Butyraatti-ja glukoosiaineenvaihdunta kolonosyyttien välityksellä kokeellisessa koliitissa hiirillä | suolistossa

Keskustelu

elintarvikevalmisteita sisältävät elintarvikevalmisteet, mukaan lukien asetaatti, propionaatti ja butyraatti, jotka on tuotettu bakteerikäymisellä paksusuolessa, vaikuttavat eri tavoin paksusuolen epiteelisolujen toimintaan. Ne ovat kolonosyyttien pääasiallinen metabolisen energian lähde ja tarpeellisia normaalin limakalvotoiminnan ylläpitämiseksi.21314 Elintarvikevalmisteyhdisteet, pääasiassa butyraatti, tuottavat noin 70% kolonosyyttien energiasta. Terveissä kolonosyyteissä koolonin limakalvon eri substraattien käyttöjärjestys on butyraatti> glukoosi> ketonirungot> glutamiini.2 Jos erityinen aineenvaihdunnan heikkeneminen, kuten oletetaan tapahtuvan haavainen koliitti, 3 kolonosyytit käyttävät vaihtoehtoisia substraatteja kompensoimaan energiavajetta.

tämä tutkimus osoittaa, että kolonosyyttien metabolia hiirillä on samanlainen kuin ihmisellä, rotalla ja muilla lajeilla, jotka on raportoitu literature1516-julkaisussa butyraatin käyttämisestä oksidatiiviseen metaboliaan glukoosin sijasta. Tutkimus osoittaa myös, että kolonosyyttien aiheuttama butyraatin hapettuminen heikentää DSS-koliittia hiirillä. Heikentyminen on spesifistä, koska glukoosin hapettuminen jatkuu normaalilla (tai jopa lisääntyneellä) tasolla DSS-koliitissa. Butyraatin hapettumisen väheneminen 80%: lla DSS II-koliitissa johtaa solujen energian vähenemiseen noin 55%: lla, mikä kompensoituu hyvin hieman lisääntyneellä glukoosin hapettumisella. Kolonosyytti suorittaa monia terveydelle elintärkeitä energiariippuvaisia prosesseja, mukaan lukien elektrolyyttinvaihto, muciinisynteesi, lipidisynteesi, rakenteellinen proteiinisynteesi ja detoksifikaatio.17-20 menetys soluenergian voi heikentää kaikkia näitä prosesseja, ja voi edistää epiteelisoluvaurioita ja menetys DSS koliitti. Paksusuolen epiteelin nälkään voi johtaa atrofia lyhyellä aikavälillä ja koliitti pitkällä aikavälillä.

butyraatin hapettumisen heikkeneminen oli huomattavasti suurempaa hiirillä, jotka altistettiin kahdelle DSS-syklille (DSS II), kuin hiirillä, jotka altistettiin vain yhdelle syklille (DSS I). Suurempi butyraattihapetuksen väheneminen DSS II-hiirillä korreloi vakavampien histologisten muutosten kanssa, jotka koostuivat huomattavasta Krypt-menetyksestä, dysplasiasta ja regeneratiivisesta atypiasta. Heikentyneen butyraattimetabolian kehitysajankohta suhteessa histologisiin muutoksiin on tärkeä määritettäessä metabolian muutosten merkitystä. Varhaisimmat histologian muutokset havaittiin kolmen päivän kuluttua DSS: n antamisesta, vaikka tällaiset muutokset olivat vähäisiä ja hajanaisia. Varhaisimpia muutoksia olivat solujen häviäminen joissakin kryptapohjissa ja lihaksiston limakalvon viat, joita seurasi lähes välittömästi tulehduksellinen infiltraatio. Aineenvaihdunnan aineellinen heikkeneminen oli havaittavissa vasta 6.päivänä, jolloin histologiset muutokset olivat melko huomattavia. Tämä yhdessä sen kanssa, että DSS: n inkubaatio kolonosyyteillä ei muuttanut solujen aineenvaihduntaa, herättää voimakkaan mahdollisuuden, että epiteelisolujen aineenvaihdunnan muutokset olivat seurausta limakalvotulehduksesta. Jos tulehdus kuitenkin vaikuttaisi solujen aineenvaihduntaan epäspesifisesti, sekä butyraatti-että glukoosiaineenvaihdunnan odotetaan heikkenevän. DSS-koliitin kompensoiva glukoosiaineenvaihdunnan lisääntyminen viittaa butyraattimetabolian spesifiseen heikentymiseen. Koska DSS-koliitin alkuperäinen vaurio on hajanainen, on mahdollista, että muuttunut aineenvaihdunta (vaikka se olisi ensisijainen tapahtuma) ei välttämättä tule mitattavasti näkyviin vasta taudin myöhemmissä vaiheissa.

Kolonosyytit kypsyvät vaeltaessaan kryptopinta-akselia ylöspäin. Tähän prosessiin liittyy useita muutoksia proteiinien ilmentymisessä ja solujen toiminnassa.21 missä tahansa tilassa, joka aiheuttaa epiteelin vaurioita, pintaepiteeli voi olla toiminnallisesti epäkypsä. Mikä tahansa epiteelin toiminnallinen heikkeneminen (kuten heikentynyt butyraatin hapettuminen) tässä tilanteessa voi hypoteettisesti olla toissijaista epiteelin kypsymättömyyteen. Siksi tutkimme mahdollisuutta, että pinnalla (kypsyneet) ja Krypt (epäkypsät) solut kykenevät eri tavoin metaboloimaan butyraattia. Pintasoluilla oli kvantitatiivisesti suurempi kyky hapettaa sekä butyraattia että glukoosia kuin kryptasoluilla (noin 4, 5 kertaa ja vastaavasti 3, 5 kertaa). Tässä tutkimuksessa emme tutkineet glutamiinin käyttöä, sillä vaikka se ei ole kvantitatiivisesti kovin tärkeää normaaleissa kolonosyyteissä, se voi tehostua haavaista paksusuolentulehdusta sairastavien potilaiden paksusuolentulehduksessa.22 butyraatin ja glukoosin hapettumisen suhde oli yhtä korkea sekä pinta-että kryptasoluissa (12:1 ja 10:1), mikä viittaa siihen, että sekä krypta-että pintasoluissa suositaan butyraattia energiantuotannon substraattina. DSS-koliitissa havaittu butyraatin ja glukoosin käyttöasteen tuntuva väheneminen viittaa siihen, että vähentynyt butyraatin hapettuminen DSS-koliitissa ei liity kolonosyyttien kypsyyteen.

ketonin kehon tuotanto, erityisesti β-hydroksibutyraatin tuotanto, vaikutti myös DSS-koliitissa verrattuna normaaleihin verrokkihiiriin. Samanaikainen hiilidioksidin tuotannon ja ketonirungon tuotannon estäminen butyraatista DSS-koliitissa viittaa β-oksidaatioreitin muutokseen Lynen (ketonirunko) reitin tai Krebs-syklin sijaan. DSS-hoidettujen hiirten haitallinen muutos rasvahappojen hapettumisessa mutta ei glukoosin hapettumisessa kolonosyyteissä viittaa myös Krebs-kierron ylläpitämiseen ja siten mitokondrioiden toimintaan solussa.

butyraatin, mutta ei glukoosin, heikentynyttä hapettumista on havaittu kolonosyyteissä, jotka on eristetty potilaista, joilla on aktiivinen ja rauhallinen haavainen koliitti.32022-24 se, että muut tutkijat2526 eivät ole vahvistaneet tällaista havaintoa, johtuu menetelmien mahdollisista eroista.1 kuvio epänormaali aineenvaihdunta kuvattu haavainen koliitti on samanlainen kuin todettiin DSS koliitti tässä tutkimuksessa. Ibuprofeeni, ei-steroidinen tulehduskipulääke, joka liittyy koliitin kehittymiseen, vähentää butyraatin hapettumista, mutta ei glukoosin hapettumista, kun sitä lisätään normaaleihin kolonosyytteihin in vitro.27 vastaavasti rikkiyhdisteiden pelkistäminen, joka vaikuttaa myös haavaisen koliitin kehittymiseen, heikentää selektiivisesti butyraatin hapettumista ihmisen ja rotan kolonosyyteissä ja lisää hieman kompensoivaa glukoosin hapettumista.28-30 kussakin edellä mainitussa tilanteessa aineenvaihdunnan malli on samanlainen kuin DSS-koliitissa. Nälkiintyminen paksusuolen, toissijainen puute Luminal butyraatti, on oletettu syy kulkeutumisen koliitti.5 tässä sairaustilassa verenkierrosta peräisin oleva glukoosi on oletettavasti kolonosyyttien käytettävissä ja niiden normaalisti metaboloima. Toisaalta luminaalinen SCFA-puutos aiheuttaa rotilla atrofiaa, mutta ei muita koliitin muutoksia.3132 näyttää siis siltä, että heikentynyt energia-aineenvaihdunta ei yksinään riitä aiheuttamaan koliittia, ja että muut tekijät, oletettavasti luminaalinen alkuperä, ovat välttämättömiä kaikille koliitin ilmenemismuodoille.

Butyraattiemärit parantavat tehokkaasti histologista kuvaa sekä diversiotulehduksessa että haavaisessa koliitissa.533 niiden hyödyllisyyttä haavainen paksusuolentulehdus on ollut erityisen vaikea selittää, ja joukko toimia on vedottu.31 näissä tutkimuksissa substraattipitoisuuden havaittiin lisäävän kvantitatiivisesti substraatin hapettumista paitsi normaaleissa kolonosyyteissä, myös DSS-koliitissa. Vaikka butyraatin hapettumisen lisääntyminen oli noin 15-kertainen kontrollikolonosyyteissä, se oli vain noin kahdeksankertainen DSS-hoidettujen eläinten kolonosyyteissä, koska butyraattipitoisuus kasvoi 10: stä 80 mM: iin. tämä kasvu käytännössä merkitsisi huomattavasti suurempaa soluenergian saatavuutta, ja se voi selittää butyraattiemäreillä havaitun hyödyn haavainen koliitti. Vaikka butyraatti suurina pitoisuuksina voi indusoida apoptoosia solulinjoissa, näissä tutkimuksissa käytettiin vain lyhytaikaista inkubaatiota (45 minuuttia), eikä solujen elinkelpoisuus todistettavasti muuttunut tänä aikana.

DSS: llä on raportoitu olevan suora sytotoksinen vaikutus suoliston epiteelisoluihin ja intraepiteelisiin lymfosyytteihin.Tässä tutkimuksessa DSS: n suora vaikutus kolonosyyttien metaboliaan suljettiin pois, koska normaaleihin kolonosyytteihin in vitro lisätty DSS ei merkittävästi heikentänyt butyraatin metaboliaa. Pelkistävät rikkiyhdisteet, pääasiassa sulfidit, heikentävät butyraattien hapettumista ihmisen ja rotan kolonosyyteissä.28-30 tätä heikentymistä voi esiintyä butyryyli-CoA-dehydrogenaasin tasolla.35 pelkistäviä rikkiyhdisteitä voi syntyä suolistobakteerien vaikutuksesta sulfaattipolysakkarideihin.3036 DSS, sulfaattipolysakkaridi, voi lisätä sulfaatin saatavuutta ja saattaa stimuloida sulfaattia pelkistäviä bakteereja tuottamaan suurempia sulfidipitoisuuksia, jotka ovat lopulta myrkyllisiä paksusuolen limakalvolle. Sulfaattia pelkistävät bakteerit lisääntyvät haavaista paksusuolitulehdusta sairastavien paksusuolessa.37 mahdollisuutta, että luminaalibakteerit ovat välttämättömiä DSS-koliitin patogeneesissä tukee havainto, että metronidatsoli suojaa DSS-koliittia vastaan.Vastaavasti karageenaani, sulfaattipolysakkaridi, aiheuttaa koliittia normaaleilla, mutta ei bakteerittomilla hiirillä.Toisaalta DSS-koliittia on raportoitu esiintyvän bakteerittomilla hiirillä.40 on selvää, että DSS-koliitin heikentyneen butyraatin hapettumisen patogeneesi tarvitsee lisäselvitystä.

yhteenvetona voidaan todeta, että DSS-koliitti aiheuttaa kolonosyyttien butyraattihapetuksen puutteen ja kompensoivan glukoosin hapettumisen, joka muistuttaa läheisesti ihmisen haavaisen koliitin poikkeavuuksia. Alustavan limakalvovaurion hajanaisuuden vuoksi on epäselvää, onko soluaineenvaihdunnan muuttuminen ensisijainen ilmiö vai sekundaarinen limakalvotulehdukselle. Kummassakin tapauksessa, koska koolon epiteelisoluilla on tärkeitä este-ja detoksikatiivisia toimintoja, heikentynyt butyraattimetabolia voi edistää merkittävästi koliitin patogeneesiä.