Metabolismo del butirrato e del glucosio da parte dei colonociti nella colite sperimentale nei topi | intestino

Discussione

Gli SCFA, inclusi acetato, propionato e butirrato, prodotti dalla fermentazione batterica nel colon, influenzano la funzione delle cellule epiteliali del colon in diversi modi. Sono la principale fonte di energia metabolica per i colonociti e sono necessari per il mantenimento della normale funzione della mucosa.21314 SCFA, principalmente butirrato, forniscono al colonocita circa il 70% della sua energia. Nei colonociti sani, l’ordine di utilizzo dei vari substrati disponibili per la mucosa del colon è butirrato>glucosio>corpi chetonici>glutammina.2 In caso di specifica compromissione metabolica, come si ipotizza nella colite ulcerosa,3 colonociti si avvalgono di substrati alternativi per compensare il deficit energetico.

Questo studio mostra che il metabolismo dei colonociti nei topi è simile a quello nell’uomo, nel ratto e in altre specie riportate nella letteratura1516 nell’utilizzo del butirrato per il metabolismo ossidativo in preferenza al glucosio. Lo studio mostra anche che l’ossidazione del butirrato da parte dei colonociti è compromessa nella colite DSS nei topi. La compromissione è specifica, perché l’ossidazione del glucosio continua a livelli normali (o addirittura aumentati) nella colite DSS. La riduzione dell’ossidazione del butirrato dell ‘ 80% nella colite DSS II si tradurrà in una diminuzione complessiva di circa il 55% dell’energia cellulare, che è leggermente compensata dall’aumentata ossidazione del glucosio. Il colonocita svolge molti processi dipendenti dall’energia vitali per la salute, tra cui lo scambio di elettroliti, la sintesi della mucina, la sintesi lipidica, la sintesi proteica strutturale e la disintossicazione.17-20 La perdita di energia cellulare può compromettere tutti questi processi e può contribuire al danno e alla perdita delle cellule epiteliali nella colite DSS. La fame epiteliale del colon può portare ad atrofia a breve termine e alla colite a lungo termine.

La compromissione dell’ossidazione del butirrato era sostanzialmente maggiore nei topi esposti a due cicli di DSS (DSS II) rispetto a quelli esposti a un solo ciclo (DSS I). Una maggiore riduzione dell’ossidazione del butirrato nei topi DSS II è correlata a cambiamenti istologici più gravi, consistenti in apprezzabile perdita di cripta, displasia e atipia rigenerativa. Il corso temporale dello sviluppo del metabolismo del butirrato compromesso in relazione ai cambiamenti istologici è importante per determinare il significato dei cambiamenti nel metabolismo. I primi cambiamenti nell’istologia sono stati notati dopo tre giorni di somministrazione del DSS, sebbene tali cambiamenti fossero limitati e irregolari. I primi cambiamenti includevano la perdita di cellule in alcune basi della cripta e difetti nella mucosa muscularis, che erano seguiti quasi immediatamente da infiltrazione infiammatoria. La compromissione sostanziale del metabolismo era rilevabile solo al giorno 6, momento in cui i cambiamenti istologici erano abbastanza pronunciati. Ciò, insieme al fatto che l’incubazione del DSS con i colonociti non ha alterato il metabolismo cellulare, aumenta la forte possibilità che i cambiamenti nel metabolismo delle cellule epiteliali siano secondari all’infiammazione della mucosa. Tuttavia, se il metabolismo cellulare dovesse essere influenzato in modo non specifico dall’infiammazione, sia il metabolismo del butirrato che quello del glucosio dovrebbero essere diminuiti. L’aumento compensativo del metabolismo del glucosio osservato nella colite DSS suggerisce una specifica compromissione del metabolismo del butirrato. Poiché la lesione iniziale della colite DSS è irregolare, è possibile che il metabolismo alterato (anche se fosse un evento primario) non possa diventare misurabile fino alle fasi successive della malattia.

I colonociti maturano mentre migrano lungo l’asse cripta-superficie. Associato a questo processo sono una serie di cambiamenti nell’espressione delle proteine e della funzione cellulare.21 In qualsiasi condizione con conseguente danno epiteliale, l’epitelio superficiale può essere funzionalmente immaturo. Qualsiasi compromissione funzionale dell’epitelio (come la ridotta ossidazione del butirrato) in questa situazione può ipoteticamente essere secondaria all’immaturità dell’epitelio. Abbiamo quindi esaminato la possibilità che le cellule di superficie (mature) e di cripta (immature) abbiano diverse capacità di metabolizzare il butirrato. Le cellule superficiali hanno mostrato una capacità quantitativamente maggiore di ossidare sia il butirrato che il glucosio rispetto alle cellule crittografiche (circa 4,5 volte e 3,5 volte rispettivamente). In questo studio, non abbiamo esaminato l’utilizzo della glutammina, che, sebbene non sia quantitativamente molto importante nei colonociti normali, può essere aumentata negli espianti del colon da pazienti con colite ulcerosa.22 Il rapporto tra il butirrato e l’ossidazione del glucosio era ugualmente elevato sia nelle cellule di superficie che in quelle di cripta (12:1 e 10:1), suggerendo che sia le cellule di cripta che quelle di superficie mostrano una preferenza per il butirrato come substrato per la produzione di energia. Il rapporto di utilizzo del butirrato in glucosio sensibilmente ridotto osservato nella colite DSS suggerisce che la diminuzione dell’ossidazione del butirrato nella colite DSS non è correlata alla maturità dei colonociti.

La produzione di corpi chetonici, in particolare la produzione di β-idrossibutirrato, è stata influenzata anche nella colite DSS rispetto ai normali topi di controllo. L’inibizione concomitante della produzione di CO2 e della produzione di corpi chetonici da butirrato nella colite DSS suggerisce un’alterazione nella via di β-ossidazione piuttosto che nella via di Lynen (corpo chetonico) o nel ciclo di Krebs. Il cambiamento dannoso nell’ossidazione degli acidi grassi ma non nell’ossidazione del glucosio nei colonociti da topi trattati con DSS suggerisce anche il mantenimento del ciclo di Krebs e quindi delle funzioni mitocondriali nella cellula.

Ossidazione alterata del butirrato, ma non del glucosio, è stata osservata nei colonociti isolati da pazienti con colite ulcerosa attiva e quiescente.32022-24 Il fallimento di altri sperimentatori2526 nel confermare tale risultato è stato attribuito a possibili differenze nella metodologia.1 Il modello di metabolismo anormale descritto nella colite ulcerosa è simile a quello osservato nella colite DSS in questo studio. L’Iprofene, un farmaco antinfiammatorio non steroideo implicato nello sviluppo della colite, diminuisce l’ossidazione del butirrato ma non l’ossidazione del glucosio quando viene aggiunto ai normali colonociti in vitro.27 Allo stesso modo, la riduzione dei composti dello zolfo, anch’essi implicati nello sviluppo della colite ulcerosa, compromette selettivamente l’ossidazione del butirrato nei colonociti umani e di ratto, con un leggero aumento compensatorio dell’ossidazione del glucosio.28-30 In ciascuna delle situazioni di cui sopra, il modello del metabolismo è simile a quello della colite DSS. La fame di colonociti, secondaria alla mancanza di butirrato luminale, è la causa postulata per la colite da diversione.5 In questa condizione di malattia, il glucosio derivato dalla circolazione è presumibilmente disponibile e metabolizzato normalmente dai colonociti. D’altra parte, la carenza di SCFA luminale nei ratti causa atrofia ma non gli altri cambiamenti della colite.3132 Sembra quindi che il metabolismo energetico alterato da solo possa non essere sufficiente a indurre la colite e che altri fattori, presumibilmente di origine luminale, siano necessari per tutte le manifestazioni della colite.

I clisteri di butirrato sono efficaci nel migliorare il quadro istologico sia nella colite da diversione che nella colite ulcerosa.533 La loro utilità nella colite ulcerosa è stata particolarmente difficile da spiegare, ed è stata invocata un’azione di massa.31 In questi studi, la concentrazione del substrato è stata notata per aumentare quantitativamente l’ossidazione del substrato non solo nei colonociti normali, ma anche nella colite DSS. Mentre l’aumento dell’ossidazione del butirrato è stato di circa 15 volte nei colonociti di controllo, è stato solo di circa otto volte nei colonociti di animali trattati con DSS, poiché la concentrazione di butirrato è aumentata da 10 a 80 mm. Questo aumento, in termini pratici, equivarrebbe a una disponibilità sostanzialmente maggiore di energia cellulare e potrebbe spiegare il beneficio osservato con i clisteri di butirrato nella colite ulcerosa. Sebbene il butirrato ad alte concentrazioni possa indurre apoptosi nelle linee cellulari, questi studi hanno utilizzato solo incubazioni a breve termine (45 minuti) e la vitalità cellulare non è stata alterata in modo dimostrabile durante questo periodo.

È stato riportato che il DSS ha un effetto citotossico diretto sulle cellule epiteliali intestinali e sui linfociti intraepiteliali.Nel presente studio è stato escluso un effetto diretto del DSS sul metabolismo dei colonociti, in quanto il DSS aggiunto in vitro ai colonociti normali non altera significativamente il metabolismo del butirrato. La riduzione dei composti dello zolfo, principalmente solfuro, compromette l’ossidazione del butirrato da parte dei colonociti umani e di ratto.28-30 Questa compromissione può verificarsi a livello di butiril-CoA deidrogenasi.35 I composti riducenti dello zolfo possono essere prodotti dall’azione dei batteri intestinali sui polisaccaridi solfati.3036 DSS, un polisaccaride solfatato, può aumentare la disponibilità di solfato nel colon e può stimolare i batteri che riducono il solfato a generare livelli più elevati di solfuro, che alla fine sono tossici per la mucosa del colon. I batteri che riducono il solfato sono aumentati nel colon dei pazienti con colite ulcerosa.37 La possibilità che i batteri luminali siano necessari nella patogenesi della colite DSS è supportata dall’osservazione che il metronidazolo protegge dalla colite DSS.Allo stesso modo, carageenan, un polisaccaride solfatato, induce la colite in topi normali ma non in topi privi di germi.39 D’altra parte, la colite di DSS è stata riferita per accadere in topi senza germi.40 È ovvio che la patogenesi dell’ossidazione alterata del butirrato nella colite DSS avrà bisogno di ulteriori spiegazioni.

In conclusione, la colite DSS causa un difetto nell’ossidazione del butirrato dei colonociti, con un aumento compensatorio dell’ossidazione del glucosio, che assomiglia molto alle anomalie nella colite ulcerosa umana. A causa della natura irregolare della lesione mucosa iniziale, non è chiaro se l’alterazione del metabolismo cellulare sia un fenomeno primario o secondario all’infiammazione della mucosa. In entrambi i casi, poiché le cellule epiteliali del colon hanno importanti funzioni di barriera e disintossicazione, il metabolismo del butirrato alterato può contribuire in modo significativo alla patogenesi della colite.