비디오 이미징 및 시공간지도는 마우스에서 위장관 운동성을 분석하는
Summary
This article describes a video imaging technique and high-resolution spatiotemporal mapping to identify changes in the neural regulation of colonic motility in adult mice. Subtle effects on gastrointestinal (GI) function can be detected using this approach in isolated tissue preparations to advance our understanding of GI disease.
Abstract
장용성 신경계 (ENS)가 위장관 운동성 조절에 중요한 역할을 독립적 중추 신경계 기능 할 수있다. ENS 기능의 변화는 GI 증상과 질병의 주요 원인이며, 자폐증을 포함한 신경 장애에보고 GI 증상에 기여할 수있다. 잘 격리 대장 세그먼트 대장 이주 모터 단지 (CMMCs)로 알려진 자연, 리듬 수축을 생성하는 것으로 설정됩니다. 절차는 마우스 콜론의 생체 준비가 설명되어 전에서 CMMCs의 장 신경 규제를 분석합니다. 콜론은 동물로부터 해부 이전 기관 화장실에서 유관되기 배설물 콘텐츠를 삭제 플러시됩니다. 데이터는 장기 조 위에 배치 비디오 카메라를 통해 취득한 실내 소프트웨어 패키지를 통해 고해상도 시공간지도로 변환된다. 이 기술 기준 수축 패턴과 대장의에서 ENS 기능에 약리학 적 효과 사용egments은 3 ~ 4 시간에 걸쳐 비교 될 수있다. 또한 CMMCs 전파 길이 및 속도 장 직경 수축 주파수의 변화뿐만 아니라, 기록 될 수있다. 이 기술은 형질 전환 마우스 모델 (쥐와 기니피그를 포함하여 다른 종에서) 위장관 운동 패턴을 특성화하는 데 유용합니다. 이러한 방식으로, CMMCs의 약리학 유발 변화는 야생형 마우스와 자폐증 Neuroligin -3- R451C 마우스 모델에 기록된다. 또한,이 기술은 십이지장, 공장과 회장과 쥐를 포함하여 다른 발달 연령대 위장관의 다른 영역에 적용될 수있다.
Introduction
장용성 신경계 (ENS)가 위장관 극한 신경 네트워크 인 장과 같은 내용의 소화, 영양소의 흡수 및 분비 유체의 재 흡수와 같은 다양한 기능을 변조한다. ENS의 뉴런은 myenteric 및 점막하 plexuses에 있습니다. myenteric 신경 얼기는 점막하 신경총 반면 위장관 운동 1 조절에 중요한 역할을 분비 2,3의 제어에 주로 참여하고있다. myenteric 신경 얼기는 위장 벽의 길이 원형 근육 층 사이에 위치해 있습니다. 장 벽의 평활근 층의 수축 활성 혼합 부위 (3)의 길이 방향을 따라 장 콘텐츠를 추진하여 위장관의 주요 기능을 용이하게한다. CNS에서 위장관에 외부 신경 공급 장치는 생체 내에서 위장 기능에 기여하지만상기 ENS 독립적 위장 기능을 조절할 수있다. 이 독특한 특징은 기능성 장 신경 회로의 조사 및 생체 위장관 운동에 기여를 할 수 있습니다.
대장 마이그레이션 모터 단지 (CMMCs)는 배설물 펠렛 4-9의 부재에 고립 된 마우스 콜론에서 관찰 된 주된 모터 패턴입니다 자연, 신경 인성 이벤트입니다. CMMCs는 10 (직장에 맹장에서, 예) 적어도 콜론의 절반 전체 길이의 수평 거리를 따라 전파 리듬 수축으로 정의됩니다. CMMCs 분변 펠릿 추진 수축 패턴 사이의 관계가 아직 명확하게 확립 될 그러나 일부 약리학 차이 (11)이보고되었다. 그럼에도 불구하고, CNS 독립적으로 기능 할 ENS의 능력 IS에 신경 매개 모터 패턴의 존재olated 대장은 기본 ENS 장애로 인한 운동에 장애를 검사 할 수있는 이상적인 분석 시스템을 제공한다. 위장 운동 패턴의 자발성은 약리학 적 자극에 응답 기능 변화가 평가 될 수 있습니다.
비디오 이미징 시공간 맵핑의 사용 제 정량적 기니피그 12 소장의 연동 운동을 조사하기 위해 개발되었다. 여기서, 생체 외 기술은 고해상도를 구성하는 비디오 이미징이 녹화 분석을 사용하여 마우스 대장 운동 패턴 조사를 가능하게한다는 설명 (~ 100 μm의 33 밀리 초) 결장을 따라 위치의 함수로서 대장 직경 맵 시간 (시공간지도)의. 사내 에지 검출 소프트웨어 사용 (Analyse2, 요청시 제공)을 실시간으로 계약 전체 길이 대장 세그먼트의 데이터는 각 실험에 대한 시공간 맵을 생성하는 처리됩니다. 이 단계에서, 비디오 (AVI) 파일이다 최우수통해서 인증 및 Analyse2를 사용하여 시공간지도로 변환. 시공간지도 (그림 2) 시간이 지남에 따라 수축력을 묘사하고 전파 속도, 크기, 길이, 시간을 포함하여 여러 매개 변수를 측정 할 수 있습니다. 굿 직경은 조직 세그먼트의 전체 수축의 척도로서 실험 기간에 걸쳐 기록된다. 이 방법은 변형 된 장용성 신경 연결을 나타낼 수 수축성 착체의 개시 시점의 차이를 식별하는 데 적용될 수있다.
기니 피그에서 펠렛 추진력을 평가하기위한 유사한 비디오 이미징 프로토콜 그러나 여기에서는 (펠릿의 부재, IE) 자발 결장 운동성 정량 비디오 촬영 방법의 응용 윤곽 (13)에보고되었다. 또한 비디오 촬영 방법에 대한 해부 위장 조직의 준비를 돕기 위해 상세 내용을 제공한다. 이프로토콜은 유전 마우스 모델을 포함 질환의 동물 모델에서 위장 기능의 장 신경 제어를 분석하는 접근하고 쉽게 복제 도구와 연구자를 제공합니다.
비디오 이미징 기술은 다양한 약리학 적 제제에 응답 대장 운동의 분석을 가능하게한다. 약물 제제 결장 외부 장 루멘 또는 기관 욕을 통해 투여 될 수있다. 마우스 위장관의 다른 지역은 대장에서 소장 분할 및 CMMCs으로 특정 운동 패턴을 나타낸다.
이 기술은 소장 함수 균주의 차이를 식별하는 데 사용되었다; 5-HT 3 및 5-HT 4 길항제 차동 감도 때문에 6 개의 균주에서 발현 TPH2 유전자의 다형 특성을 Balb / C 및 C57 / BL6 마우스의 소장에서 관찰되었다. 운동성에 대한 5-HT의 억제 효과는 콘 유지troversial, 충돌 데이터가 대장 연동 운동과 CMMCs 14, 15에 내인성 5-HT의 중요성에보고 된 바와 같이. 운동성 전 및 출생 7 개발 중에 변경, 질병 (10)의 동물 모델에서 위장관 운동에 유전자 돌연변이의 효과는 비디오 영상을 이용하여 조사 할 수있다. 여기에서 우리는 시냅스 접착 단백질 Neuroligin-3 (16)을 코딩하는 Nlgn3 유전자의 과오 돌연변이를 표현 자폐증의 NL3 R451C 마우스 모델에서 대장 운동의 연구 방법의 사용을 보여줍니다. 이 돌연변이는 첫 번째 강하게 GI 부전 18-22와 관련된 자폐증 스펙트럼 장애 (ASD) (17), 진단 환자에서 확인되었다. 우리 NL3 R451C 시냅스 돌연변이 비디오 이미징 기술을 사용하여 신경 ENS에 출력에 영향을 미치는지 알아 보았다. 우리는 기준선 및 세로토닌 5H에 응답 CMMCs 특성화 데이터를 제시T 3/4 수용체 길항제 tropisetron 자폐증의 NL3 R451C 마우스 모델에서.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 비디오 이미징 기술을 사용하여, CMMC 주파수 야생형 결장 운동성 표시 및 NL3 R451C 마우스 자폐증 스펙트럼 장애 (17)의 마우스 모델로 측정 하였다. 우리의 결과는 NL3 R451C 쥐는 Tropisetron에 감도 증가를 나타낼 것으로 제안 5HT 3/4 Tropisetron 수용체 길항제의 존재 하에서 야생형 마우스에 비해 돌연변이 NL3 R451C 생쥐 CMMCs 수의 감소를 나타낸다. 이에 따라 neurol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
JCB 및 ELH-Y는 국방 CDMRP 자폐증 연구 프로그램의 미국학과 (AR11034)에 의해 지원되었다. 멜버른 신뢰의 ELH-Y.The 월 스튜어트 또한 Bursary – 대학 NHMRC (1047674)는 MS에 장학금을 후원. 우리는 기술적 공헌 알리 타 헤르, 파티마 Ramalhosa 및 그라시아 시거 감사합니다.
Materials
| Reagents | |||
| NaCl (MW: 58.44) | Sigma-Aldrich | S7653-250G | |
| KCl (MW: 74.55) | Sigma-Aldrich | P9333-500G | |
| NaH2PO4.2H2O (MW: 156.01) | Chem Supply | 471-500G | |
| MgSO4.7H20 (MW: 246.48) | Chem Supply | MA048 | |
| CaCl2.2H2O (MW: 147.02) | Chem Supply | CA033 | |
| D-Glucose anhydrous (MW: 180.16) | Chem Supply | GA018-500G | |
| NaHCO3 (MW: 84.01) | Chem Supply | GA018-500G | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Materials | |||
| Two chambered organ bath Dimentions: 14 cm x 8 cm x 3 cm |
Custom Made | Contact Laboratory Directly | |
| 732 MULTI -PURPOSE SEALANT CLEAR | Dow Corning Australia Pty Ltd | 1890573 | |
| SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER KIT | Dow Corning Australia Pty Ltd | 1064291 | |
| STOPCOCK 3 WAY FEM-ML L/LOCK S | Terumo Medical Corporation | 0912-2006 | |
| SYRINGES with Luer Lock Tips 50mL, 20 mL, 10 mL | Terumo Medical Corporation | N/A | |
| 1.57 mm (ID) x 3.16 mm (OD) – Silastic Tubing | Masterflex | 508-008 | |
| 1.02 mm (ID) x 2.16 mm (OD) – Silastic Tubing | Masterflex | 508-005 | |
| 1.50 mm (ID) x 2.50 mm (OD) – Silastic Tubing | Masterflex | 508-007 | |
| 1.60 mm (ID) – Platinum cured silicone tubing | Masterflex | 96410 – 14 | |
| 4.40 mm (ID) – Platinum cured silicone tubing | Masterflex | 96410 – 15 | |
| 3.10 mm (ID) – Platinum cured silicone tubing | Masterflex | 96410 -16 | |
| Graduated Laboratory Glass Bottles – 500 ml | Thermofisher Scientific | 100-400 | |
| CHEMICAL RUBBER STOPPER 57 x 65mm | |||
| CHEMICAL RUBBER STOPPER 29 x 32mm | |||
| Water heater (thermo regulator) | Ratek | TH7000 | |
| Logitech Webcam | Logitech | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| Virtual Dub – 1.9 11 | virtualdub.org | ||
| MATLAB R2012a | Graph Pad | ||
| Logitech Webcam Software | Logitech |
References
- Powell, A. K., O’Brien, S. D., Fida, R., Bywater, R. A. Neural integrity is essential for the propagation of colonic migrating motor complexes in the mouse. Neurogastroenterol Motil. 14, 495-504 (2002).
- Furness, J. B. The enteric nervous system and neurogastroenterology. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 9, 286-294 (2012).
- Gwynne, R. M., Bornstein, J. C. Mechanisms underlying nutrient-induced segmentation in isolated guinea pig small intestine. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 292, G1162-G1172 (2007).
- Bush, T. G., Spencer, N. J., Watters, N., Sanders, K. M., Smith, T. K. Spontaneous migrating motor complexes occur in both the terminal ileum and colon of the C57BL/6 mouse in vitro. Auton Neurosci. 84, 162-168 (2000).
- Fida, R., Lyster, D. J., Bywater, R. A., Taylor, G. S. Colonic migrating motor complexes (CMMCs) in the isolated mouse colon. Neurogastroenterol Motil. 9, 99-107 (1997).
- Neal, K. B., Parry, L. J., Bornstein, J. C. Strain-specific genetics, anatomy and function of enteric neural serotonergic pathways in inbred mice. J Physiol. 587, 567-586 (2009).
- Roberts, R. R., Murphy, J. F., Young, H. M., Bornstein, J. C. Development of colonic motility in the neonatal mouse-studies using spatiotemporal maps. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 292, G930-G938 (2007).
- Spencer, N. J. Control of migrating motor activity in the colon. Curr Opin Pharmacol. 1, 604-610 (2001).
- Spencer, N. J., Bywater, R. A. Enteric nerve stimulation evokes a premature colonic migrating motor complex in mouse. Neurogastroenterol Motil. 14, 657-665 (2002).
- Roberts, R. R., Bornstein, J. C., Bergner, A. J., Young, H. M. Disturbances of colonic motility in mouse models of Hirschsprung’s disease. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 294, G996-G1008 (2008).
- Tough, I. R., et al. Endogenous peptide YY and neuropeptide Y inhibit colonic ion transport, contractility and transit differentially via Y(1) and Y(2) receptors. Br J Pharmacol. 164, 471-484 (2011).
- Hennig, G. W., Costa, M., Chen, B. N., Brookes, S. J. Quantitative analysis of peristalsis in the guinea-pig small intestine using spatio-temporal maps. J Physiol. 517 (Pt 2), 575-590 (1999).
- Hoffman, J. M., Brooks, E. M., Mawe, G. M. Gastrointestinal Motility Monitor (GIMM). J Vis Exp. , (2010).
- Smith, T. K., Gershon, M. D. Rebuttal from Terence K. Smith and Michael D. Gershon. J Physiol. 593, 3233 (2015).
- Spencer, N. J., Sia, T. C., Brookes, S. J., Costa, M., Keating, D. J. CrossTalk opposing view: 5-HT is not necessary for peristalsis. J Physiol. 593, 3229-3231 (2015).
- Tabuchi, K., et al. A neuroligin-3 mutation implicated in autism increases inhibitory synaptic transmission in mice. Science. 318, 71-76 (2007).
- Jamain, S., et al. Mutations of the X-linked genes encoding neuroligins NLGN3 and NLGN4 are associated with autism. Nat Genet. 34, 27-29 (2003).
- Chaidez, V., Hansen, R. L., Hertz-Picciotto, I. Gastrointestinal problems in children with autism, developmental delays or typical development. J Autism Dev Disord. 44, 1117-1127 (2014).
- Ibrahim, S. H., Voigt, R. G., Katusic, S. K., Weaver, A. L., Barbaresi, W. J. Incidence of gastrointestinal symptoms in children with autism: a population-based study. Pediatrics. 124, 680-686 (2009).
- Kohane, I. S., et al. The co-morbidity burden of children and young adults with autism spectrum disorders. PloS One. 7, e33224 (2012).
- McElhanon, B. O., McCracken, C., Karpen, S., Sharp, W. G. Gastrointestinal symptoms in autism spectrum disorder: a meta-analysis. Pediatrics. 133, 872-883 (2014).
- Peters, B., et al. Rigid-compulsive behaviors are associated with mixed bowel symptoms in autism spectrum disorder. J Autism Dev Disord. 44, 1425-1432 (2014).
- Ellis, M., Chambers, J. D., Gwynne, R. M., Bornstein, J. C. Serotonin and cholecystokinin mediate nutrient-induced segmentation in guinea pig small intestine. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 304, G749-G761 (2013).
- Parracho, H. M., Bingham, M. O., Gibson, G. R., McCartney, A. L. Differences between the gut microflora of children with autistic spectrum disorders and that of healthy children. J Med Microbiol. 54, 987-991 (2005).
- Buie, T., et al. Evaluation, diagnosis, and treatment of gastrointestinal disorders in individuals with ASDs: a consensus report. Pediatrics. 125, S1-S18 (2010).
- Etherton, M., et al. Autism-linked neuroligin-3 R451C mutation differentially alters hippocampal and cortical synaptic function. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 13764-13769 (2011).
- Etherton, M. R., Tabuchi, K., Sharma, M., Ko, J., Sudhof, T. C. An autism-associated point mutation in the neuroligin cytoplasmic tail selectively impairs AMPA receptor-mediated synaptic transmission in hippocampus. EMBO J. 30, 2908-2919 (2011).
- Zhang, Q., et al. Expression of neurexin and neuroligin in the enteric nervous system and their down-regulated expression levels in Hirschsprung disease. Mol Biol Rep. 40, 2969-2975 (2013).
- Wang, J., et al. Expression and significance of neuroligins in myenteric cells of Cajal in Hirschsprung’s disease. PloS One. 8, e67205 (2013).
- Yang, H., et al. The down-regulation of neuroligin-2 and the correlative clinical significance of serum GABA over-expression in Hirschsprung’s disease. Neurochem Res. 39, 1451-1457 (2014).
- Roberts, R. R., et al. The first intestinal motility patterns in fetal mice are not mediated by neurons or interstitial cells of Cajal. J Physiol. 588, 1153-1169 (2010).
- Barnes, K. J., Spencer, N. J. Can colonic migrating motor complexes occur in mice lacking the endothelin-3 gene?. Clin Exp Pharmacol Physiol. 42, 485-495 (2015).
- Chambers, J. D., Bornstein, J. C., Thomas, E. A. Multiple neural oscillators and muscle feedback are required for the intestinal fed state motor program. PloS One. 6, e19597 (2011).
- Heredia, D. J., et al. Important role of mucosal serotonin in colonic propulsion and peristaltic reflexes: in vitro analyses in mice lacking tryptophan hydroxylase 1. J Physiol. 591, 5939-5957 (2013).
- Chambers, J. D., Bornstein, J. C., Thomas, E. A. Insights into mechanisms of intestinal segmentation in guinea pigs: a combined computational modeling and in vitro study. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 295, G534-G541 (2008).
- Huizinga, J. D., et al. The origin of segmentation motor activity in the intestine. Nat Commun. 5, 3326 (2014).
- Neild, T. O., Shen, K. Z., Surprenant, A. Vasodilatation of arterioles by acetylcholine released from single neurones in the guinea-pig submucosal plexus. J Physiol. 420, 247-265 (1990).
