הבדיקה הביולוגית של תאי Caco-2 לזמינות ביולוגית של ברזל (Fe) מייצגת גישה חסכונית ורב-תכליתית להערכת הזמינות הביולוגית של Fe ממזונות, מוצרי מזון, תוספי מזון, ארוחות ואפילו משטרי תזונה. הוא מאומת ביסודיות למחקרים בבני אדם, ומייצג את מצב האמנות למחקרים על זמינות ביולוגית של Fe.
הידע על הזמינות הביולוגית של Fe הוא קריטי להערכת האיכות התזונתית של Fe במזונות. מדידת הזמינות הביולוגית של Fe מוגבלת על ידי עלות, תפוקה והאזהרות הטמונות בסימון איזוטופי של המזון Fe. לפיכך, קיים צורך קריטי בגישה שהיא בעלת תפוקה גבוהה וחסכונית. הביו-אסאי של תאי Caco-2 פותח כדי לספק את הצורך הזה. הבדיקה הביולוגית של תאי Caco-2 לזמינות ביולוגית של Fe משתמשת בעיכול מדומה של קיבה ומעיים בשילוב עם תרבית של קו תאי אפיתל במעיים אנושיים המכונה Caco-2. בתאי Caco-2, ספיגת Fe מגרה את ההיווצרות התוך-תאית של פריטין, חלבון אחסון Fe שנמדד בקלות על ידי בדיקה חיסונית הקשורה לאנזים (ELISA). פריטין נוצר ביחס לספיגת Fe; לפיכך, על ידי מדידת ייצור פריטין תאי Caco-2, ניתן להעריך את ספיגת Fe במעיים מעיכול מזון מדומה לתוך האנטרוציט.
באמצעות גישה זו, המודל משכפל את השלב הראשוני העיקרי שקובע את הזמינות הביולוגית של מזון Fe. מאז הקמתה בשנת 1998, גישת מודל זו הושוותה בקפדנות לגורמים הידועים כמשפיעים על הזמינות הביולוגית של Fe האנושית. יתר על כן, הוא יושם במחקרים מקבילים, עם שלושה מחקרי יעילות אנושית המעריכים גידולים ביולוגיים של Fe. בכל המקרים, הבדיקה הביולוגית ניבאה נכונה את הכמויות היחסיות של הזמינות הביולוגית של Fe מהגורמים, היבולים והתזונה הכללית. מאמר זה מספק שיטות מפורטות על תרבית תאי Caco-2 בשילוב עם תהליך העיכול במבחנה ופריטין התאים ELISA הדרושים לביצוע הבדיקה הביולוגית של תאי Caco-2 לזמינות ביולוגית של Fe.
כדי להבין באופן מלא את הצורך והתועלת המחקריים של בדיקת הביו-אסאי של תאי Caco-2 עבור זמינות ביולוגית של Fe, יש להבין תחילה את הגישות שהיו קיימות לפני הופעתו של מודל זה. מדידת הזמינות הביולוגית של Fe ממזון או מארוחה in vivo היא משימה מאתגרת, במיוחד כאשר יש צורך להעריך שילובים של מזון בארוחה או בדיאטה. תיוג איזוטופי היה הגישה הנפוצה ביותר למדידת הזמינות הביולוגית של Fe במהלך 50 השנים האחרונות1. תיוג איזוטופי משמש למחקרים של ארוחה אחת וארוחות מרובות והוא אינו מעשי למחקרים ארוכי טווח. איזוטופים יציבים של Fe כגון 57Fe ו- 58Fe הם הנפוצים ביותר; עם זאת, מחקרים נערכו עם רדיואיזוטופים כגון 59Fe, תוך שימוש בספירת כל הגוף2. עבור מזונות צמחיים, הסימון האיזוטופי נעשה באמצעות תיוג חיצוני או פנימי. עבור תיוג חיצוני, כמות ידועה של איזוטופ מתווספת למזון או לארוחה. לאחר מכן מערבבים את המזון, ותקופת שיווי משקל של 15-30 דקות משולבת בפרוטוקול לפני הצריכה. תרבית הידרופונית – הוספת האיזוטופ לתמיסת ההזנה כדי לשלב אותו בצמח בזמן שהוא גדל ומתפתח – נדרשת לסימון פנימי של מזונות צמחיים. היתרונות והחסרונות של כל גישה נדונים להלן.
תיוג איזוטופי חיצוני
בתחילת עד אמצע שנות ה-70 של המאה ה-20, ספיגת Fe אנושית נחקרה על ידי סימון חיצוני של Fe במזונות, כאשר כמות ידועה של איזוטופים מתווספת לכמות הידועה של Fe במזון או בארוחה, מעורבבת ומאוזנת במשך 15-30 דקות לפני המדידות. נעשה שימוש בכמויות שונות של איזוטופים חיצוניים, הנעים בין 1% ל-100% מה-Fe הפנימי, אך לרוב בטווח של 7%-30%3. תיוג חיצוני מבוסס על ההנחה שהאיזוטופ החיצוני Fe מקבל שיווי משקל מלא עם Fe הפנימי של המזון או הארוחה. לאחר מכן נמדדת ספיגת איזוטופים חיצוניים, וכל אטום של האיזוטופ החיצוני מחושב כך שייצג מספר נתון של אטומי Fe פנימיים. חישוב זה מבוסס על הסכומים הטוחנים היחסיים. בשנת 1983, מחקרי אימות מרובים של הטכניקה סוכמו במאמר סקירה4. תיקוף הטכניקה נעשה על ידי השוואה בו זמנית של אחוז הקליטה של התווית האיזוטופית החיצונית לאחוזי הקליטה של תווית איזוטופית פנימית. לפיכך, יחס בין הספיגה החיצונית לקליטה הפנימית קרוב ל-1 מצביע על כך שכל מאגר של Fe נספג באופן שווה. באותה תקופה, יחס קרוב ל-1 נחשב גם כמייצג שיווי משקל של האיזוטופ החיצוני עם Fe הפנימי של המזון או הארוחה. היחסים בין ספיגת Fe חיצונית לפנימית נעו בין ערכים ממוצעים של 0.40 ל-1.62, עם יחס ממוצע (±SD) של 1.08 ± 0.14 ב-63 השוואות. חשוב לציין כי בכל המחקרים שסוכמו בסקירה זו, אף אחד מהם לא בדק באופן ישיר את שיווי המשקל של התווית החיצונית עם Fe הפנימי. לסיכום, מחברי הסקירה סיכמו את הדברים הבאים:
“טכניקת התג החיצוני הוכחה כתקפה למספר מזונות בתנאי ניסוי מסוימים. אבל, שיטה זו עדיין לא יכולה להיחשב מוכחת לגבי כל סוגי המזונות. שיטת התג החיצוני אינה מתאימה לניטור ספיגת ברזל מתזונה המכילה צורות בלתי מסיסות של ברזל. תקפותה של טכניקה זו נשענת על ההנחה הבסיסית שהתג החיצוני מתחלף לחלוטין עם כל ברזל המזון האנדוגני. נכון לעכשיו לא ידוע כיצד צורות שונות לחלוטין של ברזל nonheme מסומנים על ידי תג חיצוני. זה חשוב לאור מחקרים שהציעו כי מעכבי ברזל עשויים להשפיע על התג החיצוני באופן שונה מאשר צורות מסוימות של ברזל nonheme במזונות. המחקר על גורמי מזון שיכולים לפגוע בחילוף איזוטופי שלם הוא דל. לפיכך, פרשנות של נתוני זמינות ביולוגית ממחקר תגים חיצוניים דורשת התחשבות במעכבי החלפה שעשויים להיות נוכחים במזון או בתזונה”.
מאז 1983 פורסמו רק שני מחקרים שהעריכו את הדיוק של תיוג חיצוני שלFe 3,5. בשני המחקרים הללו, שיווי המשקל של תווית איזוטופית חיצונית הושווה ישירות ל-Fe הפנימי של המזונות, שבמחקרים אלה היו גידולי מזון בסיסיים. נבדקו זני שעועית לבנה, אדומה ושחורה, יחד עם עדשים ותירס. באמצעות טכניקות עיכול מבוססות במבחנה ומדידת מסיסות Fe ומשקעים, שני המחקרים הראו כי תיוג איזוטופי חיצוני אינו מביא באופן עקבי לשיווי משקל מלא, עם ראיות לכך שעבור זני שעועית מסוימים, חוסר שיווי המשקל יכול להיות גבוה מאוד בהתאם לכמות האיזוטופים החיצוניים וצבע ציפוי הזרעים3. למרות מסקנות מאמר הסקירה משנת 1983, מחקרי סימון חיצוניים של שעועית נמשכו 6,7,8,9,10,11,12. אף אחד מהמחקרים הללו לא כלל בדיקת שיווי המשקל של התווית החיצונית עם Fe הפנימי.
תיוג פנימי
סימון פנימי של מזון צמחי לצורך הערכת הזמינות הביולוגית של Fe מבטל את בעיות הדיוק של שיווי משקל בהתוויה חיצונית. עם זאת, גישה זו אינה יכולה להניב כמויות גדולות של חומר בגלל הדרישה של שטח חממה לתרבית הידרופונית. תרבית הידרופונית דורשת עבודה רבה, דורשת כמות גבוהה של איזוטופ יציב יקר, ולעתים קרובות גורמת לצמיחת צמחים שונה מבחינת היבול וריכוז Fe של הזרעים. בשל העלות, סימון פנימי מתאים רק למחקרים בקנה מידה קטן שמטרתם להבין מנגנונים העומדים בבסיס ספיגת Fe או גורמים המשפיעים על ספיגת Fe ממזונות. ייצור של 1-2 ק”ג של יבול מזון בסיסי עולה כ-20,000-30,000 דולר לחומרים בלבד, תלוי באיזוטופ ובגישה ההידרופונית13,14.
בהתחשב באתגרים הקשורים לתיוג איזוטופי, החוקרים ביקשו לפתח גישות חוץ גופיות. שיטות מוקדמות השתמשו במזון מדומה בקיבה ובמעיים, יחד עם מדידת מסיסות Fe או Fe dialyzability כאומדן לזמינות ביולוגית15. מחקרים כאלה מצאו במהרה כי יכולת הדיאליזה של Fe אינה מדד עקבי לזמינות ביולוגית, שכן Fe יכול להיות מסיס, קשור בחוזקה לתרכובות, ולכן אינו ניתן להחלפה, מה שמוביל להערכת יתר של זמינות ביולוגית. כדי להתמודד עם בעיות אלה, התפתחה מתודולוגיה לשימוש בקו תאי מעיים אנושיים, ובכך הוסיפה מרכיב חי ואפשרה מדידה של קליטת Fe16. תאי המעי האנושי – תאי Caco-2 – מקורם בקרצינומה אנושית של המעי הגס והיו בשימוש נרחב במחקרי ספיגת חומרים מזינים. קו תאים זה שימושי, שכן בתרבית, התאים מתמיינים לאנטרוציטים המתפקדים באופן דומה לתאי גבול המברשת של המעי הדק. מחקרים הראו כי תאי Caco-2 מציגים את הטרנספורטרים המתאימים ואת התגובה לגורמים המשפיעים על ספיגתFe 17,18.
המחקרים הראשוניים, שהשתמשו ברדיואיזוטופים למדידת ספיגת Fe בתאי Caco-2, שוכללו כדי למדוד את ספיגת Fe בהתבסס על היווצרות פריטין של תאי Caco-2. מדידת פריטין של תאי Caco-2 שיפרה את תפוקת הדגימה ושללה בעיות של טיפול ברדיואיזוטופים ושיווי משקל של Fe חיצוני עם Fe19,20 פנימי. מדידת ספיגת Fe באמצעות היווצרות פריטין אפשרה לחוקרים לחקור מגוון רחב של מזונות, כולל ארוחות מורכבות21. לפיכך, עיכול מדומה (במבחנה) בשילוב עם ספיגת Fe של תאי Caco-2 סיפקו הערכה פיזיולוגית טובה יותר של ספיגת Fe ממזונות. חשוב לציין כי מודל זה קובע בעיקר הבדלים יחסיים בזמינות הביולוגית של Fe. בדומה לקווי תאים שימושיים רבים, גם תאי Caco-2 הראו שונות בתגובתיות, אך שמרו על הבדלים יחסיים עקביים בספיגת Fe בין מזונות. טכניקה נכונה ותשומת לב קפדנית לפרטים יכולים לשפר את התגובה העקבית של היווצרות פריטין תאי בתאי Caco-2.
מודל תאי העיכול/Caco-2 במבחנה ידוע גם בשם ביו-אסאי של תאי Caco-2. בדיקה זו אומתה ביסודיות באמצעות השוואה ישירה למחקרים בבני אדם ובבעלי חיים22. בנוסף להשוואה המקבילה הישירה של הבדיקה הביולוגית לניסויים ביעילות אנושית, מודל זה הוכח כבעל תגובה דומה מבחינה איכותית בספיגת Fe לזו שלבני אדם 18,19,23. לכן, כגישה חוץ-גופית, הבדיקה הביולוגית של תאי Caco-2 מצדיקה אמינות גבוהה ככלי סינון להערכת תזונת Fe ממזונות. זה כבר מיושם באופן נרחב על מזונות רבים ומוצרי מזון 21,24,25,26,27,28.
מאז הקמתה בשנת 1998, הביו-אסאי של תאי Caco-2 קידם את תחום תזונת Fe מכיוון שהוא סייע לזהות גורמים המשפיעים על ספיגת Fe במעיים. בכך, מודל זה פיתח ושכלל מטרות מחקר למחקרים אנושיים סופיים יותר ויקרים פחות. אפשר גם לטעון שהשימוש במודל שולל את הצורך בכמה ניסויים בבני אדם.
לסיכום, ניתן למדוד את המסירה היחסית של Fe ממזון או מארוחה באמצעות הביו-אסאי של תאי Caco-2. ללא קשר לכמות Fe בארוחת הבדיקה, הבדיקה הביולוגית מגדירה את הכמות היחסית של Fe שנלקחה לתוך האנטרוציט – השלב הראשון בתהליך הספיגה. זהו הצעד החשוב ביותר בהגדרת הזמינות הביולוגית של Fe, שכן לרוב המטרה היא למדוד מתוך כוונה לשפר או, לכל הפחות, לפקח על האיכות התזונתית של Fe במזון. בהתחשב בכך שמצב הברזל מווסת על ידי ספיגה, ולכן ספיגת Fe מווסתת אצל אנשים עם מחסור ב-Fe כדי לענות על הצרכים התזונתיים, התנאים הסטנדרטיים של המודל מתוכננים כך שספיגת Fe על ידי התאים תהיה מקסימלית. בדרך זו, הבדיקה הביולוגית מספקת מדידה אמיתית של הפוטנציאל של המזון לספק Fe.
מאז הקמתה, פורסמו מחקרים רבים המתארים שיטה זו עבור bioassay תא Caco-2. התנאים הבסיסיים נותרו יחסית ללא שינוי מאז הפרסום הראשוני בשנת1998 18. עם זאת, במהלך 20 השנים האחרונות, פרטים טכניים רבים שוכללו וסטנדרטיים כדי להניב עקביות חסרת תקדים בתגובה של bioassay. היצמדות זהירה ומדויקת לתרבית התאים…
The authors have nothing to disclose.
המחבר אסיר תודה על המאמצים הטכניים של יונגפיי צ’אנג ומרי בודיס. היישום המוצלח ביותר של מודל זה בתחום התזונה הוא תוצאה ישירה של מומחיותם ותשומת הלב לפרטים הקטנים. פיתוח מודל זה מומן כולו על ידי משרד החקלאות של ארצות הברית, שירות המחקר החקלאי.
0.5 M HCl | Fisher Scientific | A508-4 Hydrochloric Acid TraceMetal Grade | |
18 megaohm water | Also known as distilled, deionized water | ||
3,3′,5-Triiodo-L-thyronine sodium salt | Sigma Aldrich Co | T6397 | |
6-well plates | Costar | 3506 | Use for bioassay experiments |
ascorbic acid | Sigma Aldrich Co | A0278 | |
bile extract | Sigma Aldrich Co | B8631 | |
Caco-2 cells | American Type Culture Collection | HTB-37 | HTB-37 is a common variety. |
Cell culture flasks T225 | Falcon | 353138 | |
Cell culture flasks T25 | Corning | 430639 | |
Cell culture flasks T75 | Corning | 430641U | |
Chelex-100 | Bio-Rad Laboratories Inc | 142832 | Known as the weak cation exchange resin in the protocol |
collagen | Corning | 354236 | |
dialysis membrane | Spectrum Laboratories | Spectra/Por 7 Pretreated RC Dialysis Tubing 15,000 MWCO | Spectra/Por 7 Pretreated RC Dialysis Tubing 15,000 MWCO |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium | Gibco | 12100046 | DMEM |
epidermal growth factor | Sigma Aldrich Co | E4127-5X.1MG | |
Ferritin ELISA Assay Kit | Eagle Biosciences | FRR31-K01 | |
fetal bovine serum | R&D Systems | S12450 | Optima |
HEPES | Sigma Aldrich Co | H3375 | |
Hydrocortisone-Water Soluble | Sigma Aldrich Co | H0396 | |
insert ring | Corning Costar | not sold | Transwell, for 6 well plate, without membrane |
insulin | Sigma Aldrich Co | I2643 | |
KCl | Sigma Aldrich Co | P9333 | |
large column | VWR International | KT420400-1530 | |
Minimum Essential Medium | Gibco | 41500034 | MEM |
NaCl | Fisher Scientific | S271 | |
pancreatin | Sigma Aldrich Co | P1750 | |
PIPES disodium salt | Sigma Aldrich Co | Piperazine-1,4-bis(2-ethanesulfonic acid) disodium salt P3768 | |
porcine pepsin | Sigma Aldrich Co | P6887 or (P7012-25G Sigma | |
protein assay kit | Bio-Rad Laboratories Inc | Bio-Rad DC protein assay kit 500-0116 | Measurement of Caco-2 cell protein |
silicone o rings | Web Seal, Inc Rochester NY | 2-215S500 | |
sodium bicarbonate | Fisher Scientific | S233 | |
Sodium selenite | Sigma Aldrich Co | S5261 | |
ZellShield | Minerva Biolabs | 13-0050 | Use at 1% as antibiotic/antimycotic ordered through Thomas Scientific |