En In Vivo metode til evaluering af Gut-blod barriere og lever metabolisme af mikrobiota produkter
Summary
Næringsstoffer, mikrobiota metabolitter og lægemidler til cirkulation adgang styres af gut-blod barriere (GBB). Vi beskriver en direkte metode til måling af GBB permeabilitet i vivo, der i modsætning til almindeligt anvendte indirekte metoder, er stort set ikke berørt af lever og nyre funktioner.
Abstract
Gut-blod barriere (GBB) styrer passage af næringsstoffer, bakteriel metabolitter og narkotika fra tarm lumen til blodbanen. GBB integritet er forstyrret i mave, kardiovaskulære og metaboliske sygdomme, som kan resultere i lettere adgang til biologisk aktive forbindelser, såsom tarmen bakteriel metabolitter, til blodbanen. Permeabilitet af GBB kan således være en markør for både tarm og extraintestinal sygdomme. Desuden kan øget penetration af bakteriel metabolitter påvirke driften af hele organismen.
Almindeligt anvendte metoder til at studere GBB permeabilitet er udført ex vivo. Nøjagtigheden af disse metoder er begrænset, fordi GBB funktion afhænger af intestinal blodgennemstrømning. På den anden side almindeligt anvendte i vivo metoder kan være forudindtaget af lever og nyre ydeevne, da disse metoder er baseret på vurdering af urin eller / og perifert blod koncentrationer af eksogene markører. Vi præsenterer her, en direkte måling af GBB permeabilitet i rotter ved hjælp af en i vivo metode baseret på portalen blodprøvetagning, som bevarer intestinal blodgennemstrømningen og stort set ikke påvirkes af funktionen lever og nyrer.
Polyurethan katetre er indsat i Vena, og ringere vena cava lige over hepatisk vener sammenløbet. Blod er stikprøven ved baseline og efter administration af et markeret datamærke i en ønsket del af mave-tarmkanalen. Vi præsenterer her, flere anvendelser af metoden herunder (1) evaluering af kolon permeabilitet til TMA, gut bakteriel metabolit, (2) evaluering af leveren clearance af TMA og (3) vurderingen af en gut-portal blod-leveren-perifere blod pathway af gut bakterier-stammer kortkædede fedtsyrer. Protokollen kan desuden også bruges til sporing af intestinale absorption og lever metabolisme af narkotika eller målinger af portalen blodtryk.
Introduction
Gut-blod barriere (GBB), også kendt som den intestinale barriere, er et komplekst multilayer system, der adskiller tarm lumen fra blodbanen for at begrænse passage af skadelige stoffer samtidigt med at tillade optagelsen af næringsstoffer1. Det består af tre primære lag: mukuslagets, epitel og lamina propria.
Mange faktorer kan påvirke GBB integritet og funktion2. Det har vist sig at GBB er forstyrret i både mave og extraintestinal sygdomme, herunder hjerte-kar- og metaboliske sygdomme3, hvilket kan føre til en øget passage af gut bakteriel metabolitter til blodbanen4. En øget penetration af gut bakteriel metabolitter kan påvirke driften af hele organismen. Nylige undersøgelser viser f.eks bakteriel metabolitter, indoler, H2S, kortkædede fedtsyrer (SCFA) og trimethylamin N-oxid, har en betydelig indvirkning på de kredsløbssygdomme funktioner5,6,7 ,8,9. Endelig er det blevet foreslået, at en øget GBB gennemtrængelighed kan tjene som markør af kardiovaskulære og metaboliske sygdomme, som er knyttet til morfologiske og funktionelle ændringer i tarmene10. Derfor, tracking gut-portal blod-leveren-systemiske blodet pathway bakteriel metabolitter kan være af interesse for både basale og kliniske videnskaber.
Almindeligt udnyttede eksperimentelle metoder til evaluering af GBB permeabilitet er udført i vitro ved hjælp af resektion intestinal segmenter, fragmenter af slimhinde, eller kunstige membraner11,12. Nøjagtigheden af disse metoder er kompromitteret af, at et velfungerende GBB kræver konstant intestinal blodgennemstrømning. På den anden side er tilgængelig i vivo -metoder baseret på vurderingen af urin eller perifert blod koncentrationer af eksogene markører13. Men perifere blod- og urinprøver koncentration af eksogene forbindelser er påvirket af nyrefunktionen, dvs glomerulær filtrationshastighed og rørformede udskillelse, samt af lever metabolisme, dvs., first-pass metabolisme. Begge parametre kan variere betydeligt mellem undersøgelse fag uafhængigt af funktionen GBB.
Dette papir beskriver en direkte måling af GBB permeabilitet i rotter ved hjælp af portalen blod prøveudtagning. Denne i vivo metode bevarer den intestinale blodgennemstrømningen og stort set ikke er påvirket af lever og nyre funktion. Den beskrevne fremgangsmåde er ikke almindeligt anvendt, muligvis på grund af nogle metodologiske vanskeligheder. Vi beskriver i detaljer kateterisation af portalen vene og ringere vena cava lige over leverens vene sammenløbet. Udtagning af blodprøve fra portalen vene og ringere vena cava tillader evaluering af GBB permeabilitet og leveren clearance og sporing af gut-portal blod-leveren-systemiske blodet pathway af molekyler af interesse, såsom tarmen bakteriel metabolitter eller medicin. Vi præsenterer også flere anvendelser af metoden, der blev testet i vores laboratorium. Disse omfatter vurdering af kolon permeabilitet til TMA, en gut bakteriel metabolit, evaluering af leveren clearance af TMA og evaluering af en gut-portal blod-leveren-systemiske blodet pathway af SCFA.
For at evaluere gut-blod barriere permeabilitet, følgende protokol trin bør følges i rækkefølge: 1 (indsættelse af linjen for intraintestinal forvaltninger), 3 (Vena kateterisation), 4 (Vena blod prøvetagning ), 6 (administration af en gut permeabilitet markør), 4.
For at evaluere lever clearance og en gut-portal blod-leveren-systemiske blodet pathway, følgende protokol trin bør følges i rækkefølge: 1 (indsættelse af linjen for intraintestinal forvaltninger), 2 (ringere vena cava kateterisation), 3 (Vena kateterisation), 4 (Vena blod prøveudtagning), 5 (ringere vena cava blod prøveudtagning), 6 (administration af en gut permeabilitet markør), 4, 5, 7 ( beregning af leveren clearance).
Protocol
Representative Results
Discussion
Den beskrives direkte, i vivo, metode til måling af GBB permeabilitet fastholder closetophysiological betingelser i mave-tarmsystemet (bevarer den intestinale blodgennemstrømning), og stort set ikke er påvirket af lever og nyre funktion.
Den kritiske trin af denne teknik er indsættelsen af portalen kateteret. Dette skal gøres forsigtigt og beslutsomt på samme tid. En mild, korte blødning kan forekomme fra det korrekt udførte punktering af Vena; men det stopper når nålen er i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbejdet er støttet af Ministeriet for videnskab og videregående Republikken Polen, Diamond give nr: DI2017 009247.
Materials
| Needle OD: 9 mm | Becton Dickinson S.A. | 301300 | |
| Polyethylene catheter ID: 0.025", OD: 0.040" | Scientific Commodities, Inc. | #BB520-40 | |
| Polyethylene catheter ID: 0.012", OD: 0.025" | Scientific Commodities, Inc. | #BB520-25 | |
| C-Flex Tubing,Opaque White 1/50"ID x 1/12 " OD | Cole-Parmer Instrument Co. | 06424-59 | |
| Pediatric Foley catheter (size 10F or 8F) | Sigmed | 0000 80305 | |
| Surgical ligatures 3/0 | Yavo Sp. Z o.o. | P48JE | |
| Absorbable surgical sutures – Polyglactine 910 4/0 | KRUUSE Polska Sp. Zo.o. | 152336 | |
| Tissue glue – Loctite 454Cyanoacrylate Adhesive | Loctite | 1370127 | |
| Povidone iodine | EGIS Pharmaceuticals PLC | 4449 11 | |
| Heparin – Heparinium WZF | WZF Polfa S.A. | 02BK0417 | Dilute 10 times with physiological saline |
| Glycerin 86% | Laboratorium Farmaceutyczne Avena | 5.90999E+12 | Serves as a lubricant in colon catheterization |
| Xylocaine 2% | AstraZenca | 9941342 | |
| Urethane | Sigma-Aldrich (Merck) | U2500-500G | |
| Trimethylamine solution 45% | Sigma-Aldrich (Merck) | 92262-1L | |
| Syringes 2 mL | B.Braun Melsungen AG | 4606027V | |
| Saline 250 mL | Fraesenius Kabi Polska Sp. Z o.o. | 15LL707WL | |
| Surgical scissors, straight, length 115 mm, 4 1/2 "blunt ends | Braun | NS-010-115-PKM | |
| Artery forceps type Micro-Adson bent, length 140 mm 5 1/2 " | Braun | KN-008-140-ZMK | |
| Anatomic forceps, lenght 95 mm, 3 3/4" sharp 0.7×0.55 | Braun | PO-001-007-ZMK | |
| Micro Scissors type Vannas, straight, lenght 85 mm, 3 3/8 " the length of the blades 6 mm | Braun | NO-010-085-PMK | |
| Towel clamps type Backhouse, lenght 130 mm, 5 1/8" | Braun | HO-128-130-PMK | |
| Needle holders, lenght 150 mm, 6" t=0.4 1/2 | Braun | IM-927-150-PZMK | |
| Delicate Scissors, lenght 110 mm , straight, 4 3/8” sharp | Braun | NO-052-110-PMK | |
| Anatomic forceps, lenght 95 mm, 3 3/4" sharp | Braun | PO-022-001-PMK | |
References
- Camilleri, M., Madsen, K., Spiller, R., Greenwood-Van Meerveld, B., Verne, G. N. Intestinal barrier function in health and gastrointestinal disease. Neurogastroenterology and Motility: The Official Journal of the European Gastrointestinal Motility Society. 24 (6), 503-512 (2012).
- Keita, A. V., Soderholm, J. D. The intestinal barrier and its regulation by neuroimmune factors. Neurogastroenterology and Motility: The Official Journal of the European Gastrointestinal Motility Society. 22 (7), 718-733 (2010).
- Farhadi, A., Banan, A., Fields, J., Keshavarzian, A. Intestinal barrier: an interface between health and disease. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 18 (5), 479-497 (2003).
- Jaworska, K., et al. Hypertension in rats is associated with an increased permeability of the colon to TMA, a gut bacteria metabolite. PloS one. 12 (12), e0189310 (2017).
- Fujii, H., Nakai, K., Fukagawa, M. Role of oxidative stress and indoxyl sulfate in progression of cardiovascular disease in chronic kidney disease. Therapeutic Apheresis and Dialysis: Official Peer-Reviewed Journal of the International Society for Apheresis, the Japanese Society for Apheresis, the Japanese Society for Dialysis Therapy. 15 (2), 125-128 (2011).
- Tomasova, L., et al. Intracolonic hydrogen sulfide lowers blood pressure in rats. Nitric Oxide: Biology and Chemistry. 60, 50-58 (2016).
- Brahe, L. K., Astrup, A., Larsen, L. H. Is butyrate the link between diet, intestinal microbiota and obesity-related metabolic diseases?. Obesity Reviews: An Official Journal of the International Association for the Study of Obesity. 14 (12), 950-959 (2013).
- Ufnal, M., et al. Trimethylamine-N-oxide: a carnitine-derived metabolite that prolongs the hypertensive effect of angiotensin II in rats. The Canadian Journal of Cardiology. 30 (12), 1700-1705 (2014).
- Huc, T., Nowinski, A., Drapala, A., Konopelski, P., Ufnal, M. Indole and indoxyl sulfate, gut bacteria metabolites of tryptophan, change arterial blood pressure via peripheral and central mechanisms in rats. Pharmacological Research. 130, 172-179 (2018).
- Ufnal, M., Pham, K. The gut-blood barrier permeability – A new marker in cardiovascular and metabolic diseases?. Medical Hypotheses. 98, 35-37 (2017).
- Le Ferrec, E., et al. In vitro models of the intestinal barrier. The report and recommendations of ECVAM Workshop 46. European Centre for the Validation of Alternative methods. Alternatives to Laboratory Animals: ATLA. 29 (6), 649-668 (2001).
- Bohets, H., et al. Strategies for absorption screening in drug discovery and development. Current Topics in Medicinal Chemistry. 1 (5), 367-383 (2001).
- Grootjans, J., et al. Non-invasive assessment of barrier integrity and function of the human gut. World Journal of Gastrointestinal Surgery. 2 (3), 61-69 (2010).
- Bielinska, K., et al. High salt intake increases plasma trimethylamine N-oxide (TMAO) concentration and produces gut dysbiosis in rats. Nutrition. 54, 33-39 (2018).
- Clarke, L. L. A guide to Ussing chamber studies of mouse intestine. American journal of physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology. 296 (6), G1151-G1166 (2009).
- Denno, D. M., et al. Use of the lactulose to mannitol ratio to evaluate childhood environmental enteric dysfunction: a systematic review. Clinical Infectious Diseases: An Official Publication of the Infectious Diseases Society of America. 59 Suppl 4, S213-S219 (2014).
- Lugea, A., Salas, A., Casalot, J., Guarner, F., Malagelada, J. R. Surface hydrophobicity of the rat colonic mucosa is a defensive barrier against macromolecules and toxins. Gut. 46 (4), 515-521 (2000).
- Bloemen, J. G., et al. Short chain fatty acids exchange across the gut and liver in humans measured at surgery. Clinical Nutrition. 28 (6), 657-661 (2009).
- Huc, T., et al. Colonic hydrogen sulfide produces portal hypertension and systemic hypotension in rats. Experimental Biology and Medicine. 243 (1), 96-106 (2018).
