Butyrát a metabolismus glukózy tím, že colonocytes v experimentální kolitidy u myší | Gut

Diskuse

SCFAs, včetně acetát, propionát a butyrát, vyrobené bakteriální fermentací ve střevě, vliv střevní epiteliální buněčné funkce v různých směrech. Jsou hlavním zdrojem metabolické energie pro kolonocyty a jsou nezbytné pro udržení normální funkce sliznice.21314 SCFA, hlavně butyrát, poskytuje kolonocytům asi 70% své energie. U zdravých kolonocytů je pořadí využití různých substrátů dostupných pro sliznici tlustého střeva butyrát>glukóza>ketolátky>glutamin.2 v případě specifického metabolického poškození, jak se předpokládá u ulcerózní kolitidy, využijí 3 kolonocyty alternativní substráty, které nahradí energetický deficit.

Tato studie ukazuje, že colonocyte metabolismus u myší je podobný jako u člověka, krysy, a další druhy, uvádí se v literature1516 ve využití butyrát pro oxidativní metabolismus na úkor glukózy. Studie také ukazuje, že oxidace butyrátu kolonocyty je narušena u DSS kolitidy u myší. Poškození je specifické, protože oxidace glukózy pokračuje při normálních (nebo dokonce zvýšených) hladinách u kolitidy DSS. Snížení oxidace butyrátu o 80% u kolitidy DSS II se projeví celkovým poklesem asi 55% buněčné energie, což je velmi mírně kompenzováno zvýšenou oxidací glukózy. Kolonocyty provádějí mnoho energeticky závislých procesů životně důležitých pro zdraví, včetně výměny elektrolytů, syntézy mucinů, syntézy lipidů, syntézy strukturních proteinů a detoxikace.17-20 ztráta buněčné energie může narušit všechny tyto procesy a může přispět k poškození epiteliálních buněk a ztrátě DSS kolitidy. Epiteliální hladování tlustého střeva může v krátkodobém horizontu vést k atrofii a kolitidě v dlouhodobém horizontu.

zhoršení oxidace butyrátu bylo podstatně větší u myší vystavených dvěma cyklům DSS (DSS II) než u myší vystavených pouze jednomu cyklu (DSS I). Větší redukce oxidace butyrátu u myší DSS II korelovala se závažnějšími histologickými změnami, které spočívaly ve znatelné ztrátě krypty, dysplazii a regenerační atypii. Časový průběh vývoje narušeného metabolismu butyrátu ve vztahu k histologickým změnám je důležitý při určování významu změn metabolismu. Nejčasnější změny v histologii byly zaznamenány po třech dnech podání DSS, i když tyto změny byly omezené a nepravidelné. Nejčasnější změny zahrnovaly ztrátu buněk na některých kryptových základnách a defekty sliznice muscularis, po nichž téměř okamžitě následovala zánětlivá infiltrace. Podstatné poškození metabolismu bylo detekovatelné pouze do 6. dne, kdy byly histologické změny poměrně výrazné. To spolu se skutečností, že inkubace DSS s kolonocyty nezměnila buněčný metabolismus, zvyšuje silnou možnost, že změny metabolismu epiteliálních buněk byly sekundární k zánětu sliznice. Pokud by však měl být buněčný metabolismus nespecifickým způsobem ovlivněn zánětem, lze očekávat snížení metabolismu butyrátu i glukózy. Kompenzační zvýšení metabolismu glukózy zaznamenané u DSS kolitidy naznačuje specifické poškození metabolismu butyrátu. Jako počáteční léze DSS kolitida je nerovnoměrný, je možné, že změněný metabolismus (i když to byla hlavní událost) se nesmí stát měřitelně projeví až v pozdějších stádiích onemocnění.

Kolonocyty dozrávají při migraci nahoru po ose povrchu krypty. S tímto procesem je spojena řada změn exprese proteinů a buněčné funkce.21 v jakémkoli stavu, který vede k poškození epitelu, může být povrchový epitel funkčně nezralý. Jakékoli funkční poškození epitelu (jako je narušená oxidace butyrátu) v této situaci může být hypoteticky sekundární k nezralosti epitelu. Zkoumali jsme proto možnost, že povrchové (zralé) a kryptové (nezralé) buňky mají různé schopnosti metabolizovat butyrát. Povrchové buňky vykazovaly kvantitativně větší schopnost oxidovat jak butyrát, tak glukózu než kryptové buňky (asi 4, 5krát a 3, 5krát). V této studii jsme nezkoumali využití glutaminu, které, i když nejsou kvantitativně velmi důležité v normální colonocytes, mohou být posílena ve střevní explantáty od pacientů s ulcerózní kolitidou.22 poměr butyrát na oxidaci glukózy byla stejně vysoká v obou povrchu a crypt buňky (12:1 a 10:1), což naznačuje, že oba crypt a povrchu buňky vykazují preference pro butyrát jako substrát pro výrobu energie. Znatelně snížený poměr využití butyrátu k glukóze zaznamenaný u DSS kolitidy naznačuje, že snížená oxidace butyrátu u DSS kolitidy nesouvisí se zralostí kolonocytů.

produkce ketonového těla, zejména produkce β-hydroxybutyrátu, byla také ovlivněna u DSS kolitidy ve srovnání s normálními kontrolními myší. Současné inhibice produkce CO2 a keton tělo produkci z butyrát v DSS kolitida naznačuje změnu v β-oxidaci dráhy spíše než Lynen (keton tělo) cesta nebo Krebsův cyklus. Škodlivé změnu oxidace mastných kyselin, ale ne oxidace glukózy v colonocytes z DSS léčených myší také naznačuje, údržba Krebsova cyklu, a proto mitochondriální funkce v buňce.

u kolonocytů izolovaných od pacientů s aktivní a klidovou ulcerózní kolitidou byla zaznamenána zhoršená oxidace butyrátu, nikoli však glukózy.32022-24 neschopnost ostatních vyšetřovatelů2526 potvrdit takové zjištění byla připisována možným rozdílům v metodice.1 vzorec abnormálního metabolismu popsaný u ulcerózní kolitidy je podobný jako u DSS kolitidy v této studii. Ibuprofen, nesteroidní protizánětlivý lék podílí na rozvoji kolitidy, snižuje butyrát oxidaci, ale ne oxidace glukózy když přidal se k normální colonocytes in vitro.27 Podobně, snížení sloučeniny síry, také zapletený v rozvoji ulcerózní kolitida, selektivně poškodit butyrát oxidace v lidské a krysí colonocytes, s mírným kompenzační zvýšení oxidace glukózy.28-30 v každé z výše uvedených situací je vzorec metabolismu podobný jako u DSS kolitidy. Hladovění kolonocytů, sekundární k nedostatku luminálního butyrátu, je předpokládanou příčinou kolitidy odklonu.5 v tomto chorobném stavu je glukóza odvozená z oběhu pravděpodobně dostupná kolonocytům a normálně je metabolizována. Na druhé straně nedostatek luminálního SCFA u potkanů způsobuje atrofii, ale ne jiné změny kolitidy.3132 Proto se zdá, že porucha energetického metabolismu sama o sobě nemusí být dostatečné k vyvolání kolitidy, a že další faktory, pravděpodobně luminální původu, jsou nezbytné pro všechny projevy kolitidy.

Butyrátové klystýry jsou účinné při zlepšování histologického obrazu jak u kolitidy, tak ulcerózní kolitidy.533 jejich užitečnost při ulcerózní kolitidě bylo obzvláště obtížné vysvětlit a byla vyvolána hromadná akce.31 V současné studium, koncentrace substrátu bylo zjištěno, kvantitativně zvýšení oxidace substrátu a to nejen v normální colonocytes, ale také v DSS kolitidy. Zatímco zvýšení butyrát oxidace byla asi 15-krát v řízení colonocytes, to bylo jen asi osmkrát v colonocytes z DSS léčených zvířat, jako je butyrát zvýšené koncentrace od 10 do 80 mM. Tento nárůst, v praxi, by znamenalo podstatně větší dostupnost buněčné energie, a může vysvětlit přínos pozorován s butyrát klystýr v ulcerózní kolitidy. I když butyrát při vysokých koncentracích může vyvolat apoptózu buněčných linií, tyto studie používají pouze krátkodobé inkubaci (45 minut) a životaschopnost buněk není prokazatelně změnil během této doby.

bylo hlášeno, že DSS má přímý cytotoxický účinek na střevní epiteliální buňky a intraepiteliální lymfocyty.34 v této studii byl vyloučen přímý účinek DSS na metabolismus kolonocytů, protože DSS přidaný in vitro k normálním kolonocytům významně nenarušoval metabolismus butyrátu. Redukce sloučenin síry, především sulfidů, narušuje oxidaci butyrátu lidskými a krysími kolonocyty.28-30 toto poškození se může objevit na úrovni butyryl – CoA dehydrogenázy.35 redukující sloučeniny síry mohou vznikat působením střevních bakterií na sulfátové polysacharidy.3036 DSS, sulfátový polysacharid, může zvýšit střevní dostupnost síranů a může stimulovat sulfát redukujících bakterií generovat vyšší sulfidu úrovní, které jsou nakonec toxicky na střevní sliznici. Bakterie snižující sírany se zvyšují v tlustém střevě pacientů s ulcerózní kolitidou.37 možnost, že luminální bakterie jsou nezbytné v patogenezi DSS kolitidy, je podpořena pozorováním, že metronidazol chrání před DSS kolitidou.38 podobně carageenan, sulfátovaný polysacharid, indukuje kolitidu u normálních, ale ne u myší bez zárodků.39 na druhé straně byla hlášena kolitida DSS u myší bez zárodků.40 je zřejmé, že patogeneze zhoršené oxidace butyrátu u kolitidy DSS bude vyžadovat další vysvětlení.

Na závěr, DSS kolitida způsobuje defekt v colonocyte butyrát oxidace, s kompenzační zvýšení oxidace glukózy, úzce připomínající abnormalit v lidské ulcerózní kolitidy. Vzhledem k nerovnoměrné povaze počáteční slizniční léze zůstává nejasné, zda je změna buněčného metabolismu primárním jevem nebo sekundárním zánětem sliznice. V obou případech, protože epitelové buňky tlustého střeva mají důležité bariérové a detoxikační funkce, může narušený metabolismus butyrátu významně přispět k patogenezi kolitidy.