Étude de la mécanodétection de l’intestin grêle murin des particules luminales
Summary
Pour étudier comment l’intestin grêle traite les particules de différentes tailles, nous avons modifié une méthode in vivo établie pour déterminer le transit de l’intestin grêle.
Abstract
La motilité gastro-intestinale (GI) est essentielle à une digestion et une absorption normales. Dans l’intestin grêle, qui absorbe les nutriments, la motilité optimise la digestion et l’absorption. Pour cette raison, certains des modèles de motilité dans l’intestin grêle comprennent la segmentation pour le mélange du contenu luminal et le péristaltisme pour leur propulsion. Les propriétés physiques du contenu luminal modulent les modèles de motilité de l’intestin grêle. La stimulation mécanique des circuits mécanosensoriels gastro-intestinaux par le transit du contenu luminal et la motilité intestinale sous-jacente initie et module des schémas moteurs gastro-intestinaux complexes. Pourtant, les mécanismes mécanosensoriels qui conduisent ce processus restent mal compris. Cela est principalement dû à un manque d’outils pour disséquer la façon dont l’intestin grêle manipule des matériaux de différentes propriétés physiques. Pour étudier comment l’intestin grêle traite les particules de différentes tailles, nous avons modifié une méthode in vivo établie pour déterminer le transit de l’intestin grêle. Nous gavage des souris vivantes avec un liquide fluorescent ou de minuscules billes fluorescentes. Après 30 minutes, nous disséquons les intestins pour imager la distribution du contenu fluorescent sur l’ensemble du tractus gastro-intestinal. En plus des mesures à haute résolution du centre géométrique, nous utilisons le regroupement de taille variable et l’analyse spectrale pour déterminer comment différents matériaux affectent le transit de l’intestin grêle. Nous avons exploré comment un mécanisme de « toucher intestinal » récemment découvert affecte la motilité de l’intestin grêle en utilisant cette approche.
Introduction
Le tractus gastro-intestinal (GI) humain est un système organique de plusieurs pieds de long, approximatif comme un tube de dimensions et de propriétés physiquesvariables 1. Au fur et à mesure que le contenu se déplace sur toute sa longueur, la fonction principale du tractus gastro-intestinal est d’absorber les substances essentielles à la vie. L’intestin grêle est spécifiquement responsable de l’absorption des nutriments. Le transit de l’intestin grêle est étroitement régulé pour correspondre aux fonctions de digestion et d’absorption, ce qui entraîne divers modèles de motilité. Bayliss et Starling ont décrit la « loi de l’intestin »2 en 1899, montrant le programme de propulsion contractile dans l’intestin connu aujourd’hui sous le nom de réflexe péristaltique; Le segment proximal au bol alimentaire se contracte pour le propulser vers l’avant, et le segment distal se détend pour le recevoir. En théorie, ce modèle seul pourrait suffire à transporter le matériau par voie aborale, mais plus d’un siècle de recherche a brossé un tableau plus complexe de l’activité contractile dans le tractus gastro-intestinal. Trois périodes de motilité de l’intestin grêle sont reconnues chez l’homme : le complexe moteur migrant (MMC), la période de jeûne et la période postprandiale3. Les mêmes tendances ont été rapportées chez les souris 4,5. La MMC est un moteur cyclique conservé chez la plupart des mammifères 6,7. La MMC a un schéma caractéristique en quatre phases qui sert de marqueur clinique utile dans les troubles gastro-intestinaux fonctionnels7. Les quatre phases, par ordre d’occurrence, sont (I) la quiescence, (II) les contractions irrégulières de faible amplitude, (III) les contractions régulières de haute amplitude, et (IV) la période de ralentissement de l’activitédéclinante 7. Le MMC marque le schéma moteur majeur de la période de jeûne3. Les MMC de la période de jeûne éclaircissent le contenu de l’intestin grêle en préparation du prochain repas.
Les schémas moteurs de la période postprandiale sont optimisés pour les fonctions digestives et absorbantes3. Quelle que soit la composition calorique, le transit initial est rapide le long de l’intestin grêle, le contenu est réparti le long de l’intestin et le transit ralentit ensuite8. L’absorption est optimisée en augmentant la surface de contact et en la ralentissant pour augmenter le temps de séjour. Une fois que les nutriments sont à l’intérieur de la lumière, le schéma dominant consiste en des contractions étroites (<2 cm espacées) non coordonnées (contractions de segmentation), avec quelques contractions superposées de grande amplitude couvrant toute la longueur de l’intestin grêle (contractions péristaltiques)9. Les contractions de segmentation mélangent les contenus intraluminaux en place. Les grandes contractions péristaltiques occasionnelles propulsent le contenu vers le côlon.
Le moment de cette transition vers les CMM dépend du volume alimentaire et de la composition calorique10. Ainsi, l’intestin grêle échantillonne des indices luminaux pour réguler le moment de la transition entre les périodes de motilité. Des indices mécaniques, tels que les propriétés physiques du contenu luminal11, le volume luminal et la tension de la paroi, engagent les cellules mécanoréceptrices dans la paroi gastro-intestinale 12,13,14,15,16. En effet, l’augmentation de la composante solide d’un repas entraîne une augmentation du transit intestinal grêle17. Nous supposons que les propriétés physiques, telles que l’état liquide ou solide du contenu intraluminal, doivent engager différents mécanorécepteurs en raison des diverses forces qu’ils génèrent sur la paroi gastro-intestinale18.
L’étalon-or pour mesurer le transit gastro-intestinal in vivo chez l’homme, comme chez la souris, est l’utilisation de traceurs radioactifs mesurés par scintigraphie lorsqu’ils sortent de l’estomac ou transitent le long du côlon19,20. Chez les mammifères, l’intestin grêle boucle de manière imprévisible, ce qui rend l’intestin grêle difficile à imager in vivo de manière fiable, mais des progrès sont réalisés21. De plus, il y a actuellement un manque d’outils pour quantifier la façon dont l’intestin grêle traite les particules de propriétés et de tailles variables. Le point de départ ici était une technique de référence qui standardise l’étude du transit de l’intestin grêle 22,23,24 et de la fonction barrière 22. Il consiste à gaver des souris avec un matériau fluorescent, à attendre que la motilité gastro-intestinale transporte le matériau, à exciser le tractus gastro-intestinal, à le segmenter en plusieurs sections de l’estomac au côlon, à sectionner et à homogénéiser le contenu intraluminal pour la quantification de la fluorescence. Nous avons apporté deux améliorations. Tout d’abord, nous avons modifié la composition du contenu gavé pour inclure des billes microscopiques fluorescentes afin de déterminer comment l’intestin grêle distribue les particules physiques. Deuxièmement, nous avons amélioré la résolution spatiale en imageant l’ensemble du tractus gastro-intestinal de l’estomac au côlon ex vivo et en utilisant un regroupement de taille variable pour normaliser notre analyse chez les animaux. Nous postulons que cela révèle de nouvelles perspectives sur l’équilibre des contractions propulsives et segmentées pendant la phase postprandiale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le tractus gastro-intestinal, comme d’autres organes tubulaires, tels que les vaisseaux sanguins, nécessite des capteurs et des effecteurs mécaniques pour maintenir l’homéostasie26,27,28. Cependant, le tractus gastro-intestinal est unique en ce sens que les propriétés physiques des matériaux qui le traversent ne sont pas constantes d’un repas à l’autre. Les contenus intraluminaux de diverses propriétés physiques…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions Mme Lyndsay Busby pour son aide administrative et M. Joel Pino pour son soutien aux médias. Les subventions des NIH ont soutenu ce travail: DK123549, AT010875, DK052766, DK128913 et 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 |
References
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