肠道上皮屏障功能和免疫反应失调是炎症性肠病的特征,但由于缺乏生理相关模型,这些特征迄今研究尚不充分。本文介绍一种小鼠肠道环模型,该模型利用血供良好且外置于体外的肠段,在活体条件下研究黏膜通透性和白细胞募集。
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肠道上皮屏障功能和免疫反应失调是炎症性肠病的特征,但由于缺乏生理相关模型,这些特征迄今研究尚不充分。本文介绍一种小鼠肠道环模型,该模型利用血供良好且外置于体外的肠段,在活体条件下研究黏膜通透性和白细胞募集。
肠道黏膜由单层上皮细胞构成,形成一种动态屏障,允许营养物质和水的旁细胞转运,同时阻止管腔细菌和外源性物质的通过。该屏障层的破坏会导致管腔内容物通透性增加以及免疫细胞的募集,这两者均为肠道病理状态的特征,包括炎症性肠病(IBD)。
由于缺乏可用于定量分析的体内实验方法,目前对调控上皮屏障功能以及多形核中性粒细胞(PMN)跨上皮迁移(TEpM)的机制仍不完全清楚。本文介绍了一种可靠的鼠类实验模型,该模型采用外置的小肠末端或近端结肠节段。这种外置的肠段(iLoop)具有完整的血管化,相较于常用于研究上皮细胞单层通透性和PMN迁移的离体腔室方法,具有更优的生理学优势。
我们详细展示了该模型的两种应用:(1)通过检测肠腔内注射后血清中荧光标记的葡聚糖来定量测量肠道通透性;(2)在肠腔内引入趋化因子后,定量评估迁移穿过肠上皮进入肠腔的中性粒细胞(PMN)。我们验证了该模型的可行性,并展示了在缺乏上皮紧密连接相关蛋白JAM-A的小鼠中使用iLoop所获得的结果,与对照组进行比较。已有研究证明,JAM-A在炎症反应过程中可调控上皮屏障功能以及中性粒细胞的跨上皮迁移(PMN TEpM)。我们利用iLoop所得的结果证实了以往的研究,并进一步强调了JAM-A在体内稳态及疾病状态下对肠道通透性和中性粒细胞跨上皮迁移调控的重要性。
iLoop 模型为肠道稳态和炎症的可重复体内研究提供了一种高度标准化的方法,将显著增进对炎症性肠病(IBD)等疾病中肠道屏障功能和黏膜炎症的理解。
肠黏膜包含单层柱状肠上皮细胞(IECs)、下方的固有层免疫细胞以及黏膜肌层。除了吸收营养物质的功能外,肠上皮还作为物理屏障,保护机体内部免受管腔内共生细菌、病原体和饮食抗原的侵害。此外,IECs与固有层免疫细胞协同调节免疫反应,根据具体环境和刺激信号诱导免疫耐受或免疫应答。已有研究报道,上皮屏障的破坏可能先于病理性黏膜炎症的发生,并参与炎症性肠病(IBD)的发展,该疾病包括溃疡性结肠炎和克罗恩病1,2,3,4,5,6,7。溃疡性结肠炎患者表现出多形核中性粒细胞(PMN)过度的跨上皮迁移(TEpM),形成隐窝脓肿,这一现象已被认为与疾病严重程度相关8,9。尽管上皮屏障功能受损和过度免疫反应是IBD的典型特征,但目前仍缺乏可在体内定量评估肠黏膜通透性和免疫细胞募集的实验方法。
研究肠上皮通透性和中性粒细胞跨上皮迁移(PMN TEpM)最常用的方法是采用基于腔室的离体实验,利用培养在半透性多孔膜插入物上的肠上皮细胞(IEC)单层进行实验10,11,12。上皮屏障完整性可通过跨上皮电阻(TEER)的测定,或荧光素异硫氰酸酯(FITC)标记的葡聚糖从顶端向基底侧腔室的旁细胞通量来监测13,14,15。类似地,PMN TEpM 通常通过在下腔室中加入趋化因子来研究16。将中性粒细胞置于上腔室,经过一定孵育时间后,收集并定量迁移至基底侧腔室的中性粒细胞。尽管这些方法具有实用性、操作简便且可重复性高,但显然属于简化模型,未必能准确反映体内实际情况。
在小鼠中,研究肠道旁细胞通透性的常用方法是经口灌胃给予FITC-葡聚糖,随后检测血液血清中出现的FITC-葡聚糖含量13,17。该方法的缺点在于其反映的是整个胃肠道屏障完整性的综合评估,而非特定肠段各自对通透性的贡献。此外,伊文思蓝常用于体内评估血管渗漏18,也被用于评估小鼠和大鼠的肠道黏膜通透性19,20,21。对肠道黏膜中伊文思蓝的定量需要通过在甲酰胺中孵育过夜来提取组织中的染料。因此,同一组织样本无法同时用于研究肠道上皮通透性和中性粒细胞浸润。
本文介绍了一种简化方案,可减少为获得可重复的结肠黏膜通透性和白细胞跨上皮迁移体内数据所需使用的动物数量。因此,我们推荐使用FITC-葡聚糖,其在血清中易于检测,且不会破坏结扎肠段的完整性,从而可将其回收用于后续分析。值得注意的是,结扎肠段模型已在多种物种(包括小鼠、大鼠、兔、犊牛)中用于研究细菌感染(例如 沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和大肠杆菌)22,23,24,25 以及肠道通透性26然而,据我们所知,目前尚无研究探讨中性粒细胞在肠道特定区域(如回肠或结肠)跨上皮迁移的机制,而这些区域常受炎症性肠病累及。
本文介绍了一种稳定可靠的活体显微外科小鼠肠袢(iLoop)模型,该模型采用血供良好且外置于体外的回肠或近端结肠节段。iLoop模型具有生理相关性,可在麻醉状态下活体评估小鼠肠道屏障完整性和中性粒细胞跨上皮迁移(PMN TEpM)。我们展示了两种应用:1)在iLoop内给予4 kDa FITC-葡聚糖后,定量检测血清中的水平;2)在iLoop腔内注射后,定量检测迁移至腔内的中性粒细胞(PMN)数量 强效趋化因子白三烯B4 (LTB4)27此外,利用iLoop模型与 Jam-a-基因敲除小鼠或肠上皮细胞中特异性缺失JAM-A的小鼠(Villin-cre;Jam-a fl/fl与对照小鼠相比,我们能够证实先前研究的结论,即紧密连接相关蛋白 JAM-A 在肠道通透性和中性粒细胞跨膜迁移中具有重要作用。15,28,29,30,31.
iLoop 模型是一种高度功能化且符合生理条件的方法,可用于验证体外实验。此外,该模型具有良好的通用性,可用来研究多种可注入袢腔内的试剂,包括趋化因子、细胞因子、细菌病原体、毒素、抗体以及治疗药物。
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所有动物实验均依照美国国立卫生研究院的指南和政策进行,并经机构动物护理与使用委员会批准。 & 密歇根大学使用委员会。
1. 术前准备
注意:本方法使用8至12周龄、C57BL/6遗传背景的成年小鼠建立。所有小鼠均饲养于严格的无特定病原体环境中,可自由摄取普通饲料和水。实验所用小鼠包括C57BL/6小鼠、Jam-a基因敲除小鼠(Jam-a-/-),以及肠上皮细胞特异性缺失JAM-A的小鼠(Villin-cre;Jam-afl/fl),同时以同窝出生的Jam-afl/fl小鼠作为对照,如先前所述30。
2. 回肠袢的制备
3. 近端结肠袢(pcLoop)的构建
注意:有关用于生成 pcLoop 的小鼠的详细信息,请参见方案部分开头提供的信息。
4. 肠道通透性的定量评估:4 kDa FITC-葡聚糖检测
5. 化学趋化因子肠腔内刺激后迁移至肠腔的中性粒细胞的定量评估
注意:在基础状态下,仅有极少数中性粒细胞(PMN)存在于肠黏膜中。用促炎性细胞因子对动物进行预处理,可产生一种促炎环境,从而促进中性粒细胞从血液中募集至肠黏膜。
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回肠环和pcLoop模型的示意图如下所示 图1 和 图2,分别。解剖图展示了该操作的关键步骤,包括肠段的外置(图1B 和 图2B),确定适合结扎的位置,以最大程度减少对血液供应的干扰(图1C 和 图 2C)以及切割后对iLoop末端进行清洗并连接,随后可向其中填充试剂溶液(图1D 和 图 2D重要的是,iLoop 模型能够保留关键的血液供应,并允许所施加试剂(如 FITC-葡聚糖或强效的中性粒细胞趋...
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在炎症性肠病(IBD)等病理条件下,导致肠道屏障功能失调和免疫细胞募集的机制尚未完全阐明。本文详细介绍了一种可靠的体内小鼠模型,该模型采用血供良好的外置小肠末端或近端结肠节段,可用于评估肠道通透性、中性粒细胞迁移以及其他相关研究。
iLoop 是一种在活体动物上进行的非恢复性手术。实验过程中必须持续监测麻醉状态,并强制评估镇静深度。最关键的步骤包括:(1)iLoop 的分离,(2)切断端的结扎,以及(3)通过管腔内注射试剂溶液使 iLoop 膨胀。在上述每一步中均可能发生出血,从而影响 iLoop 的血液供应并干扰实验结果的准确性。值得注意的是,在 PMN 跨上皮迁移(TEpM)实验中若出现罕见的管腔内出血情况,本文所提供的流式细胞术设门策略将有助于区分从 iLoop 跨膜迁移的 PMN 与直接来源于血液循环的 PMN(未迁移 PMN)。与循环中的 PMN 相比,收集于 iLoop 管腔内的跨膜迁移 PMN 表面标志物 CD11b10 的表达水平显著升高(图 4D)。
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢维尔茨堡大学的 Sven Flemming 博士在建立近端结肠环模型方面所做的贡献,感谢 Sean Watson 对小鼠品系的管理,以及 Chithra K. Muraleedharan 在获取 iLoop 模型图片过程中提供的帮助。本研究由德国研究基金会/DFG(项目编号 BO 5776/2-1)资助 KB,以及 R01DK079392、R01DK072564 和 R01DK061379 项目资助 C.A.P。
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