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의학

내강 미립자의 쥐 소장 기계 감지 연구

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

소장이 다양한 크기의 미립자를 처리하는 방법을 연구하기 위해 우리는 소장 통과를 결정하기 위해 확립된 생체 내 방법을 수정했습니다.

Abstract

위장(GI) 운동성은 정상적인 소화 및 흡수에 매우 중요합니다. 영양분을 흡수하는 소장에서 운동성은 소화와 흡수를 최적화합니다. 이러한 이유로, 소장의 운동성 패턴 중 일부는 내강 내용물의 혼합을위한 분할과 추진을위한 연동 운동을 포함한다. 루미 날 내용물의 물리적 특성은 소장 운동성의 패턴을 조절합니다. 내강 내용물과 기본 장 운동성을 전달하여 GI 기계 감각 회로의 기계적 자극은 복잡한 GI 모터 패턴을 시작하고 조절합니다. 그러나이 과정을 주도하는 기계 감각 메커니즘은 제대로 이해되지 않고 있습니다. 이것은 주로 소장이 다른 물리적 특성의 물질을 처리하는 방법을 해부하는 도구가 부족하기 때문입니다. 소장이 다양한 크기의 미립자를 처리하는 방법을 연구하기 위해 우리는 소장 통과를 결정하기 위해 확립된 생체 내 방법을 수정했습니다. 우리는 형광 액체 또는 작은 형광 구슬로 살아있는 쥐를 위축합니다. 30분 후, 우리는 장을 해부하여 위장관 전체에 걸친 형광 내용물의 분포를 이미지화합니다. 기하학적 중심의 고해상도 측정 외에도 가변 크기 비닝 및 스펙트럼 분석을 사용하여 다양한 물질이 소장 이동에 어떤 영향을 미치는지 결정합니다. 우리는 최근에 발견 된 “장 접촉”메커니즘이이 접근법을 사용하여 소장 운동성에 어떻게 영향을 미치는지 탐구했습니다.

Introduction

인간 위장관(GI)은 수 피트 길이의 장기 시스템으로, 다양한 치수와물리적 특성의 튜브로 대략 근사합니다1. 내용물이 길이를 따라 이동함에 따라 위장관의 주요 기능은 생명에 중요한 물질을 흡수하는 것입니다. 소장은 특히 영양소 흡수를 담당합니다. 소장의 통과는 소화 및 흡수 기능에 맞게 엄격하게 조절되어 다양한 운동성 패턴을 생성합니다. Bayliss와 Starling은 1899 년에 “장의 법칙”2을 기술하여 오늘날 연동 반사로 알려진 장의 수축 추진 프로그램을 보여줍니다. 식품 덩어리에 가까운 세그먼트는 그것을 앞으로 추진하기 위해 수축하고 원위 세그먼트는 그것을 받기 위해 이완됩니다. 이론적으로이 패턴만으로도 물질을 낙태 적으로 운반하기에 충분할 수 있지만 한 세기가 넘는 연구를 통해 위장관의 수축 활동에 대한보다 복잡한 그림이 그려졌습니다. 인간에서 세 가지 소장 운동 기간이 인식됩니다 : 이동 운동 복합체 (MMC), 금식 기간 및 식후 기간3. 동일한 패턴이 마우스 4,5에서보고되었습니다. MMC는 대부분의 포유동물에 걸쳐 보존된 순환 운동 패턴이다(6,7). MMC는 기능성GI 장애7에서 유용한 임상 마커로서 작용하는 특징적인 4상 패턴을 갖는다. 발생 순서의 4 단계는 (I) 정지, (II) 불규칙하고 낮은 진폭 수축, (III) 규칙적인 고 진폭 수축 및 (IV) 활동 감소의 램프 다운 기간7입니다. MMC는 금식 기간3의 주요 운동 패턴을 표시합니다. 금식 기간의 MMC는 다음 식사를 준비하기 위해 소장의 내용물을 깨끗이합니다.

식후 기간의 운동 패턴은 소화 및 흡수 기능에 최적화되어 있습니다3. 칼로리 구성에 관계없이 초기 이동은 소장을 따라 빠르며 내용물은 장의 길이를 따라 퍼지고 이후 이동이 느려집니다8. 흡수는 접촉 표면적을 늘리고 속도를 늦추어 체류 시간을 늘림으로써 최적화됩니다. 영양소가 내강 내부에 있으면 지배적 인 패턴은 가까운 (<2cm 간격의) 조정되지 않은 수축 (분할 수축)으로 구성되며, 소장의 전체 길이에 걸쳐 몇 개의 겹쳐진 큰 진폭 수축 (연동 수축)9. 분할 수축은 관강 내 내용물을 제자리에 혼합합니다. 때때로 큰 연동 수축은 내용물을 결장쪽으로 추진합니다.

MMC로 다시 전환하는시기는 음식의 양과 칼로리 조성에 달려 있습니다10. 따라서, 소장 샘플은 운동성 기간 사이의 전환시기를 조절하기 위해 내강 신호를 샘플링합니다. 내강 내용물(11)의 물리적 특성, 내강 부피 및 벽 장력과 같은 기계적 단서는 GI 벽(12,13,14,15,16) 내의 기계수용체 세포에 관여한다. 실제로, 식사의 고체 성분을 증가시키는 것은 소장 통과의 증가로 이어진다17. 우리는 관강 내 내용물의 액체 또는 고체 상태와 같은 물리적 특성이 GI 벽(18)에서 생성하는 다양한 힘으로 인해 다른 기계 수용체와 결합해야한다고 추측합니다.

마우스에서와 같이 인간의 생체 내 GI 통과를 측정하기위한 황금 표준은 신티그라피로 측정 한 방사성 추적자가 위를 빠져 나가거나 결장을 따라 이동할 때 사용하는 것입니다19,20. 포유류에서 소장은 예측할 수 없는 방식으로 순환하여 소장을 생체 내에서 안정적으로 이미지화하기 어렵게 만들지만 진전이 이루어지고 있습니다21. 또한, 현재 소장이 다양한 특성과 크기의 미립자를 처리하는 방법을 정량화하는 도구가 부족합니다. 여기서 출발점은 소장 통과 22,23,24 및 장벽 기능 22에 대한 연구를 표준화하는 금 표준 기술이었습니다. 형광 물질로 마우스를 위영하고, GI 운동성이 물질을 운반 할 때까지 기다리고, 위관을 절제하고, 위에서 결장까지 여러 섹션으로 분할하고, 절편화하고, 형광 정량화를 위해 관강 내 내용물을 균질화하는 것으로 구성됩니다. 두 가지를 개선했습니다. 먼저, 우리는 소장이 물리적 미립자를 어떻게 분포시키는지 결정하기 위해 형광 현미경 비드를 포함하도록 위압 내용물의 구성을 변경했습니다. 둘째, 위와 결장까지 생체 외 전체 위장관을 이미징하여 공간 해상도를 개선하고 다양한 크기의 비닝을 사용하여 동물에 대한 분석을 표준화했습니다. 우리는 이것이 식후 단계에서 추진력과 분할 수축의 균형에 대한 새로운 통찰력을 보여준다고 가정합니다.

Protocol

여기에 설명 된 모든 방법은 Mayo Clinic의 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)의 승인을 받았습니다. 1. 설정 8-10 주 된 마우스를 4 시간 동안 빠르게 만듭니다. 생쥐에게 물을 제공하십시오.참고: 여기에 제시된 모든 실험에 야생형 수컷 C57BL/6J 마우스를 사용하지만 모든 균주, 성별 및 유전자형의 마우스에서 수행할 수 있습니다. 4°C 냉장고의 50mL ?…

Representative Results

3단계부터 대표적인 결과를 보여줍니다. 그림 1 은 형광 측정이 겹쳐진 온전한 이식된 장을 보여줍니다. 위 (보라색)는 소장 (주황색)과 같은 축을 따라 놓여 있지만 대장 (주황색)과 겹치지 않도록 맹장 (파란색)을 옆으로 움직이는 것을 선호합니다. 왼쪽 패널에서 알 수 있듯이 장기 크기로 인해 항상 가능한 것은 아닙니다. 우리는 연속 세그먼트의 적용 범위를 최대화하기 ?…

Discussion

위장관은, 혈관과 같은 다른 관형 기관들처럼, 항상성26,27,28을 유지하기 위해 기계적 센서 및 이펙터를 필요로 한다. 그러나 위장관은 그것을 가로 지르는 물질의 물리적 특성이 식사 전반에 걸쳐 일정하지 않다는 점에서 독특합니다. 다양한 물리적 특성 (고체, 액체 및 기체)의 강내 내용물은 장을 통과하여 GI 기계 수용체에 ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

행정 지원을 해주신 린지 버스비 여사와 미디어 지원을 해주신 조엘 피노 여사님께 감사드립니다. NIH 보조금은 DK123549, AT010875, DK052766, DK128913 및 위장병 학 세포 신호 전달을위한 메이요 클리닉 센터 (DK084567)에서이 작업을 지원했습니다.

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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References

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Keywords: Small IntestineMechanosensingLuminal ParticulatesGut MechanosensitivityGavageIn Vivo ImagingIntestinal TransitMouse ModelRITC SolutionMicrospheres
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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).
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