Butyrat och glukosmetabolism av kolonocyter i experimentell kolit hos möss / tarm
diskussion
SCFA, inklusive acetat, propionat och butyrat, producerat genom bakteriell jäsning i tjocktarmen, påverkar kolon epitelcellfunktion på olika sätt. De är den huvudsakliga källan till metabolisk energi för kolonocyter och är nödvändiga för att upprätthålla normal slemhinnefunktion.21314 SCFA, huvudsakligen butyrat, ger kolonocyten cirka 70% av sin energi. I friska kolonocyter är användningsordningen för olika substrat som är tillgängliga för kolonslemhinnan butyrat>glukos>ketonkroppar>glutamin.2 i händelse av en specifik metabolisk försämring, som antas inträffa vid ulcerös kolit,kommer 3 kolonocyter att använda sig av alternativa substrat för att kompensera för energiunderskottet.
denna studie visar att kolonocytmetabolism hos möss liknar den hos människa, råtta och andra arter som rapporterats i litteraturen1516 vid användning av butyrat för oxidativ metabolism i stället för glukos. Studien visar också att butyratoxidation av kolocyter försämras i dss-kolit hos möss. Försämringen är specifik, eftersom glukosoxidation fortsätter vid normala (eller till och med ökade) nivåer i DSS-kolit. Minskningen av butyratoxidation med 80% i dss II-kolit kommer att översättas till en total minskning av cirka 55% cellenergi, vilket kompenseras mycket lite av ökad glukosoxidation. Kolonocyten utför många energiberoende processer som är avgörande för hälsan, inklusive elektrolytutbyte, mucinsyntes, lipidsyntes, strukturell proteinsyntes och avgiftning.17-20 förlust av cellulär energi kan försämra alla dessa processer och kan bidra till epitelcellskador och förlust i dss-kolit. Kolon epitelial svält kan leda till atrofi på kort sikt och till kolit på lång sikt.
försämring av butyratoxidation var väsentligt större hos möss som exponerades för två cykler av DSS (DSS II) än hos de som exponerades för endast en cykel (DSS I). Större reduktion av butyratoxidation i dss II-möss korrelerade med mer allvarliga histologiska förändringar, bestående av märkbar kryptaförlust, dysplasi och regenerativ atypi. Tidsförloppet för utveckling av nedsatt butyratmetabolism i förhållande till histologiska förändringar är viktigt för att bestämma betydelsen av förändringar i ämnesomsättningen. De tidigaste förändringarna i histologi noterades efter tre dagars DSS-administrering, även om sådana förändringar var begränsade och fläckiga. De tidigaste förändringarna inkluderade förlust av celler vid vissa kryptbaser och defekter i muscularis slemhinna, som följdes nästan omedelbart av inflammatorisk infiltration. Substantiv försämring av ämnesomsättningen var detekterbar endast vid Dag 6, vid vilken tidpunkt histologiska förändringar var ganska uttalade. Detta, tillsammans med det faktum att DSS-inkubation med kolocyter inte förändrade cellmetabolism, väcker den starka möjligheten att förändringar i epitelcellmetabolism var sekundära till slemhinneinflammation. Men om cellmetabolismen skulle påverkas på ett icke-specifikt sätt av inflammation, skulle både butyrat och glukosmetabolism förväntas minska. Den kompensatoriska ökningen av glukosmetabolism som noteras vid DSS-kolit antyder specifik försämring av butyratmetabolism. Eftersom den initiala lesionen av DSS-kolit är fläckig är det möjligt att förändrad metabolism (även om det var en primär händelse) kanske inte blir mätbart uppenbart förrän de senare stadierna av sjukdomen.
Kolonocyter mognar när de migrerar upp kryptytaxeln. Associerad med denna process är ett antal förändringar i uttryck av proteiner och cellfunktion.21 i alla tillstånd som resulterar i epitelskador kan ytepitelet vara funktionellt omoget. Eventuell funktionsnedsättning av epitelet (såsom nedsatt butyratoxidation) i denna situation kan hypotetiskt vara sekundär till epitelets omognad. Vi undersökte därför möjligheten att yt – (mogna) och krypta (omogna) celler har olika kapacitet att metabolisera butyrat. Ytceller visade en kvantitativt större kapacitet att oxidera både butyrat och glukos än kryptceller (cirka 4,5 gånger respektive 3,5 gånger). I denna studie undersökte vi inte användningen av glutamin, som, även om det inte är kvantitativt mycket viktigt i normala kolocyter, kan förbättras i kolonexplanter från patienter med ulcerös kolit.22 förhållandet mellan butyrat och glukosoxidation var lika högt i både yt-och kryptceller (12:1 och 10:1), vilket tyder på att både krypt-och ytceller visar en preferens för butyrat som substrat för energiproduktion. Det märkbart reducerade utnyttjandegraden av butyrat till glukos som noteras vid DSS-kolit antyder att minskad butyratoxidation vid DSS-kolit inte är relaterad till mognaden hos kolocyterna.
Ketonkroppsproduktion, särskilt produktion av sackaros-hydroxibutyrat, påverkades också vid DSS-kolit jämfört med normala kontrollmöss. Den samtidiga inhiberingen av CO2-produktion och ketonkroppsproduktion från butyrat i DSS-kolit antyder en förändring i Tubi-oxidationsvägen snarare än Lynen (ketonkroppen) – vägen eller Krebs-cykeln. Den skadliga förändringen i fettsyraoxidation men inte glukosoxidation i kolonocyter från DSS-behandlade möss föreslår också underhåll av Krebs-cykeln och därmed mitokondriella funktioner i cellen.
nedsatt oxidation av butyrat, men inte av glukos, har noterats i kolonocyter isolerade från patienter med aktiv och vilande ulcerös kolit.32022-24 andra utredares misslyckande2526 med att bekräfta ett sådant konstaterande har tillskrivits möjliga skillnader i metodik.1 mönstret av onormal metabolism som beskrivs i ulcerös kolit liknar det som noterades i DSS-kolit i denna studie. Ibuprofen, ett icke-steroidalt antiinflammatoriskt läkemedel som är inblandat i utvecklingen av kolit, minskar butyratoxidation men inte glukosoxidation när den tillsätts till normala kolocyter in vitro.27 på samma sätt försämrar reducerande svavelföreningar, som också är inblandade i utvecklingen av ulcerös kolit, selektivt butyratoxidation i humana och råttkolonocyter, med en liten kompensatorisk ökning av glukosoxidation.28-30 i var och en av ovanstående situationer liknar metabolismens mönster det i dss-kolit. Svält av kolocyter, sekundär till brist på luminal butyrat, är den postulerade orsaken till avledning kolit.5 i detta sjukdomstillstånd är glukos som härrör från cirkulationen förmodligen tillgänglig för och metaboliseras normalt av kolocyter. Å andra sidan orsakar luminal SCFA-brist hos råttor atrofi men inte de andra förändringarna av kolit.3132 det verkar därför som att nedsatt energimetabolism ensam kanske inte är tillräcklig för att inducera kolit, och att andra faktorer, förmodligen luminala ursprung, är nödvändiga för alla manifestationer av kolit.
butyrat lavemang är effektiva för att förbättra den histologiska bilden i både avledning kolit och ulcerös kolit.533 deras användbarhet vid ulcerös kolit har varit särskilt svår att förklara, och en massåtgärd har åberopats.31 i de aktuella studierna noterades substratkoncentration för att kvantitativt öka substratoxidationen inte bara i normala kolocyter utan också i DSS-kolit. Medan ökningen av butyratoxidation var cirka 15 gånger i kontrollkolonocyter, var den bara cirka åtta gånger i kolocyter från DSS-behandlade djur, eftersom butyratkoncentrationen ökade från 10 till 80 mm. Denna ökning, i praktiken, skulle uppgå till väsentligt större tillgänglighet av cellulär energi och kan förklara den fördel som observerats med butyrat lavemang vid ulcerös kolit. Även om butyrat vid höga koncentrationer kan inducera apoptos i cellinjer, använde dessa studier endast kortvariga inkubationer (45 minuter) och cellens livskraft förändrades inte bevisligen under denna tid.
DSS har rapporterats ha en direkt cytotoxisk effekt på tarmepitelceller och intraepiteliala lymfocyter.34 i den aktuella studien uteslöts en direkt effekt av DSS på kolocytmetabolism eftersom DSS tillsattes in vitro till normala kolocyter inte signifikant försämrade butyratmetabolismen. Reducerande svavelföreningar, huvudsakligen sulfid, försämrar butyratoxidation av humana och råttkolonocyter.28-30 denna försämring kan uppstå vid nivån av butyryl-CoA-dehydrogenas.35 reducerande svavelföreningar kan framställas genom inverkan av tarmbakterier på sulfaterade polysackarider.3036 DSS, en sulfaterad polysackarid, kan öka kolontillgängligheten av sulfat och kan stimulera sulfatreducerande bakterier att generera högre sulfidnivåer, som så småningom är giftiga för kolonslemhinnan. Sulfatreducerande bakterier ökar i tjocktarmen hos patienter med ulcerös kolit.37 möjligheten att luminala bakterier är nödvändiga vid patogenesen av DSS-kolit stöds av observationen att metronidazol skyddar mot DSS-kolit.38 på liknande sätt inducerar karageenan, en sulfaterad polysackarid, kolit hos normala men inte hos bakteriefria möss.39 å andra sidan har DSS-kolit rapporterats förekomma hos bakteriefria möss.40 Det är uppenbart att patogenesen av nedsatt butyratoxidation i DSS-kolit behöver ytterligare förklaring.
Sammanfattningsvis orsakar DSS-kolit en defekt i kolocytbutyratoxidation, med en kompensatorisk ökning av glukosoxidation, som liknar abnormiteter vid Human ulcerös kolit. På grund av den initiala slemhinnans fläckiga natur är det fortfarande oklart om förändring av cellmetabolism är ett primärt fenomen eller sekundärt till slemhinneinflammation. I båda fallen, eftersom kolonepitelceller har viktiga barriärfunktioner och detoxikativa funktioner, kan nedsatt butyratmetabolism bidra avsevärt till patogenesen av kolit.
