Summary

In Vitro A gravação de mesentérica aferentes a atividade do nervo no mouse jejuno e segmentos do cólon

Published: October 25, 2016
doi:

Summary

Mesenteric afferent nerves convey information from the gastrointestinal tract towards the brain regarding normal homeostasis as well as pathophysiology. Gastrointestinal afferent nerve activity can be assessed by mounting isolated intestinal segments with attached afferent nerves into an organ bath, isolating the nerve, and assessing basal as well as stimulated activity.

Abstract

nervos aferentes não só transmitir informações sobre a fisiologia normal, mas também sinalizar homeostase perturbado e processos fisiopatológicos dos diferentes sistemas de órgãos da periferia para o sistema nervoso central. Como tal, o aumento da actividade ou "sensibilização" de nervos aferentes mesentéricos foi atribuído um papel importante na patofisiologia da hipersensibilidade visceral e síndromes de dor abdominal.

Actividade do nervo aferente mesentérica pode ser medida in vitro em um segmento intestinal isolado que é montado em um banho de órgãos, construído para e a partir do qual o nervo esplânenico é isolado, permitindo que os investigadores para avaliar directamente a actividade do nervo adjacente ao segmento gastrointestinal. A actividade pode ser gravado na linha de base em condições padronizadas, durante a distensão do segmento ou a seguir à adição de compostos farmacológicos ou entregues intraluminalmente serosally. Esta técnica permiteo pesquisador a estudar facilmente o efeito de drogas que alvejam o sistema nervoso periférico em amostras de controlo; Além disso, fornece informações cruciais sobre a forma como a atividade neuronal é alterada durante a doença. Deve-se notar, contudo, que medir a actividade de disparo neuronal aferente constitui apenas uma estação de retransmissão na neuronal complexa cascata de sinalização, e os investigadores devem ter em mente a não negligenciar a atividade neuronal em outros níveis (por exemplo, gânglios da raiz dorsal, medula espinhal ou central do sistema nervoso ), a fim de elucidar totalmente a fisiologia neuronal complexo na saúde e na doença.

aplicações vulgarmente utilizados incluem o estudo de actividade neuronal em resposta à administração de lipopolissacárido, e o estudo da actividade do nervo aferente em modelos animais de síndroma do intestino irritável. Numa abordagem mais translacional, o segmento isolado do rato intestinal pode ser expostas aos sobrenadantes do cólon de pacientes com SII. Além disso, uma modificaçãoEsta técnica tem sido demonstrado recentemente para ser aplicável em amostras de cólon humano.

Introduction

sinalização sensorial e percepção da dor é um processo complexo que resulta de uma interação complexa entre os nervos aferentes, neurônios da coluna vertebral, vias ascendentes e descendentes facilitadoras e inibidoras e várias regiões cerebrais diferentes. Como tal, as alterações em um ou mais desses níveis pode resultar na sinalização sensorial alterada e dor visceral em estados de doença. Para estudar todos estes diferentes aspectos da sinalização sensorial várias técnicas têm sido desenvolvidas que varia a partir de experiências individuais de células (por exemplo, imagem de cálcio em neurónios) para modelos animais completos (por exemplo, respostas comportamentais, tais como a resposta visceromotor). A técnica descrita neste artigo permite que os pesquisadores para avaliar especificamente a atividade do nervo aferentes in vitro a partir de um segmento isolado do intestino delgado ou cólon nos roedores. Em suma, um segmento isolado gastrointestinal (geralmente jejuno ou cólon) está montado numa câmara de registo incorporado finalidade perfundido com um K fisiológicosolução Rebs. O nervo esplâncnico é dissecado livre e ligado a um eléctrodo permitir o registo da actividade neuronal aferente dos nervos aferentes esplâncnicos ou pélvicas. Actividade do nervo pode ser gravada ou basalmente em resposta ao aumento das pressões intraluminais e / ou compostos farmacológicos que podem ser aplicadas quer directamente para a câmara de registo (serosally), ou através do perfusato intraluminal (por via mucosa) para avaliar o seu efeito sobre a descarga aferente 6/1 . De nota, nervos esplâncnicas também conter fibras eferentes e aferentes viscerofugal para além dos aferentes sensoriais. Uma das principais vantagens do ex vivo, a gravação do nervo esplânenico é o facto de os investigadores podem quantificar a actividade do nervo sem modulação ou de entrada a partir do sistema nervoso central, permitindo uma para estudar o efeito directo dos compostos aplicados localmente sobre a actividade do nervo. Além disso, a monitorização de sinais vitais, como é necessário, utilizando a abordagem in vivo (ver abaixo), é No mais relevante. In vitro gravação splanchnic está finalmente muito menos demorado do que sua contraparte in vivo.

actividade neuronal aferente em resposta a outros estímulos, tais como Stroking mucosa, de sondagem utilizando filamentos de von Frey ou distensão do segmento, pode ser estudado em uma configuração experimental modificado, no qual o tecido intestinal é fixado para baixo e aberto longitudinalmente (o que está em contraste com nossa configuração usando um segmento intacto), como foi descrito em uma edição anterior 7,8. Além disso, só recentemente, foi descrita uma técnica para estudar a activação do nervo aferente do cólon na própria parede do cólon por meio de imagem de cálcio, de novo usando um fixado para baixo, aberta no sentido longitudinal do segmento 9.

Uma versão alternativa desta técnica in vivo consiste fora de medir a ativação neuronal próximo a entrada do aferentes para a medula espinhal. Em suma, o animal sedado é colocado em decúbito ventral, exposing o cordão espinal lombossacral ao qual o nervo aferente de projectos de interesse por meio de laminectomia, construindo um bem usando a pele da incisão e o drapejar radículas dorsal sobre um eléctrodo de platina bipolar 10,11 encheu-parafina. Esta técnica permite, além disso, os investigadores para caracterizar as fibras com base na sua velocidade de condução, e distinguir as fibras C não mielinizadas de Aδ-fibras finamente mielinizadas. Além disso, as radículas dorsais que contêm apenas fibras aferentes sensoriais, em contraste com os nervos aferentes e eferentes esplâncnicas mistos mencionados anteriormente.

Gravação de descarga de nervos aferentes in vitro a partir de segmentos intestinais isolados também pode ser feito usando amostras humanas, como dois grupos de pesquisa publicados de forma independente primeiros-in-man manuscritos gravação atividade do nervo aferentes cólica de ressecção humana espécimes 12,13. A implementação desta técnica poderia resultar em um mais prontamente translatina dos dados murino para o estado humano, e pode permitir que os investigadores a identificar facilmente as drogas que alvejam o nervo sensorial sensibilizados. A importância clínica de caracterizar a actividade do nervo aferente, bem como a descoberta de novos reagentes terapêuticos que têm como alvo a actividade do nervo aferente exorbitante, foi elaborada discutido por muitos especialistas no domínio 14-19.

A técnica in vitro acima mencionado complementa o mais comumente conhecido na medição in vivo da actividade do nervo aferente. Durante a medição in vivo da actividade neuronal, a actividade do nervo pode ser medida directamente no animal sedado durante o qual o segmento de interesse é identificada e subsequentemente entubados, e uma parafina líquida bem-cheia é construído usando a parede abdominal e a pele do roedor 20. O nervo aferente de interesse é então identificado, seccionadas e colocadas sobre um eléctrodo de platina bipolar, permitindo measuremen actividade neuronalt. Esta técnica permite que o pesquisador para modular a atividade do nervo aferentes em viver ainda que os animais sedados; como tal, pode-se estudar a actividade neuronal responder às interferências, tais como distensão luminal ou a administração intravenosa de um composto.

Investigação translacional centra-se nos dias de hoje, principalmente sobre a aplicação dos sobrenadantes de origem humana (ex., A partir de biópsias de cólon, células mononucleares do sangue periférico cultivadas, etc.) em aferentes rato jejunais e / ou do cólon 21,22. Os pesquisadores podem aplicar diretamente sobrenadantes quer para o banho de órgão ou na solução intraluminal que perfunde o segmento do intestino, de modo que os efeitos diferenciais da serosa versus aplicação da mucosa pode ser estudada na descarga de nervo aferentes. Como tal, foi demonstrado que supernatans de biópsia da mucosa do cólon de pacientes com a síndrome do intestino irritável podem causar hipersensibilidade do cólon no ratinho aferentes, cobaia neurónios submucosas e raiz dorsal de ratoneurônios do gânglio 21,23,24.

Finalmente, a actividade neuronal gravação não está restrito ao mesentérica e / ou neurónios que enervam pélvicos no tracto gastrointestinal. Outros demonstraram que as gravações de nervo pode ser realizada em aferentes fornecimento de articulação do joelho 25, ao passo que outros têm caracterizado actividade do nervo aferente da bexiga bem como 26-28, e demonstraram que os aferentes pélvicos da bexiga bem como do tracto gastrointestinal convergem, resultando possivelmente em neuronal crosstalk 29.

Protocol

Todos os experimentos com animais descritos abaixo foram aprovados pelo Comitê de Ética Médica e o uso de Animais Experimentais da Universidade de Antuérpia (número do arquivo 2012-42). 1. Preparação do tecido do jejuno e cólon aferentes Nervos Preparação do nervo aferente jejunal Executar a eutanásia roedor do roedor adolescente ou adulto, que tenha sido aprovado antes da experiência pelo Comité Ético local (por exemplo., Sedação terminal seguido…

Representative Results

atividade do nervo aferentes jejuno foi medida no início do estudo e em resposta a rampa distensão em 9 de oito semanas de idade do sexo masculino OF-1 ratos. Os animais foram alojados em grupos em condições padronizadas (6 animais por gaiola, 20-22 ° C, umidade 40 – 50%, 12 h ciclo claro-escuro), com acesso ilimitado à água da torneira e comida regular. segmentos jejunais de ratos exibido descarga de aferentes espontânea irregular do nervo na linha de base a uma pressão intralu…

Discussion

O protocolo neste documento descreve uma técnica de laboratório reprodutível para estudar a atividade do nervo aferentes mesentérica em roedores como o usado por nosso grupo e outros 3,4,7,8,12,20,21,31. As etapas críticas no âmbito do protocolo incluem o isolamento rápido do tecido, a aspiração da cadeia do nervo para o eléctrodo de sucção e o "selagem" adequada do capilar de vidro a partir do banho de órgãos, aspirando o tecido adiposo circundante para o capilar. A abertura do capila…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

SN performed the experiments described above, performed the data analysis and drafted the manuscript. AD and JDM implemented the technique at our research facilities and aided in the data analysis. HC aided in performing the experiments. WJ, CK and DG assisted in implementing the afferent measurement technique in our lab, the data analysis and interpretation of the results. SF, JDM and BDW designed the study. All authors critically read and approved the final manuscript. SN is an aspirant of the Fund for Scientific Research (FWO), Flanders (11G7415N). This work was supported financially by the FWO (G028615N and G034113N).

Materials

sodium chloride (NaCl) VWR Chemicals 27,810,295 compound Krebs solution
potassium chloride (KCl) Acros organics 196770010 compound Krebs solution
sodium dihydrogen phosphate (NaH2PO4) VWR Chemicals 1,063,461,000 compound Krebs solution
sodium bicarbonate (NaHCO3) Merck 1,063,291,000 compound Krebs solution
magnesium sulfate (MgSO4) Merck 1,058,861,000 compound Krebs solution
calcium chloride (CaCl2) Merck 23,811,000 compound Krebs solution
D-glucose VWR Chemicals 1011175P compound Krebs solution
Distilled water compound Krebs solution
PVC tubing Scientific Laboratory Supplies The intestinal segment should be mounted over PVC tubing
Silicone tubing Scientific Laboratory Supplies The rest of the tubing, ideally silicone-based – more easily dislodging of debris in the tubing
Silk thread Pearsall Limited 10B15S220 Attachment of the segment over the PVC tubing
Syringe driver Harvard Apparatus 55-2222 Intraluminal infusion of Krebs
Binocular – including 10x magnification in oculair Zeiss STEMI 2000 Optimal visualization for the dissection of the afferent nerve
Homeothermic Blanket Control Unit Harvard Apparatus 507214 Heating of the organ chamber
Custom made organ bath with Sylgard covered bottom
Spike2 software Recording and analysis of the data
Insect pins, 500 pieces, stainless steel, diameter 0.2 mm Austerlitz insect pins minutiens Dissection of the afferent nerve
Tweezer Dumont #5 inox 11cm World Precision Instrument 500341 Dissection of the afferent nerve
Scissors, spring, 14 cm World Precision Instrument 15905 Dissection of the afferent nerve
DB digitimer  NL 108T2/10 pressure transducer
Micromanipulator Narishige M-3333 3D manipulation of the suction electrode
Micromanipulator X-4 rotating block 3D manipulation of the suction electrode
Micromanipulator GJ-8 magnetic stand 3D manipulation of the suction electrode
LightSource Euromex Microscopes Holland EK-1 Optimal visualization for the dissection of the afferent nerve
CED 1401 Recording Apparatus Recording of afferent nerve activity
Humbug 50/60Hz Noise Eliminator Quest Scientific Instruments Elimination of background noise
Infusion Pump Gibson Minipuls 2 Infusion of the organ chamber in which the segment is mounted
Microelectrode Holder Half Cells 1.5 mm World Precision Instrument MEH2SW Suction electrode for isolation of the afferent fiber
Borosilicate Glass Capillaries, 300 pc; 1.5/0.84 OD/ID World Precision Instrument 1B150-4 Capillary for the isolation of the afferent nerve

Referências

  1. Donovan, J., Grundy, D. Endocannabinoid modulation of jejunal afferent responses to LPS. Neurogastroenterol Motil. 24 (10), 956-e465 (2012).
  2. Gregersen, H., Jiang, W., Liao, D., Grundy, D. Evidence for stress-dependent mechanoreceptors linking intestinal biomechanics and sensory signal transduction. Exp Physiol. 98 (1), 123-133 (2013).
  3. Keating, C., et al. Afferent hypersensitivity in a mouse model of post-inflammatory gut dysfunction: role of altered serotonin metabolism. J Physiol. 586 (18), 4517-4530 (2008).
  4. Liu, C. Y., Jiang, W., Muller, M. H., Grundy, D., Kreis, M. E. Sensitization of mesenteric afferents to chemical and mechanical stimuli following systemic bacterial lipopolysaccharide. Neurogastroenterol Motil. 17 (1), 89-101 (2005).
  5. Deiteren, A., et al. Mechanisms contributing to visceral hypersensitivity: focus on splanchnic afferent nerve signaling. Neurogastroenterol Motil. 27 (12), 1709-1720 (2015).
  6. Nullens, S., et al. The effect of prolonged CLP-induced sepsis on mesenteric afferent nerve activity in mice. Neurogastroenterol Motil. 27 (Suppl 2), 22 (2015).
  7. Brierley, S. M., Jones, R. C., Gebhart, G. F., Blackshaw, L. A. Splanchnic and pelvic mechanosensory afferents signal different qualities of colonic stimuli in mice. Gastroenterology. 127 (1), 166-178 (2004).
  8. Feng, B., Gebhart, G. F. In vitro functional characterization of mouse colorectal afferent endings. J Vis Exp. (95), e52310 (2015).
  9. Travis, L., Spencer, N. J. Imaging stretch-activated firing of spinal afferent nerve endings in mouse colon. Front Neurosci. 7, 179 (2013).
  10. De Schepper, H. U., et al. TRPV1 receptor signaling mediates afferent nerve sensitization during colitis-induced motility disorders in rats. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 294 (1), G245-G253 (2008).
  11. Sengupta, J. N., Gebhart, G. F. Characterization of mechanosensitive pelvic nerve afferent fibers innervating the colon of the rat. J Neurophysiol. 71 (6), 2046-2060 (1994).
  12. Jiang, W., et al. First-in-man’: characterising the mechanosensitivity of human colonic afferents. Gut. 60 (2), 281-282 (2011).
  13. Peiris, M., et al. Human visceral afferent recordings: preliminary report. Gut. 60 (2), 204-208 (2011).
  14. Brookes, S. J., Spencer, N. J., Costa, M., Zagorodnyuk, V. P. Extrinsic primary afferent signalling in the gut. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 10 (5), 286-296 (2013).
  15. Bulmer, D. C., Grundy, D. Achieving translation in models of visceral pain. Curr Opin Pharmacol. 11 (6), 575-581 (2011).
  16. De Winter, B. Y., De Man, J. G. Interplay between inflammation, immune system and neuronal pathways: effect on gastrointestinal motility. World J Gastroenterol. 16 (44), 5523-5535 (2010).
  17. Akbar, A., Yiangou, Y., Facer, P., Walters, J. R., Anand, P., Ghosh, S. Increased capsaicin receptor TRPV1-expressing sensory fibres in irritable bowel syndrome and their correlation with abdominal pain. Gut. 57 (7), 923-929 (2008).
  18. De Schepper, H. U., et al. TRPV1 receptors on unmyelinated C-fibres mediate colitis-induced sensitization of pelvic afferent nerve fibres in rats. J Physiol. 586 (21), 5247-5258 (2008).
  19. Vermeulen, W., et al. Role of TRPV1 and TRPA1 in visceral hypersensitivity to colorectal distension during experimental colitis in rats. Eur J Pharmacol. 698 (1-3), 404-412 (2013).
  20. Booth, C. E., Shaw, J., Hicks, G. A., Kirkup, A. J., Winchester, W., Grundy, D. Influence of the pattern of jejunal distension on mesenteric afferent sensitivity in the anaesthetized rat. Neurogastroenterol Motil. 20 (2), 149-158 (2008).
  21. Hughes, P. A., et al. Sensory neuro-immune interactions differ between irritable bowel syndrome subtypes. Gut. 62 (10), 1456-1465 (2013).
  22. Hughes, P. A., et al. Immune derived opioidergic inhibition of viscerosensory afferents is decreased in Irritable Bowel Syndrome patients. Brain Behav Immun. 42, 191-203 (2014).
  23. Buhner, S., et al. Neuronal activation by mucosal biopsy supernatants from irritable bowel syndrome patients is linked to visceral sensitivity. Exp Physiol. 99 (10), 1299-1311 (2014).
  24. Wouters, M. M., et al. Histamine Receptor H1-mediated Sensitization of TRPV1 Mediates Visceral Hypersensitivity and Symptoms in Patients With Irritable Bowel Syndrome. Gastroenterology. , (2016).
  25. Brenn, D., Richter, F., Schaible, H. G. Sensitization of unmyelinated sensory fibers of the joint nerve to mechanical stimuli by interleukin-6 in the rat: an inflammatory mechanism of joint pain. Arthritis Rheum. 56 (1), 351-359 (2007).
  26. Christianson, J. A., Liang, R., Ustinova, E. E., Davis, B. M., Fraser, M. O., Pezzone, M. A. Convergence of bladder and colon sensory innervation occurs at the primary afferent level. Pain. 128 (3), 235-243 (2007).
  27. Daly, D. M., Chess-Williams, R., Chapple, C., Grundy, D. The inhibitory role of acetylcholine and muscarinic receptors in bladder afferent activity. Eur Urol. 58 (1), 22-28 (2010).
  28. Minagawa, T., Wyndaele, M., Aizawa, N., Igawa, Y., Wyndaele, J. J. Mechanisms of pelvic organ cross-talk: 2. Impact of colorectal distention on afferent nerve activity of the rat bladder. J Urol. 190 (3), 1123-1130 (2013).
  29. Wyndaele, M., et al. Mechanisms of pelvic organ crosstalk: 1. Peripheral modulation of bladder inhibition by colorectal distention in rats. J Urol. 190 (2), 765-771 (2013).
  30. Keating, C., Nocchi, L., Yu, Y., Donovan, J., Grundy, D. Ageing and gastrointestinal sensory function: Altered colonic mechanosensory and chemosensory function in the aged mouse. J Physiol. , (2015).
  31. Valdez-Morales, E. E., et al. Sensitization of Peripheral Sensory Nerves by Mediators From Colonic Biopsies of Diarrhea-Predominant Irritable Bowel Syndrome Patients: A Role for PAR2. Am J Gastroenterol. 108 (10), 1634-1643 (2013).
check_url/pt/54576?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Nullens, S., Deiteren, A., Jiang, W., Keating, C., Ceuleers, H., Francque, S., Grundy, D., De Man, J. G., De Winter, B. Y. In Vitro Recording of Mesenteric Afferent Nerve Activity in Mouse Jejunal and Colonic Segments. J. Vis. Exp. (116), e54576, doi:10.3791/54576 (2016).

View Video