En In Vivo -Metod för utvärdering av Gut-blod-barriären och Metabolism i levern av bakterieflora produkter
Summary
Näringsämnen, bakterieflora metaboliter och läkemedel till cirkulationen tillgång styrs av gut-blod-barriären (GBB). Vi beskriver en direkt metod för att mäta den GBB permeabilitet i vivo, som, till skillnad från vanliga indirekta metoder, praktiskt taget inte påverkas av lever och njure funktioner.
Abstract
Gut-blod-barriären (GBB) kontrollerar passage av näringsämnen, bakteriell metaboliter och droger från intestinala lumen till blodomloppet. GBB integritet är störd i gastrointestinala, kardiovaskulära och metabola sjukdomar, vilket kan resultera i enklare åtkomst av biologiskt aktiva föreningar, såsom gut bakteriell metaboliter, till blodomloppet. Permeabiliteten i GBB kan således vara en markör för både tarm och extraintestinal sjukdomar. Dessutom kan ökad penetration av bakteriell metaboliter påverka hela organismen.
Vanliga metoder för att studera GBB permeabiliteten är utförs ex vivo. Riktigheten av dessa metoder är begränsad, eftersom GBB funktionssätt beror på intestinal blodflödet. Däremot, används ofta i vivo metoder kan vara partisk av lever och njure prestanda, eftersom dessa metoder bygger på utvärdering av urin eller / och perifert blodkoncentrationer av exogena markörer. Här presenterar vi en direkt mätning av GBB permeabilitet hos råttor med en in-vivo -metoden baserat på portalen blod provtagning, som bevarar intestinal blodflödet och praktiskt taget inte påverkas av funktionen lever och njure.
Polyuretan katetrar sätts i portalen ven och sämre hålvenen precis ovanför nedsatt vener sammanflödet. Blod samplas vid baseline och efter administrering av en vald markör till en önskad del av mag-tarmkanalen. Här presenterar vi flera tillämpningar av metoden inklusive (1) utvärdering av kolon permeabilitet till TMA, gut bakteriell metabolit, (2) utvärdering av lever clearance av TMA och (3) utvärdering av en gut-portal blod-lever-perifera blod väg gut bakterier-derived kortkedjade fettsyror. Dessutom kan protokollet också användas för att spåra intestinal absorption och metabolism i levern av droger eller för mätningar av portalen blodtryck.
Introduction
Gut-blod-barriären (GBB), även känd som tarmbarriären, är ett komplext skikts system som separerar gut lumen från blodomloppet för att begränsa passage av skadliga föreningar samtidigt absorptionen av näringsämnen1. Den består av tre huvudsakliga lager: slem lagret, epitel och lamina propria.
Många faktorer kan påverka den GBB integrity och funktion2. Det har visats att GBB störs i både mag och extraintestinal sjukdomar, inklusive kardiovaskulära och metabola sjukdomar3, vilket kan leda till en ökad passage av gut bakteriell metaboliter till blodomloppet4. En ökad penetration av gut bakteriell metaboliter kan påverka hela organismen. Till exempel visar nyligen genomförda studier en betydande inverkan av bakteriell metaboliter, till exempel indoler, H2S, kortkedjade fettsyror (kommittén) och trimetylamin N-oxid, på cirkulationssystemet funktioner5,6,7 ,8,9. Slutligen har det föreslagits att en ökad GBB permeabilitet kan fungera som en markör för kardiovaskulära och metabola sjukdomar som är förknippade med morfologiska och funktionella förändringar i tarmarna10. Därför kan spårning gut-portal blod-lever-systemiska blodet vägen av bakteriell metaboliter vara av intresse för både grundläggande och kliniska vetenskaper.
Ofta utnyttjad experimentella metoder för utvärdering av GBB permeabilitet är utförda i vitro med opererande intestinal segment, fragment av slemhinna eller konstgjorda membran11,12. Riktigheten av dessa metoder äventyras av att väl fungerande GBB kräver konstant intestinal blodflödet. Däremot, baseras de tillgängliga in-vivo -metoderna på utvärdering av urin eller perifert blodkoncentrationer av exogena markörer13. Men perifera blod och urin koncentration av exogena föreningar påverkas av njurfunktion, dvs glomerulär filtration och tubulär utsöndring, samt genom metabolism i levern, första passage dvs metabolism. Båda parametrarna kan skilja sig avsevärt mellan studie patienter oberoende av funktionen GBB.
Detta dokument beskriver en direkt mätning av GBB permeabiliteten hos råttor som använder portalen blodprovstagning. Denna in-vivo -metod bevarar intestinal blodflödet och praktiskt taget inte påverkas av lever-och njurfunktion. Den beskrivna metoden används ofta inte, möjligen på grund av vissa metodologiska svårigheter. Vi beskriver i detalj kateterisering av portalen ven och sämre hålvenen precis ovanför nedsatt ven sammanflödet. Blodprovstagning från portalen ven och sämre hålvenen möjliggör utvärdering av GBB permeabilitet och lever clearance och spårning av gut-portal blod-lever-systemisk blod väg av molekyler av intresse, såsom gut bakteriell metaboliter eller läkemedel. Vi presenterar också flera tillämpningar av metoden som testades i vårt laboratorium. Dessa inkluderar utvärdering av kolon permeabilitet till TMA, gut bakteriell metabolit, utvärdering av lever clearance av TMA och utvärdering av en gut-portal blod-lever-systemisk blod väg av kommittén.
Utvärdera gut-blod-barriären permeabilitet, följande protokoll bör följas, i ordning: 1 (infogning av linjen för naturliga förvaltningar), 3 (portvenen kateterisering), 4 (portvenen blod provtagning ), 6 (administrationen av en gut permeabilitet markör), 4.
För att utvärdera lever clearance och en gut-portal blod-lever-systemisk blod väg, följande protokoll bör följas, i ordning: 1 (infogning av linjen för naturliga förvaltningar), 2 (sämre vena cava kateterisering), 3 (portvenen kateterisering), 4 (portvenen blod sampling), 5 (sämre hålvenen blodprovstagning), 6 (administrationen av en gut permeabilitet markör), 4, 5, 7 ( beräkning av lever clearance).
Protocol
Representative Results
Discussion
Den beskrivna direkt, i vivo, metod för att mäta GBB permeabilitet underhåller closetophysiological villkor i magtarmkanalen (bevarar intestinal blodflödet), och praktiskt taget inte påverkas av lever-och njurfunktion.
Det kritiska steget i denna teknik är införandet av portalen katetern. Detta måste göras försiktigt och beslutsamt på samma gång. En mild, kort blödning kan uppstå från korrekt utfört punkteringen av portalen ven; men slutar det när nålen sätts in i f…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet stöds av ministeriet för vetenskap och högre utbildning i Polen, Diamond bevilja 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).
