In vitro Caracterización funcional de ratón colorrectal aferente Endings
Summary
This video demonstrates a protocol for conducting single-fiber electrophysiological recordings on an in vitro mouse colorectum-nerve preparation.
Abstract
Este video muestra en detalle una fibra única protocolo de registro electrofisiológico in vitro usando una preparación ratón colon y recto-nervio. El enfoque imparcial permite la identificación y caracterización funcional de los aferentes colorrectales individuales. Grabaciones extracelulares de los potenciales de acción se propagan (AP) que se originan en uno o unos pocos aferente (es decir, de una sola fibra) campos receptivos (FR) en el colon y recto están hechos de fascículos de fibras nerviosas burlado. El colon y recto se retira, ya sea con la pelvis (PN) o esplácnico lumbar (LSN) nervio conectado y abierto longitudinalmente. El tejido se coloca en una cámara de registro, clavado plana y perfundidos con solución de Krebs oxigenada. Estimulación eléctrica focal se utiliza para localizar las terminaciones aferentes colorrectales, que son probados además por tres estímulos mecánicos distintos (embotar sondeo, acariciando la mucosa y estiramiento circunferencial) para clasificar funcionalmente los aferentes en cinco mechanosensiclases tivas. Endings responden a ninguno de estos estímulos mecánicos se clasifican como aferentes mecánicamente insensibles (MIAs). Tanto mechanosensitive y MIAs pueden ser evaluados para la sensibilización (es decir, la respuesta mejorada, umbral reducido, y / o adquisición de mechanosensitivity) por la exposición localizada de RFs a los productos químicos (por ejemplo, sopa inflamatoria (IS), la capsaicina, el trifosfato de adenosina (ATP)). Describimos el equipo y preparación de grabación de colon y recto-nervio, la cosecha de colon y recto con PN adjunto o LSN, la identificación de los FR en el colon y recto, la grabación de una sola fibra de los fascículos nerviosos, y la aplicación localizada de productos químicos para la RF. Además, también se discuten los retos de la preparación y la aplicación de la estimulación mecánica estandarizada.
Introduction
El dolor y la hipersensibilidad son las quejas predominantes de pacientes que sufren de trastornos gastrointestinales funcionales, incluyendo el síndrome del intestino irritable (IBS), que existen en la ausencia de causa patobiológico aparente o daño tisular. Por ejemplo, los pacientes con SII presentan hipersensibilidad, incluyendo las respuestas aumentadas a la distensión rectal globo y aumento de la sensibilidad durante la función normal del intestino, así como hipersensibilidad de referencia somáticas (es decir, sensibilidad a la palpación de la zona abdominal) 1. Debido a la orientación aferentes colorrectal ha demostrado ser eficaz en el alivio de dolor e hipersensibilidad en los pacientes con SII (por ejemplo, la instilación intra-rectal de los anestésicos locales 2,3; ingestión oral de la guanilato ciclasa C agonista linaclotide 4-6), la mejora de la comprensión de la inervación aferente del colon y recto es importante.
Aferentes viscerales aferentes, incluyendo colorrectal, Son capaces de responder a las modalidades químicas / en nutrientes y térmicos (por ejemplo, 7-9). Sin embargo, los aferentes viscerales que responden a estímulos mecánicos (es decir, aferentes mechanosensitive) han sido el más estudiado, porque los estímulos mecánicos (por ejemplo, distensión luminal, estrías) son los que generalmente dan lugar a sensaciones conscientes, incluyendo malestar y dolor 10-16. Además, las vísceras también están inervadas por fibras aferentes mecánicamente insensibles (MIAs), comúnmente denominadas nociceptores silenciosos o para dormir 17. En condiciones fisiológicas normales, MIAs no responden a la estimulación mecánica o tienen muy alta respuesta umbrales de 18, pero pueden llegar a ser activa y adquirir mechanosensitivity en condiciones fisiopatológicas y contribuir a la hipersensibilidad.
Uso de la preparación in vitro y el protocolo descrito aquí, hemos desarrollado y empleamos una estrategia de estímulo eléctrico al mar RCH para terminaciones receptivo, que permitan identificar imparcial de ambas terminaciones mechanosensitive y MIA en el colon y recto 19. La inervación colorrectal se deriva de esplácnico lumbar (LSN) y el nervio pélvico (PN) itinerarios, e incluye los aferentes colorrectal que se pueden clasificar en cinco clases mechanosensitive (serosa, mucosa, muscular, músculo-mucoso, mesentéricos) y una clase MIA 20. Usando esta preparación in vitro, se encontró que MIAs colorrectales mechanosensitivity adquirida (sensibilizar) siguiente breve exposición de sus campos receptivos a una sopa inflamatoria (IS), que sensibiliza 71% de MIAs en la vía de PN y 23% de MIAs en la vía LSN 19. También documentamos sensibilización a largo plazo (hasta 28 días) de los desaparecidos en acción en el contexto de larga duración hipersensibilidad visceral comportamiento (es decir, en los ratones que recibieron tratamientos intracolónicas con zymosan 21 o ácido 2,4,6-trinitrobencenosulfónico (TNBS) 22) .
jove_content "> Entre los aferentes mechanosensitive, aferentes musculares y músculo-mucosas son las únicas clases que tónicamente codifican tramo circunferencial del colon y recto (es decir, son sensibles al estiramiento) y estar al servicio de la codificación de la distensión colorrectal nociva 23,24. El uso de un controlado por ordenador la fuerza del actuador, se aplicó un estándar, homogéneo, y el estiramiento en rampa reproducible en la dirección circunferencial del tejido colorrectal aplanada y clasifican además aferentes sensibles al estiramiento como de bajo umbral y de alto umbral 23. Además, el curso temporal de la sensibilización de estiramiento aferentes -sensibles después zimosan intracolónica 21 o 22 TNBS tratamiento corresponde a la aparición, persistencia y / o recuperación de la hipersensibilidad visceral de comportamiento, lo que sugiere un papel de los aferentes colorrectales sensibles al estiramiento en el dolor visceral e hipersensibilidad.Protocol
Representative Results
Discussion
El vitro preparación colon y recto-nervio en descrito aquí ha demostrado ser un poderoso enfoque para estudiar las funciones de codificación neural de aferentes colorrectales individuales, que complementa muy bien con otros métodos no funcionales (por ejemplo, estudios celulares, moleculares e histológicos) sobre las neuronas sensoriales viscerales ( ver el comentario 27 para más detalles). Mecanismos neuronales que contribuyen a la nocicepción y la hipersensibilidad colorrec…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Supported by NIH award R01 DK093525 (GFG). We greatly appreciate the scientific review and grammatical editing of the manuscript by Dr. Amber Shaffer (University of Pittsburgh) and thank Michael Burcham for assistance in preparation of figures.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Leica MZ16 stereo microscope | Leica Microsystems Inc. | ||
| Leica IC D camera | Leica Microsystems Inc. | ||
| Amplifier | World Precision instruments, Inc. | SYS-DAM80 | Low-noise differential amplifier |
| Two-compartment tissue chamber | Custom made | ||
| Power1401 | Cambridge Electronic Design Limited | Power1401 | Data acquisition, analog signal input/out |
| Spike2 v5.02 | Cambridge Electronic Design Limited | Software package that works with the Power1401 | |
| Audio monitor | Natus | Am 8 | |
| Square pulse stimulator | Natus | S48 | To deliver electrical stimuli |
| Photoelectric isolation unit | Natus | PSIU6 | Stimulus isolation to reduce noise |
| Concentric bipolar microelectrode | FHC Inc. | CBFFG75 | To deliver electrical stimuli |
| Dual-mode lever system | Aurora Scientific Inc. | Series 300C | To deliver mechanical stimuli |
| forceps | Fine Science Tools | 11252-00 | forceps with fine tips |
References
- Naliboff, B. D., et al. Evidence for two distinct perceptual alterations in irritable bowel syndrome. Gut. 41, 505-512 (1997).
- Verne, G. N., Robinson, M. E., Vase, L., Price, D. D. Reversal of visceral and cutaneous hyperalgesia by local rectal anesthesia in irritable bowel syndrome (IBS) patients. Pain. 105, 223-230 (2003).
- Verne, G. N., Sen, A., Price, D. D. Intrarectal lidocaine is an effective treatment for abdominal pain associated with diarrhea-predominant irritable bowel syndrome. Journal of Pain. 6, 493-496 (2005).
- Chey, W. D., et al. Linaclotide for irritable bowel syndrome with constipation: a 26-week, randomized, double-blind, placebo-controlled trial to evaluate efficacy and safety. Am J Gastroenterol. 107, 1702-1712 (2012).
- Rao, S., et al. A 12-week, randomized, controlled trial with a 4-week randomized withdrawal period to evaluate the efficacy and safety of linaclotide in irritable bowel syndrome with constipation. Am J Gastroenterol. 107, 1714-1724 (2012).
- Busby, R. W., et al. Pharmacologic properties, metabolism, and disposition of linaclotide, a novel therapeutic peptide approved for the treatment of irritable bowel syndrome with constipation and chronic idiopathic constipation. J Pharmacol Exp Ther. 344, 196-206 (2013).
- Mei, N. Intestinal chemosensitivity. Physiol Rev. 65, 211-237 (1985).
- Mei, N., Lucchini, S. Current data and ideas on digestive sensitivity. J Auton Nerv Syst. 41, 15-18 (1992).
- Su, X., Gebhart, G. F. Mechanosensitive pelvic nerve afferent fibers innervating the colon of the rat are polymodal in character. J Neurophysiol. 80, 2632-2644 (1998).
- McMahon, S. B., Morrison, J. F. Spinal neurones with long projections activated from the abdominal viscera of the cat. J Physiol. 322, 1-20 (1982).
- Cervero, F., Sann, H. Mechanically evoked responses of afferent fibres innervating the guinea-pig’s ureter: an in vitro study. J Physiol. 412, 245-266 (1989).
- Sengupta, J. N., Gebhart, G. F. Mechanosensitive properties of pelvic nerve afferent fibers innervating the urinary bladder of the rat. J Neurophysiol. 72, 2420-2430 (1994).
- Sengupta, J. N., Gebhart, G. F. Characterization of mechanosensitive pelvic nerve afferent fibers innervating the colon of the rat. J Neurophysiol. 71, 2046-2060 (1994).
- Habler, H. J., Janig, W., Koltzenburg, M. Activation of unmyelinated afferent fibres by mechanical stimuli and inflammation of the urinary bladder in the cat. J Physiol. 425, 545-562 (1990).
- Habler, H. J., Janig, W., Koltzenburg, M. A novel type of unmyelinated chemosensitive nociceptor in the acutely inflamed urinary bladder. Agents Actions. 25, 219-221 (1988).
- Brierley, S. M., Jones, R. C., Gebhart, G. F., Blackshaw, L. A. Splanchnic and pelvic mechanosensory afferents signal different qualities of colonic stimuli in mice. Gastroenterology. 127, 166-178 (2004).
- Meyer, R. A., Davis, K. D., Cohen, R. H., Treede, R. D., Campbell, J. N. Mechanically insensitive afferents (MIAs) in cutaneous nerves of monkey. Brain Res. 561, 252-261 (1991).
- Handwerker, H. O., Kilo, S., Reeh, P. W. Unresponsive afferent nerve fibres in the sural nerve of the rat. J Physiol. 435, 229-242 (1991).
- Feng, B., Gebhart, G. F. Characterization of silent afferents in the pelvic and splanchnic innervations of the mouse colorectum. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 300, G170-G180 (2011).
- Feng, B., La, J. H., Schwartz, E. S., Gebhart, G. F. Irritable bowel syndrome: methods, mechanisms, and pathophysiology. Neural and neuro-immune mechanisms of visceral hypersensitivity in irritable bowel syndrome. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 302, G1085-G1098 (2012).
- Feng, B., et al. Long-term sensitization of mechanosensitive and -insensitive afferents in mice with persistent colorectal hypersensitivity. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 302, G676-G683 (2012).
- Feng, B., et al. Altered colorectal afferent function associated with TNBS-induced visceral hypersensitivity in mice. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 303, G817-G824 (2012).
- Feng, B., Brumovsky, P. R., Gebhart, G. F. Differential roles of stretch-sensitive pelvic nerve afferents innervating mouse distal colon and rectum. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 298, G402-G409 (2010).
- Feng, B., et al. Activation of guanylate cyclase-C attenuates stretch responses and sensitization of mouse colorectal afferents. J Neurosci. 33, 9831-9839 (2013).
- Jolliffe, I. T. . Principal component analysis. , (2002).
- La, J. H., Feng, B., Schwartz, E. S., Brumovsky, P. R., Gebhart, G. F. Luminal hypertonicity and acidity modulate colorectal afferents and induce persistent visceral hypersensitivity. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 303, G802-G809 (2012).
- Christianson, J. A., et al. plasticity and modulation of visceral afferents. Brain Research Reviews. 60, 171-186 (2009).
- Kiyatkin, M. E., Feng, B., Schwartz, E. S., Gebhart, G. F. Combined genetic and pharmacological inhibition of TRPV1 and P2X3 attenuates colorectal hypersensitivity and afferent sensitization. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 305, G638-G648 (2013).
- Brumovsky, P. R., Feng, B., Xu, L., McCarthy, C. J., Gebhart, G. F. Cystitis increases colorectal afferent sensitivity in the mouse. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 297, G1250-G1258 (2009).
- Shinoda, M., Feng, B., Gebhart, G. F. Peripheral and central P2X receptor contributions to colon mechanosensitivity and hypersensitivity in the mouse. Gastroenterology. 137, 2096-2104 (2009).
- Tanaka, T., Shinoda, M., Feng, B., Albers, K. M., Gebhart, G. F. Modulation of visceral hypersensitivity by glial cell line-derived neurotrophic factor family receptor α-3 in colorectal afferents. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 300, G418-G424 (2011).
