Butyrat og glukosemetabolisme af colonocytter i eksperimentel colitis hos mus | tarm
Diskussion
SCFA ‘ er, herunder acetat, propionat og butyrat, produceret ved bakteriel fermentering i tyktarmen, påvirker kolonepitelcellefunktionen på forskellige måder. De er den vigtigste kilde til metabolisk energi for kolonocytter og er nødvendige for at opretholde normal slimhindefunktion.21314 SCFA ‘ er, hovedsagelig butyrat, giver kolonocyten omkring 70% af sin energi. I raske colonocytter er rækkefølgen for anvendelse af forskellige substrater til rådighed for colon mucosa butyrat>glucose>ketonlegemer>glutamin.2 i tilfælde af en specifik metabolisk svækkelse, som det antages at forekomme i ulcerøs colitis,vil 3 kolonocytter benytte sig af alternative substrater for at kompensere for energiunderskuddet.
denne undersøgelse viser, at colonocytmetabolisme hos mus svarer til den hos mennesker, rotter og andre arter, der er rapporteret i litteraturen1516 ved anvendelse af butyrat til iltning metabolisme frem for glucose. Undersøgelsen viser også, at butyratoksidering af colonocytter er nedsat i DSS colitis hos mus. Nedskrivningen er specifik, fordi glukoseoksidering fortsætter ved normale (eller endda øgede) niveauer i DSS colitis. Reduktionen i butyratoksidering med 80% i DSS II colitis vil resultere i et samlet fald på ca.55% af celleenergien, hvilket kompenseres meget lidt af øget glukoseoksidering. Kolonocytten udfører mange energiafhængige processer, der er vitale for helbredet, herunder elektrolytudveksling, mucinsyntese, lipidsyntese, strukturel proteinsyntese og afgiftning.17-20 tab af cellulær energi kan forringe alle disse processer og kan bidrage til epitelcelleskader og tab i DSS colitis. Kolonepitel sult kan føre til atrofi på kort sigt og til colitis på lang sigt.
nedsættelsen af butyratoksidering var væsentligt større hos mus eksponeret for to cyklusser af DSS (DSS II) end hos dem, der kun eksponerede for en cyklus (DSS i). Større reduktion af butyratoksidering i DSS II-mus korrelerede med mere alvorlige histologiske ændringer, bestående af mærkbart krypttab, dysplasi og regenerativ atypi. Tidsforløbet for udvikling af nedsat butyratmetabolisme i forhold til histologiske ændringer er vigtig for at bestemme betydningen af ændringer i metabolisme. De tidligste ændringer i histologi blev noteret efter tre dages DSS-administration, skønt sådanne ændringer var begrænsede og ujævn. De tidligste ændringer omfattede tab af celler ved nogle krypt baser og defekter i muscularis slimhinde, som blev fulgt næsten øjeblikkeligt af inflammatorisk infiltration. Væsentlig svækkelse af metabolisme var kun påviselig på dag 6, på hvilket tidspunkt histologiske ændringer var ret udtalt. Dette sammen med det faktum, at DSS-inkubation med kolonocytter ikke ændrede cellemetabolismen, rejser den stærke mulighed for, at ændringer i epitelcellemetabolisme var sekundære til slimhindebetændelse. Hvis cellemetabolismen imidlertid skulle påvirkes på en ikke-specifik måde af inflammation, forventes både butyrat-og glukosemetabolismen at blive nedsat. Den kompenserende stigning i glukosemetabolismen, der er bemærket i DSS colitis, antyder specifik svækkelse af butyratmetabolisme. Da den indledende læsion af DSS colitis er ujævn, er det muligt, at ændret metabolisme (selvom det var en primær begivenhed) muligvis ikke bliver målbart synlig før de senere stadier af sygdommen.
Kolonocytter modnes, når de migrerer op ad krypt-overfladeaksen. Forbundet med denne proces er en række ændringer i ekspression af proteiner og cellefunktion.21 i enhver tilstand, der resulterer i epitelskade, kan overfladeepitelet være funktionelt umodent. Enhver funktionsnedsættelse af epitelet (såsom nedsat butyratoksidering) i denne situation kan hypotetisk være sekundær til epithelets umodenhed. Vi undersøgte derfor muligheden for, at overflade (modne) og Krypt (umodne) celler har forskellige kapaciteter til at metabolisere butyrat. Overfladeceller viste en kvantitativt større evne til at ilte både butyrat og glucose end krypt celler (ca.4,5 gange og 3,5 gange hhv.). I denne undersøgelse undersøgte vi ikke anvendelsen af glutamin, som, selvom det ikke er kvantitativt meget vigtigt i normale kolonocytter, kan forbedres i koloneksplantater fra patienter med ulcerøs colitis.22 forholdet mellem butyrat og glukoseoksidering var lige så højt i både overflade-og Krypt-celler (12:1 og 10:1), hvilket antyder, at både krypt-og overfladeceller viser en præference for butyrat som substrat til energiproduktion. Det mærkbart reducerede udnyttelsesforhold mellem butyrat og glucose, der er observeret i DSS colitis, antyder, at formindsket butyratoksidering i DSS colitis ikke er relateret til kolonocytternes modenhed.
produktionen af ketonstoffer, især produktionen af dihydroksybutyrat, blev også påvirket i DSS colitis sammenlignet med normale kontrolmus. Den samtidige hæmning af CO2-produktion og ketonkropsproduktion fra butyrat i DSS-colitis antyder en ændring i forbrændingsvejen snarere end Lynen (ketonkrop) eller Krebs-cyklussen. Den skadelige ændring i fedtsyreoksidering, men ikke glukoseoksidering i colonocytter fra DSS-behandlede mus antyder også vedligeholdelse af Krebs-cyklussen og derfor mitokondriefunktioner i cellen.
nedsat iltning af butyrat, men ikke af glucose, er blevet observeret i colonocytter isoleret fra patienter med aktiv og hvilende ulcerøs colitis.32022-24 andre undersøgeres manglende evne til at bekræfte et sådant fund er tilskrevet mulige forskelle i metodologi.1 mønsteret af unormal metabolisme beskrevet i ulcerøs colitis svarer til det, der blev bemærket i DSS colitis i denne undersøgelse. Ibuprofen, et ikke-steroidt antiinflammatorisk lægemiddel, der er impliceret i udviklingen af colitis, nedsætter butyratoksidering, men ikke glukoseoksidering, når det tilsættes til normale kolonocytter in vitro.27 reduktion af svovlforbindelser, der også er impliceret i udviklingen af ulcerøs colitis, nedsætter selektivt butyratoksidering i humane og rottekolonocytter med en lille kompenserende stigning i glucoseoksidering.28-30 i hver af de ovennævnte situationer svarer mønsteret af metabolisme til det i DSS colitis. Sultning af colonocytter, sekundært til mangel på luminal butyrat, er den postulerede årsag til omdirigering colitis.5 i denne sygdomstilstand er glucose afledt af cirkulationen formodentlig tilgængelig for og metaboliseret normalt af kolonocytter. På den anden side forårsager luminal SCFA-mangel hos rotter atrofi, men ikke de andre ændringer af colitis.3132 det ser derfor ud til, at nedsat energimetabolisme alene måske ikke er tilstrækkelig til at inducere colitis, og at andre faktorer, formodentlig luminal oprindelse, er nødvendige for alle manifestationer af colitis.
butyrat enemas er effektive til at forbedre det histologiske billede i både diversion colitis og ulcerøs colitis.533 deres anvendelighed i ulcerøs colitis har været særlig vanskelig at forklare, og en massehandling er blevet påberåbt.31 i de foreliggende undersøgelser blev det konstateret, at substratkoncentrationen kvantitativt forøgede substratoksidationen ikke kun i normale colonocytter, men også i DSS colitis. 15 gange i kontrolkolonocytter, var det kun ca. ottedoblet i kolonocytter fra DSS-behandlede dyr, da butyratkoncentrationen steg fra 10 til 80 mM. denne stigning ville i praksis udgøre en væsentlig større tilgængelighed af cellulær energi og kan forklare den fordel, der blev observeret med butyratklaver i ulcerøs colitis. Selvom butyrat i høje koncentrationer kan inducere apoptose i cellelinjer, anvendte disse undersøgelser kun kortvarige inkubationer (45 minutter), og cellelevedygtigheden blev ikke påviseligt ændret i løbet af dette tidsrum.
DSS er rapporteret at have en direkte cytotoksisk virkning på tarmepitelceller og intraepiteliale lymfocytter.34 i denne undersøgelse blev en direkte virkning af DSS på colonocytmetabolisme udelukket, fordi DSS tilsat in vitro til normale colonocytter ikke signifikant nedsatte butyratmetabolismen. Reduktion af svovlforbindelser, hovedsagelig sulfid, forringer butyratoksidering af humane og rotte-kolonocytter.28-30 denne svækkelse kan forekomme ved niveauet af butyryl-CoA dehydrogenase.35 reducerende svovlforbindelser kan frembringes ved virkning af tarmbakterier på sulfaterede polysaccharider.3036 DSS, et sulfateret polysaccharid, kan øge kolon tilgængeligheden af sulfat og kan stimulere sulfatreducerende bakterier til at generere højere sulfidniveauer, som til sidst er giftige for kolonslimhinden. Sulfatreducerende bakterier øges i tyktarmen hos patienter med ulcerøs colitis.37 muligheden for, at luminale bakterier er nødvendige i patogenesen af DSS colitis, understøttes af den observation, at metronidasol beskytter mod DSS colitis.38 tilsvarende inducerer carageenan, et sulfateret polysaccharid, colitis hos normale, men ikke i kimfrie mus.39 på den anden side er det rapporteret, at DSS-colitis forekommer hos kimfrie mus.40 Det er indlysende, at patogenesen af nedsat butyratoksidering i DSS colitis vil have brug for yderligere forklaring.
som konklusion forårsager DSS colitis en defekt i colonocytbutyratoksidering med en kompenserende stigning i glucoseoksidering, der ligner abnormiteter i human ulcerøs colitis. På grund af den ujævn karakter af den indledende slimhindelæsion forbliver det uklart, om ændring af cellemetabolisme er et primært fænomen eller sekundært til slimhindebetændelse. I begge tilfælde, da kolonepitelceller har vigtige barriere-og afgiftningsfunktioner, kan nedsat butyratmetabolisme bidrage væsentligt til patogenesen af colitis.
