Мембранный транспорт является одним из самых фундаментальных понятий, которые преподаются студентам бакалавриата по всем основным дисциплинам биологических наук, как фундаментальным, так и прикладным. Традиционно движение по мембранам визуализировалось с помощью метаболитов, меченных радиоактивными изотопами. Однако эти методы чрезвычайно опасны и неприменимы для преподавания или обучения. В то время как эмпирическое обучение является лучшим педагогическим методом для понимания таких сложных концепций, это проблема, которая еще больше усугубляется отсутствием инфраструктуры, дорогими флуоресцентными красителями/метаболитами и, что самое главное, запретом на эксперименты по вскрытию животных. Таким образом, существует потребность в разработке инструментов и альтернативных методов, которые были бы не только безопасными, но и недорогими и осуществимыми в лабораторных условиях бакалавриата. Здесь был разработан новый метод обучения мембранному транспорту для студентов бакалавриата. Представленный протокол, адаптированный из Agar et al. 19548, демонстрирует однонаправленный активный мембранный транспорт гистидина через клетки кишечника козы. Это исследование было предпринято для демонстрации использования анализа на основе колориметрии для визуализации абсорбции гистидина через кишечные мембраны. Она проста, воспроизводима и понятна студентам и может быть выполнена в любых лабораторных условиях.
Модель перевернутого кишечного мешка была впервые разработана Уилсоном и Уайзманом10, которая позже была усовершенствована для повышения жизнеспособности тканей. Механизмы и кинетика абсорбции лекарственного средства были выяснены с использованием инвертированных мешочков кишечника11. К преимуществам данной модели можно отнести большую площадь для поглощения; Однако жизнеспособность тканей является одним из ограничивающих параметров. Сообщалось, что кишечная ткань остается жизнеспособной и метаболически активной в физиологических условиях в течение ~2 ч11. Еще одним потенциальным предостережением этого подхода, которое необходимо учитывать, является невозможность удаления слизистой оболочки мышц и сероза из препаратов инвертированного мешка. Связывание определенных соединений с мышечным слоем может ограничивать или недооценивать транспорт этих соединений. Несмотря на то, что модель перевернутого кишечного мешка является чувствительной и специфичной, на результаты может повлиять множество факторов. К таким факторам относятся возраст, пол, вид, диета и состояние болезни животного, а также сегмент кишечника, используемый для анализа (подвздошная кишка, тощая кишка, двенадцатиперстная кишка и толстая кишка). Факторы окружающей среды, такие как pH, аэрация и температура, также влияют на результаты12.
Показано, что задержка забора из кишечника и состояние животного (живого/мертвого) влияет на активный транспорт в дуоденальных сегментах кишечника крысы. Сбор урожая у животных, находящихся под наркозом, обеспечивает минимальные временные задержки, что позволяет избежать порчи транспортера13. Однако, в связи с запретом на вскрытие животных в университетах, в нашей экспериментальной установке использовались кишки только что умерщвленных животных. В то время как этот протокол может быть успешно использован для установления качественного поглощения метаболита энтероцитами, его использование в исследованиях, связанных с кинетикой мембранного транспорта, ограничено. Наиболее важным этапом этого протокола является успешная подготовка герметичных инвертированных кишечных мешков с жизнеспособными энтероцитами. Хрупкая природа и жизнеспособность ворсинок и энтероцитов представляют собой сложную задачу, которую можно преодолеть с помощью практики. Кроме того, учитывая, что исходный материал не происходит от какой-либо инбредной сингенной популяции животных, изменчивость результатов между экспериментами является существенным недостатком. Это можно преодолеть с помощью использования нескольких реплик от одного и того же животного. Учитывая эти соображения, метод, представленный в данном исследовании, следует использовать исключительно в качестве педагогического инструмента в практической подготовке студентов.
Описанный протокол был успешно использован для демонстрации транспорта гистидина. Однонаправленное поглощение натрия и гистидина в перевернутые мешочки указывает на тип сиконка вторичного активного транспорта. Кишечная абсорбция нейтральных аминокислот происходит в соответствии с векторной кинетикой, которая зависит от градиента концентрации, задаваемого АТФазой Na+ K+. Аналогичная установка поддерживает внутриклеточный отрицательный мембранный потенциал и внеклеточную концентрацию натрия на уровне 150 мМ. Оба эти фактора стимулируют активный транспорт нейтральных аминокислот с помощью B0AT на апикальном конце и последующее перемещение из энтероцита на базолатеральном конце с помощью LAT1. Интересно, что при более высоких концентрациях солей (200 мМ) не наблюдалось существенной разницы в поглощении в зависимости от времени. На данный момент мы не можем комментировать причину такого наблюдения; однако та же экспериментальная установка может быть расширена за счет включения множественных концентраций натрия с переменными временными точками и контроля с 150 мМ холина хлорида для демонстрации зависимого от натрия транспорта и возможного вклада за счет насыщения.
В принципе, перевернутые мешочки тощей кишки козы/свиньи/крысы/мыши могут быть использованы для демонстрации кишечной абсорбции различных пищевых метаболитов, при условии проведения биохимического анализа для оценки. Кроме того, можно проанализировать влияние других компонентов, которые потенциально могут препятствовать всассыванию в кишечнике или ингибиторам мембранного транспорта. Инвертированные мешочки были эффективно использованы в качестве инструмента в фармацевтических исследованиях для изучения абсорбции лекарств in vitro , кишечного метаболизма лекарств и роли транспортера в абсорбции лекарств. Наконец, этот метод является примером демонстрации мембранного транспорта ex vivo и основан не на бесклеточном экстракте (in vitro), а на образце ткани. Тем не менее, это преимущество компенсируется наличием неинфицированных кишечника коз, свиней и крыс, что может быть ограничивающим фактором.
Среди многих педагогических инструментов, доступных учителю для улучшения процесса обучения, эмпирическое обучение или «обучение на практике» является философией и методологией обучения, которая является наиболее прогрессивным и эффективным методом обучения, предоставляющим студентам возможность получить целостное понимание тем лекций. Эмпирическое обучение обеспечивает практическое участие студентов, а также инструктора, который обеспечивает поддержку и наставничество во время этого активного процесса обучения14. Он служит отличной альтернативой традиционному теоретическому обучению в классе, особенно в некоторых тяжелых и интегративных концепциях, таких как мембранный транспорт, которые студентам часто трудно представить. Такие упражнения также будут способствовать интерактивному и совместному обучению как со стороны коллег, так и со стороны наставников. Данная инициатива является шагом вперед в направлении создания и обеспечения возможности получения не только информативного, но и запоминающегося опыта обучения, который может быть преобразующим для студента, значительно влияя на общий опыт обучения.