Metabolismul butiratului și glucozei de către colonocite în colita experimentală la șoareci | intestin
discuție
SCFAs, inclusiv acetat, propionat și butirat, produs prin fermentarea bacteriană în colon, influențează funcția celulelor epiteliale ale colonului în diverse moduri. Ele sunt principala sursă de energie metabolică pentru colonocite și sunt necesare pentru menținerea funcției normale a mucoasei.21314 SCFA, în principal butirat, furnizează colonocitului aproximativ 70% din energia sa. În colonocitele sănătoase, ordinea de utilizare a diferitelor substraturi disponibile pentru mucoasa colonică este butiratul >glucoză>corpi cetonici> glutamină.2 În cazul unei tulburări metabolice specifice, așa cum se presupune că apare în colita ulcerativă,3 colonocite se vor folosi de substraturi alternative pentru a compensa deficitul energetic.
acest studiu arată că metabolizarea colonocitelor la șoareci este similară cu cea a oamenilor, șobolanilor și a altor specii raportate în literatură1516 în utilizarea butiratului pentru metabolismul oxidativ, preferând glucoza. Studiul arată, de asemenea, că oxidarea butiratului de către colonocite este afectată în colita DSS la șoareci. Afectarea este specifică, deoarece oxidarea glucozei continuă la niveluri normale (sau chiar crescute) în colita DSS. Reducerea oxidării butiratului cu 80% în colita DSS II se va traduce printr-o scădere globală de aproximativ 55% din energia celulară, care este foarte ușor compensată de oxidarea crescută a glucozei. Colonocitul efectuează multe procese dependente de energie vitale pentru sănătate, inclusiv schimbul de electroliți, sinteza mucinei, sinteza lipidelor, sinteza proteinelor structurale și detoxifierea.17-20 pierderea energiei celulare poate afecta toate aceste procese și poate contribui la deteriorarea și pierderea celulelor epiteliale în colita DSS. Înfometarea epitelială a colonului poate duce la atrofie pe termen scurt și la colită pe termen lung.
afectarea oxidării butiratului a fost substanțial mai mare la șoarecii expuși la două cicluri de DSS (DSS II) decât la cei expuși la un singur ciclu (DSS I). Reducerea mai mare a oxidării butiratului la șoarecii DSS II s-a corelat cu modificări histologice mai severe, constând în pierderea semnificativă a criptei, displazia și atipia regenerativă. Cursul de timp al dezvoltării metabolismului butirat afectat în raport cu modificările histologice este important în determinarea semnificației modificărilor metabolismului. Cele mai vechi modificări ale histologiei au fost observate după trei zile de administrare a DSS, deși astfel de modificări au fost limitate și neuniforme. Primele modificări au inclus pierderea celulelor la unele baze criptice și defecte ale mucoasei musculare, care au fost urmate aproape imediat de infiltrarea inflamatorie. Afectarea substanțială a metabolismului a fost detectabilă numai în ziua 6, moment în care modificările histologice au fost destul de pronunțate. Acest lucru, împreună cu faptul că incubarea DSS cu colonocite nu a modificat metabolismul celular, ridică posibilitatea puternică ca modificările metabolismului celulelor epiteliale să fie secundare inflamației mucoasei. Cu toate acestea, dacă metabolismul celular ar fi afectat nespecific de inflamație, atât metabolismul butiratului, cât și cel al glucozei ar fi de așteptat să scadă. Creșterea compensatorie a metabolismului glucozei observată în colita DSS sugerează afectarea specifică a metabolismului butiratului. Deoarece leziunea inițială a colitei DSS este neuniformă, este posibil ca metabolismul modificat (chiar dacă ar fi un eveniment primar) să nu devină măsurabil evident până la etapele ulterioare ale bolii.
Colonocitele se maturizează pe măsură ce migrează pe axa suprafeței criptei. Asociate cu acest proces sunt o serie de modificări în exprimarea proteinelor și a funcției celulare.21 în orice stare care duce la deteriorarea epiteliului, epiteliul de suprafață poate fi imatur din punct de vedere funcțional. Orice afectare funcțională a epiteliului (cum ar fi oxidarea butiratului afectată) în această situație poate fi ipotetic secundară imaturității epiteliului. Prin urmare, am examinat posibilitatea ca celulele de suprafață (mature) și cripte (imature) să aibă capacități diferite de a metaboliza butiratul. Celulele de suprafață au prezentat o capacitate cantitativă mai mare de a oxida atât butiratul, cât și glucoza decât celulele cripte (de aproximativ 4,5 ori și, respectiv, de 3,5 ori). În acest studiu, nu am examinat utilizarea glutaminei, care, deși nu este foarte importantă cantitativ în colonocitele normale, poate fi îmbunătățită în explantele colonice de la pacienții cu colită ulcerativă.22 raportul dintre butirat și oxidarea glucozei a fost la fel de ridicat atât în celulele de suprafață, cât și în cele de criptă (12:1 și 10:1), sugerând că atât celulele de criptă, cât și cele de suprafață prezintă o preferință pentru butirat ca substrat pentru producerea de energie. Raportul de utilizare a butiratului la glucoză semnificativ redus observat în colita DSS sugerează că oxidarea butiratului diminuată în colita DSS nu este legată de maturitatea colonocitelor.
producția de corpi cetonici, în special producția de hidroxibutirat de oxid de azot, a fost, de asemenea, afectată în colita DSS, comparativ cu șoarecii de control normali. Inhibarea concomitentă a producției de CO2 și a producției de corpi cetonici din butirat în colita DSS sugerează o modificare a căii de oxidare a centix, mai degrabă decât a căii Lynen (corp cetonic) sau a ciclului Krebs. Modificarea dăunătoare a oxidării acizilor grași, dar nu și a oxidării glucozei în colonocite de la șoarecii tratați cu DSS sugerează, de asemenea, menținerea ciclului Krebs și, prin urmare, a funcțiilor mitocondriale în celulă.
oxidarea afectată a butiratului, dar nu a glucozei, a fost observată la colonocitele izolate de la pacienții cu colită ulcerativă activă și inactivă.32022-24 eșecul altor investigatori2526 de a confirma o astfel de constatare a fost atribuit posibilelor diferențe de metodologie.1 modelul metabolismului anormal descris în colita ulcerativă este similar cu cel observat în colita DSS în acest studiu. Ibuprofenul, un medicament antiinflamator nesteroidian implicat în dezvoltarea colitei, scade oxidarea butiratului, dar nu oxidarea glucozei atunci când este adăugată la colonocitele normale in vitro.27 în mod similar, compușii sulfuroși reducători, implicați și în dezvoltarea colitei ulcerative, afectează selectiv oxidarea butiratului în colonocitele umane și de șobolan, cu o ușoară creștere compensatorie a oxidării glucozei.28-30 în fiecare dintre situațiile de mai sus, Modelul metabolismului este similar cu cel al colitei DSS. Înfometarea colonocitelor, secundară lipsei butiratului luminal, este cauza postulată a colitei de deviere.5 în această stare de boală, glucoza derivată din circulație este probabil disponibilă și metabolizată în mod normal de către colonocite. Pe de altă parte, deficitul luminal SCFA la șobolani provoacă atrofie, dar nu și celelalte modificări ale colitei.3132 prin urmare, se pare că numai metabolismul energetic afectat poate să nu fie suficient pentru a induce colita și că alți factori, probabil luminali de origine, sunt necesari pentru toate manifestările colitei.
clismele Butirate sunt eficiente în îmbunătățirea imaginii histologice atât în colita de deviere, cât și în colita ulcerativă.533 utilitatea lor în colita ulcerativă a fost deosebit de dificil de explicat și a fost invocată o acțiune în masă.31 În studiile actuale, s-a observat că concentrația substratului crește cantitativ oxidarea substratului nu numai în colonocitele normale, ci și în colita DSS. În timp ce creșterea oxidării butiratului a fost de aproximativ 15 ori în colonocitele de control, a fost doar de aproximativ opt ori în colonocitele de la animalele tratate cu DSS, deoarece concentrația butiratului a crescut de la 10 la 80 mM. această creștere, în termeni practici, ar însemna o disponibilitate substanțial mai mare a energiei celulare și poate explica beneficiul observat cu clismele butiratului în colita ulcerativă. Deși butiratul la concentrații mari poate induce apoptoza în liniile celulare, aceste studii au utilizat numai incubații pe termen scurt (45 minute), iar viabilitatea celulară nu a fost demonstrată în acest timp.
s-a raportat că DSS are un efect citotoxic direct asupra celulelor epiteliale intestinale și a limfocitelor intraepiteliale.34 în studiul de față, a fost exclus un efect direct al DSS asupra metabolizării colonocitelor, deoarece DSS adăugat in vitro la colonocitele normale nu a afectat semnificativ metabolizarea butiratului. Reducerea compușilor sulfuroși, în principal sulfură, afectează oxidarea butiratului de către colonocitele umane și de șobolan.28-30 această afectare poate să apară la nivelul butiril-CoA dehidrogenazei.35 compușii sulfuroși reducători pot fi produși prin acțiunea bacteriilor intestinale asupra polizaharidelor sulfatate.3036 DSS, o polizaharidă sulfatată, poate crește disponibilitatea colonică a sulfatului și poate stimula bacteriile reducătoare de sulfat pentru a genera niveluri mai mari de sulfură, care sunt în cele din urmă toxice pentru mucoasa colonică. Bacteriile reducătoare de sulfat sunt crescute în colonul pacienților cu colită ulcerativă.37 posibilitatea ca bacteriile luminale să fie necesare în patogeneza colitei DSS este susținută de observația că metronidazolul protejează împotriva colitei DSS.38 în mod similar, carageenanul, o polizaharidă sulfatată, induce colita la șoareci normali, dar nu și la șoareci fără germeni.39 Pe de altă parte, s-a raportat apariția colitei DSS la șoarecii fără germeni.40 este evident că patogeneza oxidării butiratului afectat în colita DSS va avea nevoie de explicații suplimentare.
în concluzie, colita DSS provoacă un defect în oxidarea butiratului de colonocite, cu o creștere compensatorie a oxidării glucozei, asemănătoare cu anomaliile colitei ulcerative umane. Datorită naturii neuniforme a leziunii inițiale a mucoasei, rămâne neclar dacă modificarea metabolismului celular este un fenomen primar sau secundar inflamației mucoasei. În ambele cazuri, deoarece celulele epiteliale ale colonului au funcții importante de barieră și detoxificare, metabolismul butirat afectat poate contribui semnificativ la patogeneza colitei.
