Maślan i metabolizm glukozy przez kolonocyty w doświadczalnym zapaleniu jelita grubego u myszy / jelit
dyskusja
Scfa, w tym octan, propionian i maślan, wytwarzane w wyniku fermentacji bakteryjnej w okrężnicy, wpływają na funkcję komórek nabłonka jelita grubego na różne sposoby. Są one głównym źródłem energii metabolicznej dla kolonocytów i są niezbędne do utrzymania prawidłowej funkcji błony śluzowej.21314 SCFAs, głównie maślan, dostarcza kolonocyt około 70% jego energii. W zdrowych kolonocytach kolejność wykorzystania różnych substratów dostępnych dla błony śluzowej jelita grubego to maślan>glukoza >ciała ketonowe> glutamina.2 w przypadku specyficznych zaburzeń metabolicznych, jak przypuszcza się we wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego,3 kolonocyty będą korzystać z alternatywnych substratów, aby nadrobić deficyt energii.
to badanie pokazuje, że metabolizm kolonocytów u myszy jest podobny do metabolizmu u ludzi, szczurów i innych gatunków opisanego w literaturze 1516 w zakresie wykorzystania maślanu do metabolizmu oksydacyjnego, zamiast glukozy. Badanie pokazuje również, że utlenianie maślanu przez kolonocyty jest upośledzone w zapaleniu jelita grubego DSS u myszy. Upośledzenie jest specyficzne, ponieważ utlenianie glukozy utrzymuje się na normalnym (lub nawet zwiększonym) poziomie w zapaleniu jelita grubego DSS. Zmniejszenie utleniania maślanu o 80% w zapaleniu jelita grubego DSS II przełoży się na ogólny spadek energii komórek o około 55%, co jest bardzo nieznacznie kompensowane przez zwiększone utlenianie glukozy. Kolonocyt przeprowadza wiele procesów zależnych od energii, niezbędnych dla zdrowia, w tym wymianę elektrolitów, syntezę mucyny, syntezę lipidów, syntezę białek strukturalnych i detoksykację.17-20 utrata energii komórkowej może upośledzać wszystkie te procesy i może przyczyniać się do uszkodzenia komórek nabłonkowych i utraty w zapaleniu jelita grubego DSS. Głód nabłonka okrężnicy może prowadzić do zaniku w krótkim okresie i zapalenia jelita grubego w długim okresie.
upośledzenie utleniania maślanu było znacznie większe u myszy narażonych na dwa cykle DSS (DSS II) niż u myszy narażonych na tylko jeden cykl (DSS I). Większa redukcja utleniania maślanu u myszy DSS II korelowała z cięższymi zmianami histologicznymi, polegającymi na znacznej utracie krypty, dysplazji i regeneracyjnej atypi. Przebieg czasowy rozwoju zaburzeń metabolizmu maślanu w związku ze zmianami histologicznymi ma istotne znaczenie dla określenia znaczenia zmian metabolizmu. Najwcześniejsze zmiany w histologii odnotowano po trzech dniach podawania DSS, chociaż zmiany te były ograniczone i niejednoznaczne. Najwcześniejsze zmiany obejmowały utratę komórek w niektórych podstawach krypty i wady błony śluzowej muscularis, po których niemal natychmiast nastąpiło nacieki zapalne. Istotne upośledzenie metabolizmu było wykrywalne dopiero w 6 dniu, w którym zmiany histologiczne były dość wyraźne. To, wraz z faktem, że inkubacja DSS z kolonocytami nie wpływała na metabolizm komórek, zwiększa możliwość, że zmiany w metabolizmie komórek nabłonkowych były wtórne do stanu zapalnego błon śluzowych. Jednakże, jeśli stan zapalny miałby wpływać na metabolizm komórkowy w niespecyficzny sposób, można oczekiwać zmniejszenia zarówno metabolizmu maślanu, jak i glukozy. Wyrównawczy wzrost metabolizmu glukozy odnotowany w zapaleniu jelita grubego DSS sugeruje specyficzne upośledzenie metabolizmu maślanu. Jako początkowe uszkodzenie DSS zapalenie jelita grubego jest niejednolity, możliwe jest, że zmieniony metabolizm (nawet jeśli było to zdarzenie pierwotne) nie może stać się wymiernie widoczne aż do późniejszych stadiach choroby.
Kolonocyty dojrzewają, gdy migrują w górę osi powierzchni krypty. Z tym procesem wiąże się szereg zmian w ekspresji białek i funkcji komórek.W każdym stanie powodującym uszkodzenie nabłonka nabłonek powierzchniowy może być funkcjonalnie niedojrzały. Wszelkie upośledzenie czynnościowe nabłonka (takie jak upośledzone utlenianie maślanu) w tej sytuacji może być hipotetycznie wtórne do niedojrzałości nabłonka. Zbadaliśmy zatem możliwość, że komórki powierzchniowe (dojrzałe) i kryptowe (niedojrzałe) mają różne zdolności metabolizowania maślanu. Komórki powierzchniowe wykazywały ilościowo większą zdolność do utleniania zarówno maślanu, jak i glukozy niż komórki krypty (odpowiednio około 4,5 razy i 3,5 razy). W tym badaniu nie zbadaliśmy wykorzystania glutaminy, która, choć nie jest ilościowo bardzo ważna w normalnych kolonocytach, może być zwiększona w eksplantach okrężnicy u pacjentów z wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego.22 stosunek maślanu do utleniania glukozy był równie wysoki zarówno w komórkach powierzchniowych, jak i kryptowych (12:1 i 10:1), co sugeruje, że zarówno komórki kryptowe, jak i powierzchniowe wykazują preferencje dla maślanu jako substratu do produkcji energii. Zauważalnie zmniejszony stosunek maślanu do glukozy odnotowany w zapaleniu jelita grubego DSS sugeruje, że zmniejszone utlenianie maślanu w zapaleniu jelita grubego DSS nie jest związane z dojrzałością kolonocytów.
produkcja ciała ketonowego, zwłaszcza produkcja β-hydroksymaślanu, również miała wpływ na zapalenie jelita grubego DSS w porównaniu z normalnymi myszami kontrolnymi. Równoczesne hamowanie produkcji CO2 i produkcji ciała ketonowego z maślanu w zapaleniu jelita grubego DSS sugeruje zmianę szlaku β-utleniania, a nie Szlaku Lynena (ciała ketonowego) lub cyklu Krebsa. Szkodliwa zmiana utleniania kwasów tłuszczowych, ale nie utleniania glukozy w kolonocytach myszy leczonych DSS sugeruje również utrzymanie cyklu Krebsa, a zatem funkcji mitochondrialnych w komórce.
stwierdzono upośledzone utlenianie maślanu, ale nie glukozy, w kolonocytach izolowanych od pacjentów z czynnym i spoczynkowym wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego.32022-24 niepowodzenie innych śledczych2526 w potwierdzeniu takiego ustalenia zostało przypisane ewentualnym różnicom w metodologii.1 Schemat nieprawidłowego metabolizmu opisany we wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego jest podobny do tego odnotowanego w przypadku zapalenia jelita grubego DSS w tym badaniu. Ibuprofen, niesteroidowy lek przeciwzapalny zaangażowany w rozwój zapalenia jelita grubego, zmniejsza utlenianie maślanu, ale nie utlenianie glukozy po dodaniu do normalnych kolonocytów in vitro.Podobnie, redukcja związków siarki, również związanych z rozwojem wrzodziejącego zapalenia jelita grubego, selektywnie upośledza utlenianie maślanów w kolonocytach ludzkich i szczurzych, z niewielkim wyrównawczym wzrostem utleniania glukozy.28-30 w każdej z powyższych sytuacji schemat metabolizmu jest podobny do tego w zapaleniu jelita grubego DSS. Głód kolonocytów, wtórny do braku maślanu luminalnego, jest postulowaną przyczyną przekierowania zapalenia jelita grubego.W tej chorobie glukoza pochodząca z krążenia jest prawdopodobnie dostępna i normalnie metabolizowana przez kolonocyty. Z drugiej strony, niedobór Luminal SCFA u szczurów powoduje zanik, ale nie inne zmiany zapalenia jelita grubego.3132 W związku z tym wydaje się, że sam zaburzony metabolizm energetyczny może nie być wystarczający do wywołania zapalenia jelita grubego i że inne czynniki, prawdopodobnie pochodzenia luminalnego, są niezbędne dla wszystkich objawów zapalenia jelita grubego.
lewatywy Maślanowe są skuteczne w poprawie obrazu histologicznego zarówno w zapaleniu okrężnicy, jak i wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego.533 ich przydatność we wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego była szczególnie trudna do wyjaśnienia i wywołano masową akcję.31 W obecnych badaniach stwierdzono, że stężenie substratu zwiększa ilościowo utlenianie substratów nie tylko w prawidłowych kolonocytach, ale także w zapaleniu jelita grubego DSS. Podczas gdy wzrost utleniania maślanu był około 15-krotnie w kontrolowanych kolonocytach, był tylko około ośmiokrotnie w kolonocytach zwierząt leczonych DSS, ponieważ stężenie maślanu wzrosło z 10 do 80 mM. ten wzrost, w praktyce, oznaczałby znacznie większą dostępność energii komórkowej i może wyjaśniać korzyści obserwowane w przypadku lewatywy maślanowej we wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego. Chociaż maślan w wysokich stężeniach może wywoływać apoptozę w liniach komórkowych, w badaniach tych stosowano jedynie krótkotrwałe inkubacje (45 minut), a żywotność komórek nie została w tym czasie wyraźnie zmieniona.
donoszono, że DSS wywiera bezpośredni cytotoksyczny wpływ na komórki nabłonka jelita i limfocyty wewnątrznabłonkowe.W niniejszym badaniu wykluczono bezpośredni wpływ DSS na metabolizm kolonocytów, ponieważ DSS dodany in vitro do normalnych kolonocytów nie powodował istotnego upośledzenia metabolizmu maślanu. Redukcja związków siarki, głównie siarczków, upośledza utlenianie maślanów przez kolonocyty ludzkie i szczurzeniowe.Zaburzenie to może wystąpić na poziomie dehydrogenazy butyrylo-CoA.Redukujące związki siarki mogą być wytwarzane w wyniku działania bakterii jelitowych na polisacharydy siarczanowe.3036 DSS, polisacharyd siarczanowy, może zwiększać dostępność siarczanów w okrężnicy i może stymulować bakterie redukujące siarczany do generowania wyższych poziomów siarczków, które ostatecznie są toksyczne dla błony śluzowej okrężnicy. Bakterie redukujące siarczany są zwiększone w okrężnicy u pacjentów z wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego.Możliwość, że bakterie luminalne są niezbędne w patogenezie zapalenia jelita grubego DSS, jest potwierdzona obserwacją, że metronidazol chroni przed zapaleniem jelita grubego DSS.Podobnie karageenan, polisacharyd siarczanowy, indukuje zapalenie okrężnicy u zdrowych myszy, ale nie u myszy wolnych od zarazków.Z drugiej strony, donoszono o występowaniu zapalenia jelita grubego DSS u myszy wolnych od zarazków.Jest oczywiste, że patogeneza upośledzonego utleniania maślanu w zapaleniu jelita grubego DSS będzie wymagała dalszego wyjaśnienia.
podsumowując, DSS zapalenie jelita grubego powoduje defekt utleniania maślanu okrężnicy, z kompensacyjnym wzrostem utleniania glukozy, blisko przypominającym nieprawidłowości w ludzkim wrzodziejącym zapaleniu jelita grubego. Ze względu na niejednorodny charakter początkowej zmiany błony śluzowej nie jest jasne, czy zmiana metabolizmu komórkowego jest zjawiskiem pierwotnym, czy wtórnym w stosunku do stanu zapalnego błony śluzowej. W obu przypadkach, ponieważ komórki nabłonka jelita grubego mają ważną barierę i funkcje detoksykacyjne, zaburzony metabolizm maślanu może znacząco przyczynić się do patogenezy zapalenia jelita grubego.
