| Nitrocellulose/Filter Paper Sandwiches Pkg of 50, 0.45 μm, 7 x 8.5 cm | BIO-RAD | 1620215 | |
| Polyethylene Glycol 3350, Osmotic Laxative | Miralax | C8175 | Dose: 17g in 226 mL of water |
| RNeasy Mini Kit (250) 250 RNeasy Mini Spin Columns, Collection Tubes (1.5 mL and 2 mL), RNase-free Reagents and Buffers |
QIAGEN | 74106 | |
| SuperScript III First-Strand Synthesis System | ThermoFisher Scientific | 18080051 | |
| TaqMan Gene Expression Assays Rn00573960_g1 CTGF Probe | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| TaqMan Gene Expression Assays Rn99999011_m1 IL6 Probe | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| TaqMan Fast Advanced Master Mix | ThermoFisher Scientific | 4444557 | |
| Tissue-Tek Prisma H&E Stain Kit #1 | Sakura | 6190 | |
| Tissue-Tek Prisma Plus Automated Slide Stainer | Sakura | 6171 | |
| TNBS (Picrylsulfonic acid solution) | SIGMA-ALDRICH | 92822 |
References
- Kappelman, M. D., et al. The prevalence and geographic distribution of Crohn’s disease and ulcerative colitis in the United States. Clinical Gastroenterology and Hepatology. 5 (12), 1424-1429 (2007).
- Hwang, J. M., Varma, M. G. Surgery for inflammatory bowel disease. World Journal of Gastroenterology. 14 (17), 2678-2690 (2008).
- Latella, G., Rieder, F. Intestinal fibrosis: Ready to be reversed. Current Opinion in Gastroenterology. 33 (4), 239-245 (2017).
- Rieder, F., Fiocchi, C., Rogler, G. Mechanisms, management, and treatment of fibrosis in patients with inflammatory bowel diseases. Gastroenterology. 152 (2), 340-350 (2017).
- Bettenworth, D., et al. Assessment of Crohn’s disease-associated small bowel strictures and fibrosis on cross-sectional imaging: A systematic review. Gut. 68 (6), 1115-1126 (2019).
- Chen, W., Lu, C., Hirota, C., Iacucci, M., Ghosh, S., Gui, X. Smooth muscle hyperplasia/hypertrophy is the most prominent histological change in Crohn’s fibrostenosing bowel strictures: A semiquantitative analysis by using a novel histological grading scheme. Journal of Crohn’s and Colitis. 11 (1), 92-104 (2017).
- Olaison, G., Smedh, K., Sjödahl, R. Natural course of Crohn’s disease after ileocolic resection: Endoscopically visualised ileal ulcers preceding symptoms. Gut. 33 (3), 331-335 (1992).
- Lin, Y. M., Li, F., Shi, X. Z. Mechanical stress is a pro-inflammatory stimulus in the gut: In vitro, in vivo and ex vivo evidence. PLoS One. 9, 106242 (2014).
- Gabella, G., Yamey, A. Synthesis of collagen by smooth muscle in the hyertrophic intestine. Experimental Physiology. 62 (3), 257-264 (1977).
- Katsanos, K. H., Tsianos, V. E., Maliouki, M., Adamidi, M., Vagias, I., Tsianos, E. V. Obstruction and pseudo-obstruction in inflammatory bowel disease. Annals of Gastroenterology. 23 (4), 243-256 (2010).
- Johnson, L. A., et al. Matrix stiffness corresponding to strictured bowel induces a fibrogenic response in human colonic fibroblasts. Inflammatory Bowel Disease. 19 (5), 891-903 (2013).
- Gayer, C. P., Basson, M. D. The effects of mechanical forces on intestinal physiology and pathology. Cell Signalling. 21 (8), 1237-1244 (2009).
- Cox, C. S., et al. Hypertonic saline modulation of intestinal tissue stress and fluid balance. Shock. 29 (5), 598-602 (2008).
- Shi, X. Z. Mechanical regulation of gene expression in gut smooth muscle cells. Frontiers in Physiology. 8, 1000 (2017).
- Shi, X. Z., Lin, Y. M., Powell, D. W., Sarna, S. K. Pathophysiology of motility dysfunction in bowel obstruction: Role of stretch-induced COX-2. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 300 (1), 99-108 (2011).
- Gutierrez, J. A., Perr, H. A. Mechanical stretch modulates TGF-beta1 and alpha1(I) collagen expression in fetal human intestinal smooth muscle cells. American Journal of Physiology. 277 (5), 1074-1080 (1999).
- Lipson, K. E., Wong, C., Teng, Y., Spong, S. CTGF is a central mediator of tissue remodeling and fibrosis and its inhibition can reverse the process of fibrosis. Fibrogenesis Tissue Repair. 5, 24 (2012).
- Chaqour, B., Goppelt-Struebe, M. Mechanical regulation of the Cyr61/CCN1 and CTGF/CCN2 proteins. The FEBS Journal. 273 (16), 3639-3649 (2006).
- Shi, X. Z., Winston, J. H., Sarna, S. K. Differential immune and genetic responses in rat models of Crohn’s colitis and ulcerative colitis. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 300 (1), 41-51 (2011).
- Antoniou, E., et al. The TNBS-induced colitis animal model: An overview. Annals of Medicine and Surgery (London). 11, 9-15 (2016).
- Shi, X. Z., Sarna, S. K. Gene therapy of Cav1.2 channel with VIP and VIP receptor agonists and antagonists: A novel approach to designing promotility and antimotility agents. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 295 (1), 187-196 (2008).
- Lin, Y. M., Sarna, S. K., Shi, X. Z. Prophylactic and therapeutic benefits of COX-2 inhibitor on motility dysfunction in bowel obstruction: Roles of PGE2 and EP receptors. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver. 302 (2), 267-275 (2012).
- Morris, G. P., Beck, P. L., Herridge, M. S., Depew, W. T., Szewczuk, M. R., Wallace, J. L. Hapten-induced model of chronic inflammation and ulceration in the rat colon. Gastroenterology. 96 (3), 795-803 (1989).
- Mudter, J., Neurath, M. F. Il-6 signaling in inflammatory bowel disease: Pathophysiological role and clinical relevance. Inflammatory Bowel Disease. 13 (8), 1016-1023 (2007).
- Geesala, R., Lin, Y. M., Zhang, K., Shi, X. Z. Targeting mechano-transcription process as therapeutic intervention in gastrointestinal disorders. Frontiers in Pharmacology. 12, 809350 (2021).
