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 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.

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



Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».