Butyrat- und Glukosestoffwechsel durch Kolonozyten bei experimenteller Kolitis bei Mäusen / Darm
SCFAs, einschließlich Acetat, Propionat und Butyrat, die durch bakterielle Fermentation im Dickdarm hergestellt werden, beeinflussen die Funktion der Kolonepithelzellen auf vielfältige Weise. Sie sind die Hauptquelle der metabolischen Energie für Kolonozyten und sind notwendig für die Aufrechterhaltung der normalen Schleimhautfunktion.21314 SCFAs, hauptsächlich Butyrat, versorgen die Kolonozyten mit etwa 70% ihrer Energie. In gesunden Kolonozyten ist die Reihenfolge der Verwendung verschiedener Substrate, die der Kolonschleimhaut zur Verfügung stehen, Butyrat>Glucose>Ketonkörper>Glutamin.2 Im Falle einer spezifischen Stoffwechselstörung, wie sie bei Colitis ulcerosa vermutet wird,3 Kolonozyten greifen auf alternative Substrate zurück, um das Energiedefizit auszugleichen.
Diese Studie zeigt, dass der Kolonozytenmetabolismus bei Mäusen dem bei Menschen, Ratten und anderen in der Literatur berichteten Spezies ähnelt1516 bei der Verwendung von Butyrat für den oxidativen Metabolismus anstelle von Glucose. Die Studie zeigt auch, dass die Butyratoxidation durch Kolonozyten bei DSS-Kolitis bei Mäusen beeinträchtigt ist. Die Beeinträchtigung ist spezifisch, da die Glukoseoxidation bei normaler (oder sogar erhöhter) DSS-Kolitis anhält. Die Verringerung der Butyratoxidation um 80% bei DSS II-Kolitis führt zu einer Gesamtabnahme von etwa 55% der Zellenergie, die durch eine erhöhte Glucoseoxidation nur geringfügig kompensiert wird. Der Kolonozyt führt viele energieabhängige Prozesse durch, die für die Gesundheit lebenswichtig sind, einschließlich Elektrolytaustausch, Mucinsynthese, Lipidsynthese, Strukturproteinsynthese und Entgiftung.17-20 Der Verlust von zellulärer Energie kann all diese Prozesse beeinträchtigen und zur Schädigung und zum Verlust von Epithelzellen bei DSS-Kolitis beitragen. Kolonepithelmangel kann kurzfristig zu Atrophie und langfristig zu Kolitis führen.
Die Beeinträchtigung der Butyratoxidation war bei Mäusen, die zwei Zyklen DSS (DSS II) ausgesetzt waren, wesentlich größer als bei Mäusen, die nur einem Zyklus ausgesetzt waren (DSS I). Eine stärkere Reduktion der Butyratoxidation bei DSS II-Mäusen korrelierte mit schwereren histologischen Veränderungen, die aus einem erheblichen Kryptaverlust, Dysplasie und regenerativer Atypie bestanden. Der zeitliche Verlauf der Entwicklung eines gestörten Butyratstoffwechsels in Bezug auf histologische Veränderungen ist wichtig, um die Bedeutung von Veränderungen im Stoffwechsel zu bestimmen. Die frühesten Veränderungen in der Histologie wurden nach drei Tagen DSS-Verabreichung festgestellt, obwohl solche Veränderungen begrenzt und lückenhaft waren. Die frühesten Veränderungen beinhalteten den Verlust von Zellen an einigen Kryptenbasen und Defekte in der Muscularis mucosa, denen fast sofort eine entzündliche Infiltration folgte. Eine substanzielle Beeinträchtigung des Stoffwechsels war erst am 6. Tag nachweisbar, zu diesem Zeitpunkt waren die histologischen Veränderungen ziemlich ausgeprägt. Dies, zusammen mit der Tatsache, dass die DSS-Inkubation mit Kolonozyten den Zellstoffwechsel nicht veränderte, wirft die starke Möglichkeit auf, dass Veränderungen im Epithelzellstoffwechsel sekundär zu Schleimhautentzündungen waren. Wenn jedoch der Zellstoffwechsel durch eine Entzündung unspezifisch beeinflusst würde, wäre zu erwarten, dass sowohl der Butyrat- als auch der Glukosestoffwechsel verringert werden. Der kompensatorische Anstieg des Glukosestoffwechsels bei DSS-Kolitis deutet auf eine spezifische Beeinträchtigung des Butyratstoffwechsels hin. Da die anfängliche Läsion der DSS-Kolitis lückenhaft ist, ist es möglich, dass ein veränderter Stoffwechsel (auch wenn es sich um ein primäres Ereignis handelt) erst in späteren Stadien der Erkrankung messbar sichtbar wird.
Kolonozyten reifen, wenn sie die Kryptoberflächenachse hinaufwandern. Mit diesem Prozess sind eine Reihe von Veränderungen der Expression von Proteinen und der Zellfunktion verbunden.21 In jedem Zustand, der zu einer Epithelschädigung führt, kann das Oberflächenepithel funktionell unreif sein. Jede funktionelle Beeinträchtigung des Epithels (wie eine gestörte Butyratoxidation) in dieser Situation kann hypothetisch sekundär zur Unreife des Epithels sein. Wir untersuchten daher die Möglichkeit, dass Oberflächen- (reife) und Krypten- (unreife) Zellen unterschiedliche Fähigkeiten haben, Butyrat zu metabolisieren. Oberflächenzellen zeigten eine quantitativ größere Fähigkeit, sowohl Butyrat als auch Glucose zu oxidieren als Kryptzellen (etwa 4,5-mal bzw. 3,5-mal). In dieser Studie untersuchten wir nicht die Verwendung von Glutamin, das, obwohl es in normalen Kolonozyten quantitativ nicht sehr wichtig ist, in Kolonexplantaten von Patienten mit Colitis ulcerosa verstärkt sein kann.22 Das Verhältnis von Butyrat zu Glucoseoxidation war sowohl in Oberflächen- als auch in Kryptenzellen gleich hoch (12: 1 und 10: 1), was darauf hindeutet, dass sowohl Krypten- als auch Oberflächenzellen Butyrat als Substrat für die Energieerzeugung bevorzugen. Das deutlich reduzierte Verhältnis von Butyrat zu Glucose, das bei DSS-Kolitis festgestellt wurde, deutet darauf hin, dass eine verminderte Butyratoxidation bei DSS-Kolitis nicht mit der Reife der Kolonozyten zusammenhängt.
Die Ketonkörperproduktion, insbesondere die β-Hydroxybutyratproduktion, wurde auch bei DSS-Kolitis im Vergleich zu normalen Kontrollmäusen beeinflusst. Die gleichzeitige Hemmung der CO2-Produktion und der Ketonkörperproduktion aus Butyrat bei DSS-Kolitis deutet auf eine Veränderung des β-Oxidationswegs und nicht des Lynen- (Ketonkörper-) Weges oder des Krebszyklus hin. Die nachteilige Veränderung der Fettsäureoxidation, aber nicht der Glucoseoxidation in Kolonozyten von DSS-behandelten Mäusen deutet auch auf die Aufrechterhaltung des Krebszyklus und damit der Mitochondrienfunktionen in der Zelle hin.
Bei Kolonozyten, die von Patienten mit aktiver und ruhender Colitis ulcerosa isoliert wurden, wurde eine gestörte Oxidation von Butyrat, jedoch nicht von Glucose, festgestellt.32022-24 Das Versäumnis anderer Untersucher2526, einen solchen Befund zu bestätigen, wurde auf mögliche methodische Unterschiede zurückgeführt.1 Das bei Colitis ulcerosa beschriebene Muster eines abnormalen Stoffwechsels ähnelt dem bei DSS-Colitis in dieser Studie festgestellten. Ibuprofen, ein nichtsteroidales entzündungshemmendes Medikament, das an der Entwicklung von Colitis beteiligt ist, verringert die Butyratoxidation, jedoch nicht die Glukoseoxidation, wenn es in vitro normalen Kolonozyten zugesetzt wird.27 In ähnlicher Weise beeinträchtigen reduzierende Schwefelverbindungen, die ebenfalls an der Entwicklung von Colitis ulcerosa beteiligt sind, selektiv die Butyratoxidation in menschlichen und Rattenkolonozyten mit einem leichten kompensatorischen Anstieg der Glucoseoxidation.28-30 In jeder der oben genannten Situationen ähnelt das Metabolismusmuster dem bei DSS-Kolitis. Verhungern von Kolonozyten, sekundär zum Mangel an Luminalbutyrat, ist die postulierte Ursache für Ablenkungskolitis.5 Bei diesem Krankheitszustand steht Glukose, die aus dem Kreislauf stammt, vermutlich Kolonozyten zur Verfügung und wird von diesen normal metabolisiert. Auf der anderen Seite verursacht luminaler SCFA-Mangel bei Ratten Atrophie, aber nicht die anderen Veränderungen der Kolitis.3132 Daher scheint es, dass ein gestörter Energiestoffwechsel allein möglicherweise nicht ausreicht, um eine Kolitis auszulösen, und dass andere Faktoren, vermutlich luminalen Ursprungs, für alle Manifestationen einer Kolitis notwendig sind.
Butyrateinläufe verbessern wirksam das histologische Bild sowohl bei Diversionskolitis als auch bei Colitis ulcerosa.533 Ihr Nutzen bei Colitis ulcerosa war besonders schwer zu erklären, und es wurde eine Massenaktion eingeleitet.31 In den vorliegenden Studien wurde festgestellt, dass die Substratkonzentration die Substratoxidation nicht nur in normalen Kolonozyten, sondern auch in DSS-Kolitis quantitativ erhöht. Während der Anstieg der Butyratoxidation bei Kontrollkolonozyten etwa das 15-fache betrug, war er bei Kolonozyten von mit DSS behandelten Tieren nur etwa das Achtfache, da die Butyratkonzentration von 10 auf 80 mm anstieg. Dieser Anstieg würde in der Praxis zu einer wesentlich größeren Verfügbarkeit von Zellenergie führen und könnte den Nutzen erklären, der bei Butyrateinläufen bei Colitis ulcerosa beobachtet wird. Obwohl Butyrat in hohen Konzentrationen Apoptose in Zelllinien induzieren kann, verwendeten diese Studien nur kurzfristige Inkubationen (45 Minuten) und die Zelllebensfähigkeit wurde während dieser Zeit nicht nachweislich verändert.
Es wurde berichtet, dass DSS eine direkte zytotoxische Wirkung auf Darmepithelzellen und intraepitheliale Lymphozyten hat.34 In der vorliegenden Studie wurde eine direkte Wirkung von DSS auf den Kolonozytenstoffwechsel ausgeschlossen, da DSS, das in vitro normalen Kolonozyten zugesetzt wurde, den Butyratstoffwechsel nicht signifikant beeinträchtigte. Reduzierende Schwefelverbindungen, hauptsächlich Sulfid, beeinträchtigen die Butyratoxidation durch menschliche und Rattenkolonozyten.28-30 Diese Beeinträchtigung kann auf der Ebene der Butyryl-CoA-Dehydrogenase auftreten.35 Reduzierende Schwefelverbindungen können durch Einwirkung von Darmbakterien auf sulfatierte Polysaccharide entstehen.3036 DSS, ein sulfatiertes Polysaccharid, kann die Verfügbarkeit von Sulfat im Dickdarm erhöhen und sulfatreduzierende Bakterien dazu anregen, höhere Sulfidspiegel zu erzeugen, die schließlich für die Darmschleimhaut toxisch sind. Sulfat reduzierende Bakterien sind im Dickdarm von Patienten mit Colitis ulcerosa erhöht.37 Die Möglichkeit, dass luminale Bakterien für die Pathogenese der DSS-Kolitis notwendig sind, wird durch die Beobachtung gestützt, dass Metronidazol vor DSS-Kolitis schützt.38 In ähnlicher Weise induziert Carageenan, ein sulfatiertes Polysaccharid, Kolitis bei normalen, aber nicht bei keimfreien Mäusen.39 Andererseits wurde berichtet, dass DSS-Kolitis bei keimfreien Mäusen auftritt.40 Es ist offensichtlich, dass die Pathogenese der gestörten Butyratoxidation bei DSS-Kolitis einer weiteren Erklärung bedarf.
Zusammenfassend verursacht die DSS-Kolitis einen Defekt der Kolonozytenbutyratoxidation mit einem kompensatorischen Anstieg der Glukoseoxidation, der Anomalien bei der Colitis ulcerosa beim Menschen sehr ähnlich ist. Aufgrund der lückenhaften Natur der anfänglichen Schleimhautläsion bleibt unklar, ob die Veränderung des Zellstoffwechsels ein primäres Phänomen oder sekundär zu einer Schleimhautentzündung ist. In beiden Fällen kann ein gestörter Butyratmetabolismus erheblich zur Pathogenese von Colitis beitragen, da Kolonepithelzellen wichtige Barriere- und Entgiftungsfunktionen haben.
