Comparative analysis of key pathogenic factors of inflammatory bowel disease in in vitro and in vivo models

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Inflammatory bowel diseases are characterized by inflammation of the intestinal mucosa and increased intestinal barrier permeability. When studying the biological effects of drugs, it is important that experimental models adequately reproduce the key pathogenic factors of the disease.

AIM: The work aimed to compare the parameters of intestinal epithelial barrier permeability and inflammatory response in inflammatory bowel disease models: Caco-2 cells stimulated with lipopolysaccharides and mice with a knockout of the mucin 2 gene (Muc2–/–).

METHODS: In the in vitro model of inflammatory bowel disease, Caco-2 cells were cultured in the presence of lipopolysaccharide at concentrations ranging from 0.1 to 100.0 μg/mL, and its effects on transepithelial electrical resistance, monolayer permeability, expression of the tight junction genes ZO-1 and Claudin-1 and the pro-inflammatory cytokines IL-8 and TNF-α, as well as IL-8 secretion, were evaluated. In the in vivo model of inflammatory bowel disease, mice with a knockout of the mucin 2 gene (Muc2–/–) were used. Intestinal permeability was determined by plasma fluorescein isothiocyanate-dextran concentration after intragastric administration. Histological analysis of colon samples was performed, with evaluation of TNF-α, IL-1β, and IL-10 gene expression and IL-1β and IL-10 protein levels.

RESULTS: In in vitro experiments on Caco-2 cells, lipopolysaccharide at a concentration of 10 μg/mL reduced transepithelial electrical resistance by 57% and increased monolayer permeability to fluorescein isothiocyanate-dextran by 38%. At the same time, it increased IL-8 and TNF-α expression 2.8- and 2.3-fold, decreased ZO-1 and Claudin-1 expression by 54% and 53%, and increased IL-8 secretion 27-fold compared with the control. In vivo, intestinal permeability in Muc2–/– mice was 5.8-fold higher; IL-1β and TNF-α expression was 9.9- and 6.8-fold higher; IL-10 expression in Muc2–/– mice was 71% lower; IL-1β content in the colon was 94% higher, and IL-10 content was 44% lower compared with healthy mice.

CONCLUSION: The studied in vitro and in vivo models of inflammatory bowel disease exhibit similar trends in intestinal permeability and inflammatory response parameters. These models adequately reproduce the relevant pathogenic factors and complement each other.

About the authors

Tatyana S. Sall

Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: miss_taty@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5890-5641
SPIN-code: 4172-6277
Russian Federation, Saint Petersburg

Ekaterina A. Litvinova

Novosibirsk State Technical University

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

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Novosibirsk

Elena L. Arzhanova

Novosibirsk State University

Email: e.arzhanova@g.nsu.ru
ORCID iD: 0009-0006-1066-1867
Russian Federation, Novosibirsk

Tatyana A. Kashina

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: tat.kashina@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-7314-8298
SPIN-code: 4713-4128
Russian Federation, Saint Petersburg

Irina V. Voronkina

Institute of Experimental Medicine

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

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saint Petersburg

Olga V. Kirik

Institute of Experimental Medicine

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

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saint Petersburg

Stanislav I. Sitkin

Almazov National Medical Research Centre; North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov

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

MD, PhD

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Timur Ya. Vakhitov

Institute of Experimental Medicine

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

Dr. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Changes of Caco-2 monolayer properties on different days of cultivation: a, transepithelial electrical resistance (TEER) measurement; b, measurement of monolayer permeability coefficient (Papp); c, measurement of alkaline phosphatase activity in Caco-2 cells at different days of culture on inserts. Data are presented as median and interquartile range, n = 12. *p < 0.01, **p < 0.001, ***p < 0.0001 (between days 10 and 12), Mann–Whitney U test.

Download (188KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. In vitro inflammatory bowel disease model—effect of lipopolysaccharides (LPS) (0.1–100 μg/mL): a, on transepithelial electrical resistance (TEER) of the Caco-2 monolayer, *p < 0.05, **p < 0.01; b, on apparent permeability coefficient (Papp) of the monolayer, *p < 0.05, **p < 0.01; c, on gene expression in Caco-2 cells, *p < 0.05 (between LPS 0 and 10 μg/mL groups), #p < 0.05 (between LPS 0 and 100 μg/mL groups); d, on IL-8 content in Caco-2 culture medium, *p < 0.05 (between LPS 0 and 100 μg/mL groups), **p < 0.01 (between LPS 0 and 10 μg/mL groups). Data are presented as median and interquartile range, n = 5, Mann–Whitney U test.

Download (224KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. In vivo inflammatory bowel disease model—histological differences in colon tissue between wild-type (C57BL/6) mice and mice with a knockout of the mucin 2 gene (Muc2–/–): a, C57BL/6 mice, ×10, hematoxylin and eosin staining; b, C57BL/6 mice, ×10, Alcian blue staining; c, Muc2–/– mice, ×10, hematoxylin and eosin staining; d, Muc2–/– mice, ×10, Alcian blue staining.

Download (301KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. In vivo inflammatory bowel disease model—differences between wild-type (C57BL/6) mice and mice with a knockout of the mucin 2 gene (Muc2–/–) in intestinal permeability and cytokine expression/content in the colon: a, FITC-dextran concentration in mouse blood 3.5 h after intragastric administration, **p < 0.01; b, colon cytokine gene expression, *p < 0.05 (for IL-1β and TNF-α levels between C57BL/6 and Muc2–/– mice), **p < 0.01 (for IL-10 levels between C57BL/6 and Muc2–/– mice); c, colon cytokine content, *p < 0.05 (between C57BL/6 and Muc2–/–). Data are presented as median and interquartile range, n = 6, Mann–Whitney U test.

Download (181KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Eco-Vector



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».