Сравнительный анализ основных факторов патогенеза воспалительных заболеваний кишечника в моделях in vitro и in vivo

Обложка


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Для воспалительных заболеваний кишечника характерно наличие воспаления в слизистой оболочке кишечника и повышенная проницаемость кишечного барьера. При изучении биологического действия препаратов важно, чтобы используемые при этом экспериментальные модели адекватно воспроизводили основные факторы патогенеза заболевания.

Цель — сравнение показателей проницаемости кишечного эпителиального барьера и воспалительного процесса в моделях воспалительных заболеваний кишечника: на клетках Caco-2, стимулированных липополисахаридами, и на мышах с нокаутом гена муцина 2 (Muc2–/–).

Методы. Для создания модели воспалительных заболеваний кишечника in vitro клетки Caco-2 культивировали в присутствии липополисахарида в концентрациях 0,1–100,0 мкг/мл, оценивали его влияние на трансэпителиальное электрическое сопротивление клеток, проницаемость монослоя, экспрессию генов плотных контактов ZO-1, Claudin-1 и провоспалительных цитокинов — интерлейкина IL-8, TNF-α, секрецию клетками IL-8. В качестве модели воспалительных заболеваний кишечника in vivo использовали мышей с нокаутом гена муцин 2 (Muc2–/–). Проницаемость кишечника определяли по концентрации флуоресцеин-изотиоцианат-декстрана в крови после его внутрижелудочного введения, проводили гистологический анализ образцов толстой кишки и оценивали в них экспрессию генов TNF-α, IL-1β, IL-10 и содержание IL-1β и IL-10.

Результаты. В экспериментах in vitro на клетках Caco-2 липополисахарид в концентрации 10 мкг/мл на 57% снижал электрическое сопротивление монослоя клеток, на 38% повышал проницаемость клеточного монослоя для флуоресцеин-изотиоцианат-декстрана. При этом он в 2,8 и 2,3 раза увеличивал экспрессию IL-8 и TNF-α, на 54 и 53% снижал экспрессию ZO-1 и Claudin-1 и в 27 раз увеличивал секрецию клетками IL-8 по сравнению с контролем. В экспериментах in vivo показано, что проницаемость кишечника мышей Muc2–/– была в 5,8 раз выше, экспрессия IL-1β и TNF-α в 9,9 и 6,8 раза выше; экспрессия IL-10 у мышей Muc2–/– на 71% ниже, содержание в кишке IL-1β было на 94% выше, а IL-10 — на 44% ниже по сравнению со здоровыми мышами.

Заключение. Изученные in vitro и in vivo модели воспалительных заболеваний кишечника характеризуются схожей динамикой в показателях кишечной проницаемости и воспалительного ответа. Эти модели адекватно воспроизводят соответствующие факторы патогенеза заболевания и дополняют друг друга.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Татьяна Сергеевна Салль

Институт экспериментальной медицины

Автор, ответственный за переписку.
Email: miss_taty@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5890-5641
SPIN-код: 4172-6277
Россия, Санкт-Петербург

Екатерина Анатольевна Литвинова

Новосибирский государственный технический университет

Email: dimkit@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6398-7154
SPIN-код: 2995-8611

канд. биол. наук

Россия, Новосибирск

Елена Львовна Аржанова

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: e.arzhanova@g.nsu.ru
ORCID iD: 0009-0006-1066-1867
Россия, Новосибирск

Татьяна Андреевна Кашина

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: tat.kashina@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-7314-8298
SPIN-код: 4713-4128
Россия, Санкт-Петербург

Ирина Владимировна Воронкина

Институт экспериментальной медицины

Email: voronirina@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-0078-4442
SPIN-код: 2336-4158

канд. биол. наук

Россия, Санкт-Петербург

Ольга Викторовна Кирик

Институт экспериментальной медицины

Email: olga_kirik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6113-3948
SPIN-код: 5725-8742

канд. биол. наук

Россия, Санкт-Петербург

Станислав Игоревич Ситкин

Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова; Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова

Email: sitkins@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0331-0963
SPIN-код: 3961-8815

канд. мед. наук

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Тимур Яшэрович Вахитов

Институт экспериментальной медицины

Email: tim-vakhitov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8221-6910
SPIN-код: 7298-2571

д-р биол. наук

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Vakhitov TYa, Kononova SV, Demyanova EV, et al. Serum metabolomic profile in patients with ulcerative colitis: pathophysiological role, diagnostic and therapeutic implications. Pediatric Nutrition. 2023;21(5):5–15. EDN: VTEFRR doi: 10.20953/1727-5784-2023-5-5-15
  2. Kang Y, Park H, Choe BH, Kang B. The role and function of mucins and its relationship to inflammatory bowel disease. Front Med (Lausanne). 2022;9:848344. doi: 10.3389/fmed.2022.848344
  3. Sitkin SI, Vakhitov TYa, Demyanova EV. Microbiome, gut dysbiosis and inflammatory bowel disease: That moment when the function is more important than taxonomy. Almanac of Clinical Medicine. 2018;46(5):396–425. EDN: YNLTYL doi: 10.18786/2072-0505-2018-46-5-396-425
  4. Stephens M, von der Weid PY. Lipopolysaccharides modulate intestinal epithelial permeability and inflammation in a species-specific manner. Gut Microbes. 2020;11(3):421–432. doi: 10.1080/19490976.2019.1629235
  5. Vanuytsel T, Tack J, Farre R. The role of intestinal permeability in gastrointestinal disorders and current methods of evaluation. Front Nutr. 2021;8:717925. doi: 10.3389/fnut.2021.717925
  6. Lee M, Chang EB. Inflammatory bowel diseases (IBD) and the microbiome – searching the crime scene for clues. Gastroenterology. 2021;160(2):524–537. doi: 10.1053/j.gastro.2020.09.056
  7. Edelblum KL, Turner JR. The tight junction in inflammatory disease: communication breakdown. Curr Opin Pharmacol. 2009;9(6):715–720. doi: 10.1016/j.coph.2009.06.022
  8. Song X, Wen H, Zuo L, et al. Epac-2 ameliorates spontaneous colitis in Il-10−/− mice by protecting the intestinal barrier and suppressing NF-κB/MAPK signalling. J Cell Mol Med. 2022;26:216–227. doi: 10.1111/jcmm.17077
  9. Chelakkot C, Ghim J, Ryu SH. Mechanisms regulating intestinal barrier integrity and its pathological implications. Exp Mol Med. 2018;50:1–9. doi: 10.1038/s12276-018-0126-x
  10. Lea T. Epithelial cell models; general introduction. In: Verhoeckx K, Cotter P, López-Expósito I, eds. The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models. Cham (CH): Springer; 2015. Ch. 9.
  11. Dubashynskaya NV, Bokatyi AN, Sall TS, et al. Cyanocobalamin-modified colistin-hyaluronan conjugates: synthesis and bioactivity. Int J Mol Sci. 2023;24(14):11550. doi: 10.3390/ijms241411550
  12. Harnik S, Ungar B, Loebstein R, Ben-Horin S. A Gastroenterologist’s guide to drug interactions of small molecules for inflammatory bowel disease. United European Gastroenterol J. 2024;12(5):627–637. doi: 10.1002/ueg2.12559
  13. Ferruzza S, Rossi C, Scarino ML, Sambuy Y. A protocol for in situ enzyme assays to assess the differentiation of human intestinal Caco-2 cells. Toxicol In Vitro. 2012;26(8):1247–1251. doi: 10.1016/j.tiv.2011.11.007
  14. Bednarek R. In vitro methods for measuring the permeability of cell monolayers. Methods Protoc. 2022;5(1):17. doi: 10.3390/mps5010017
  15. Joshi A, Soni A, Acharya S. In vitro models and ex vivo systems used in inflammatory bowel disease. In Vitro Models. 2022;1:213–227. doi: 10.1007/s44164-022-00017-w
  16. Baydi Z, Limami Y, Khalki L, et al. An update of research animal models of inflammatory bowel disease. Sci World J. 2021;2021:7479540. doi: 10.1155/2021/7479540
  17. Valatas V, Bamias G, Kolios G. Experimental colitis models: Insights into the pathogenesis of inflammatory bowel disease and translational issues. Eur J Pharmacol. 2015;759:253–264. doi: 10.1016/j.ejphar.2015.03.017
  18. Theile M, Wiora L, Russ D, et al. A simple approach to perform TEER measurements using a self-made volt-amperemeter with programmable output frequency. J Vis Exp. 2019;152:e60087. doi: 10.3791/60087
  19. Hubatsch I, Ragnarsson EGE, Artursson P. Determination of drug permeability and prediction of drug absorption in Caco-2 monolayers. Nat Protoc. 2007;2(9):2111–2119. doi: 10.1038/nprot.2007.303
  20. Shekhawat P, Bagul M, Edwankar D, Pokharkar V. Enhanced dissolution/Caco-2 permeability, pharmacokinetic and pharmacodynamic performance of re-dispersible eprosartan mesylate nanopowder. Eur J Pharm Sci. 2019;132:72–85. doi: 10.1016/j.ejps.2019.02.021
  21. Kugathasan S, Saubermann LJ, Smith L, et al. Mucosal T-cell immunoregulation varies in early and late inflammatory bowel disease. Gut. 2007;56(12):1696–1705. doi: 10.1136/gut.2006.116467
  22. Garcia BREV, Makiyama EN, Sampaio GR, et al. Effects of branched-chain amino acids on the inflammatory response induced by LPS in Caco-2 cells. Metabolites. 2024;14(1):76. doi: 10.3390/metabo14010076
  23. Chua KJ, Ling H, Hwang IY, et al. An engineered probiotic produces a type III interferon IFNL1 and reduces inflammations in in vitro inflammatory bowel disease models. ACS Biomater Sci Eng. 2023;9(9):5123–5135. doi: 10.1021/acsbiomaterials.2c00202
  24. Kim S, Jang SH, Kim MJ, et al. Hybrid nutraceutical of 2-ketoglutaric acid in improving inflammatory bowel disease: Role of prebiotics and TAK1 inhibitor. Biomed Pharmacother. 2024;171:116126. doi: 10.1016/j.biopha.2024.116126
  25. Sall T, Sitkin S, Lazebnik L, Vakhitov T. Effects of gut microbiota metabolites on the intestinal epithelial cell viability, barrier function, IL-8 secretion, and triglyceride accumulation in cell models of IBD and NAFLD. Eur J Case Rep Intern Med (EJCRIM). 2023;10(Sup 1):222. doi: 10.12890/2023_V10Sup1

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика свойств монослоя клеток Caco-2 на разные сутки культивирования: a — определение трансэпителиального электрического сопротивления монослоя (TEER); b — определение коэффициента проницаемости монослоя (Papp); c — определение активности щелочной фосфатазы клеток Caco-2 на разные сутки культивирования на вставках. Данные представлены в виде медианы и интерквартильного размаха, n=12. *p <0,01,**p <0,001, ***p <0,0001 (между 10-ми и 12-ми сутками), U-критерий Манна–Уитни.

Скачать (188KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Модель воспалительных заболеваний кишечника in vitro — влияние липополисахаридов (ЛПС) (0,1–100 мкг/мл): a — на трансэпителиальное электрическое сопротивление монослоя клеток Caco-2 (TEER), * p <0,05, ** p <0,01; b — на коэффициент проницаемости монослоя (Papp), *p <0,05, **p <0,01; c — на экспрессию генов в клетках Caco-2, *p <0,05 (между группами ЛПС 0 и 10 мкг/мл), #p <0,05 (между группами ЛПС 0 и 100 мкг/мл); d — на содержание IL-8 в культуральной среде клеток Caco-2, *p <0,05 (между группами ЛПС 0 и 100 мкг/мл), **p <0,01 (между группами ЛПС 0 и 10 мкг/мл). Данные представлены в виде медианы и интерквартильного размаха, n=5, U-критерий Манна–Уитни.

Скачать (224KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Модель воспалительных заболеваний кишечника in vivo — различия в гистологических изменениях ткани толстой кишки у мышей дикого типа (C57BL/6) и мышей с нокаутом гена муцин 2 (Muc2–/–): a — мыши C57BL/6, ×10, окраска гематоксилином и эозином; b — мыши C57BL/6, ×10, окраска альциановым синим; c — мыши Muc2–/–, ×10, окраска гематоксилином и эозином; d — мыши Muc2–/–, ×10, окраска альциановым синим.

Скачать (301KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Модель воспалительных заболеваний кишечника in vivo — различия мышей дикого типа (C57BL/6) и мышей с нокаутом гена муцин 2 (Muc2–/–) по проницаемости кишечника и уровням экспрессии и содержания цитокинов в толстой кишке: a — количество FITC-декстрана в крови мышей через 3,5 ч после его внутрижелудочного введения, **p <0,01; b — уровень экспрессии цитокинов в толстой кишке, *p <0,05 (при сравнении уровней IL-1β и TNF-α между мышами C57BL/6 и Muc2–/–), **p <0,01 (при сравнении уровней IL-10 между мышами C57BL/6 и Muc2–/–); c — содержание цитокинов в толстой кишке, *p <0,05 (между мышами C57BL/6 и Muc2–/–). Данные представлены в виде медианы и интерквартильного размаха, n=6, U-критерий Манна–Уитни.

Скачать (181KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2025


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 74760 от 29.12.2018 г.