본 연구에서, 플루오레세인-이소티오시아네이트 표지(FITC) 덱스트란을 경구 위관영양을 통해 마우스에 투여하여 생체 내 및 혈장 및 대변 샘플 모두에서 장 투과성을 평가합니다. 장 장벽 기능은 많은 질병 과정에서 영향을 받기 때문에 이 직접적이고 정량적인 분석은 다양한 연구 분야에서 사용될 수 있습니다.
장 장벽 무결성은 장 건강의 특징입니다. 장 장벽 무결성은 혈장 염증 마커 측정 및 비장 및 림프절로의 박테리아 전위와 같은 간접 마커를 사용하여 평가할 수 있지만, 골드 스탠더드는 선택된 분자가 장 점막층을 가로질러 전신 순환을 향해 이동하는 능력을 직접 정량화합니다. 이 기사에서는 비침습적이고 비용 효율적이며 부담이 적은 기술을 사용하여 플루오레세인-이소티오시아네이트 표지 덱스트란(FITC-dextran)을 사용하여 마우스의 장 투과성을 실시간으로 정량화하고 추적합니다. FITC-덱스트란을 경구 보충하기 전에 마우스를 금식시킵니다. 그런 다음 인산염 완충 식염수(PBS)에 희석된 FITC-덱스트란으로 위관영양됩니다. 위관 관찰 1시간 후, 마우스는 이소플루란을 사용하여 전신 마취를 받고 생체 내 형광은 이미징 챔버에서 시각화됩니다. 이 기술은 복강의 잔류 형광과 간 흡수를 평가하는 것을 목표로 하며, 이는 형광 프로브의 문맥 이동을 시사합니다. 혈액 및 대변 샘플을 경구 위관 영양 검사 후 4 시간 후에 수집하고 마우스를 희생시킵니다. 그런 다음 PBS로 희석된 혈장 및 분변 샘플을 도말하고 형광을 기록합니다. 그런 다음 FITC-덱스트란의 농도를 표준 곡선을 사용하여 계산합니다. 이전 연구에서 생체 내 이미징은 저섬유질 식단에 의해 유도된 장 장벽이 약한 쥐에서 형광이 간으로 빠르게 퍼지는 반면, 장 장벽을 강화하기 위해 섬유질이 보충된 쥐에서는 형광 신호가 대부분 위장관에 유지된다는 것을 보여주었습니다. 또한, 이 연구에서 대조군 마우스는 혈장 형광이 상승하고 대변의 형광이 감소한 반면, 반대로 이눌린이 보충된 마우스는 장에서 형광 신호 수준이 높고 혈장에서 낮은 수준을 보였습니다. 요약하면, 이 프로토콜은 장 건강의 지표로서 장 투과성의 정성적 및 정량적 측정을 제공합니다.
장 장벽은 건강과 질병 모두에 중요한 역할을 합니다. 필요한 영양소가 장 내강에서 순환계로 스며들도록 하는 동시에 병원체나 항원과 같은 염증 유발 분자의 침투를 방지하는 것 사이의 복잡한 균형이 필요합니다1. 투과성 증가는 간 질환이나 염증성 장 질환(IBD)과 같은 많은 위장 장애로 인해 발생할 수 있습니다.2,3. 예를 들어, IBD인 궤양성 대장염(UC)에서 만성 염증은 밀착 접합부의 파괴, 그에 따른 장 장벽의 파괴, 박테리아의 전좌로 이어져 잠재적으로 점막 및 전신 염증을 영속화한다4.
따라서 장 장벽 무결성은 장 건강의 중요한 지표입니다. 그러나, 장내 투과성을 측정하기 위한 현재의 방법은 많은 한계를 가지고 있다. 예를 들어, 혈장 염증 마커 또는 비장 및 림프절로의 박테리아 전좌를 측정하는 방법은 간접적이다 5,6. 다른 방법은 침습적이고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 이 기사에서는 장 투과성을 직접적이고 정량적으로 측정하는 비침습적이고 비용 효율적인 분석법에 대해 설명합니다. 이 분석은 플루오레세인-이소티오시아네이트 표지 덱스트란(FITC-dextran)을 사용하여 생체 내 형광을 측정하여 실시간으로 장 투과성을 추적합니다. 또한 혈장과 대변에서 FITC-덱스트란 수치를 측정하면 장 투과성을 정량화할 수 있습니다(그림 1).
FITC-덱스트란 투과성 분석법은 파킨슨병7, 패혈증8, 허혈성 뇌졸중9, 화상10 등의 동물 모델을 포함하여 다양한 맥락에서 사용되어 왔다. 또한, 이 분석은 최근 장내 미생물군집이 다양한 질병 과정에 어떻게 연루될 수 있는지, 그리고 잠재적인 치료제로 표적화되거나 조작될 수 있는 방법을 이해하는 데 도움이 되었습니다. 예를 들어, 노화 11, IBD12, 대장암 13, 자폐 스펙트럼 장애11에서 마이크로바이옴 및 마이크로바이옴 기반 치료제를 연구하는 데 사용되어 왔다. 장 장벽 기능은 건강과 질병의 다양한 측면과 관련이 있기 때문에 이 분석은 널리 사용되었습니다. 상대적으로 단순하고 시간 부담이 적기 때문에 장 장벽 무결성을 변경하는 것으로 의심되는 생체 내 조건을 테스트하는 데 이상적입니다. 정량적 결과는 잠재적 치료의 효과를 결정하는 데 유용합니다.
본 연구에서는 FITC-덱스트란 분석을 이용하여 식이요법이 장 장벽 기능에 미치는 영향을 평가하였다. 대조군 식이를 투여받은 쥐의 장 투과성과 이눌린 보충 식이를 투여받은 쥐의 장 투과성을 비교하였다. 이눌린은 장 장벽 기능을 개선하는 것으로 밝혀진 유익한 올리고당입니다12,13. 생체 내 형광 측정(배경)을 위해 처리되지 않은 마우스 1마리를 음성 대조군으로 사용하고 FITC-덱스트란 대신 PBS를 받았습니다. 이 실험은 FITC-덱스트란 분석이 장 투과성을 평가하는 데 유용한 도구임을 보여줍니다.
모든 절차는 CRCHUM의 기관 동물 관리 위원회의 승인을 받은 후 캐나다 동물 관리 위원회(Canadian Council on Animal Care) 지침에 따라 수행되었습니다. 상업적 공급원( 재료 표 참조)으로부터 입수한 8주령의 암컷 BALB/c 마우스를 본 연구에 사용하였다. 실험실험자들은 2주 동안 10% 이눌린 wt/wt가 함유된 식이 보충제를 받았다. 대조군은 이눌린 보충제가 부족한 유사한 식단을 받았습니다. 생쥐는 식단에 임 의로 접근할 수 있었습니다. 분석의 개요는 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1: FITC-덱스트란 분석의 개략도. 위관영양법 4시간 전에 T-4- 음식물 접근이 제거되었습니다. T0-FITC-덱스트란은 경구 위관영양법을 통해 투여되었다. T1 - 위관영양 1시간 후, 생체내 형광을 평가하였다. T4- 위관영양 4시간 후, 분변 및 혈장 샘플을 수집하고 형광을 측정했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
1. FITC-덱스트란의 투여
2. 생체 내 형광 측정
3. 분변 시료 및 혈장의 형광 측정
생체 내 형광 분석 결과, 대조군 식이만 섭취한 쥐는 이눌린 보충 식이만 섭취한 쥐에 비해 FITC-덱스트란의 간 섭취량이 더 높고 복강 내 잔류 형광 수치가 더 높은 것으로 나타났습니다(그림 2A). 이눌린식이 요법을받은 쥐의 맹장에서 약간의 형광이 보였지만 간 섭취가 거의 또는 전혀 없었으며, 이는 이러한 식단이 장 투과성 증가로부터 보호되었음을 나타냅니다.
혈장 및 분변 샘플의 형광 수준은 생체 내 대응물을 강화하고 정량화하는 데 작용합니다. 이눌린이 보충된 식이만 섭취한 쥐는 대조군 식이만 섭취한 쥐에 비해 혈장 내 FITC-덱스트란 수치가 유의하게 낮았습니다(그림 2B). 이는 FITC-덱스트란이 적을수록 장 장벽이 순환계로 침투할 수 있기 때문에 장 장벽 기능이 향상되었음을 나타냅니다. 이와 일치하게, 이눌린 식이만 섭취한 쥐는 대조군 식이만 섭취한 쥐보다 대변 내 FITC-덱스트란 수치가 유의하게 높았습니다(그림 2C). 이것은 FITC-덱스트란이 정상으로 간주되는 것처럼 배설될 때까지 결장에 남아 있었기 때문에 장 장벽 기능이 손상되지 않았음을 강화합니다. 대조군 마우스의 대변에서 FITC-덱스트란의 낮은 수치는 적절하게 배설되지 않고 장 장벽을 통해 순환계로 침투했음을 나타냅니다. 혈장 내 FITC-덱스트란 수치가 높으면 이러한 발견이 뒷받침됩니다.
그림 2: 이눌린을 사용한 식이 보충제는 장 장벽을 통한 FITC-덱스트란의 전좌를 감소시킵니다. (A) FITC-덱스트란의 잔류 형광 및 간 흡수. 빨간색 = 가장 높은 강도; 짙은 보라색 = 가장 낮은 강도. 최대 형광 2.15 x 103, 최소 형광 0.378. (B) FITC-덱스트란의 혈장 농도. P = 0.010입니다. (C) FITC-덱스트란의 분변 농도. P = 0.00003입니다. N = 그룹당 4개. 데이터는 평균 ± SEM으로 표시됩니다. 각 점은 하나의 마우스를 나타냅니다. 짝을 이루지 않은 학생의 t-검정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
장 장벽 기능은 다양한 질병 과정에서 없어서는 안될 부분입니다. 따라서 비침습적이고 비용 효율적이며 정량화 가능한 방식으로 장 투과성을 평가하는 것은 동물 모델에서 이러한 질병을 정확하게 나타내는 데 필수적입니다. FITC-덱스트란 분석은 이러한 표현에 대한 가능성을 제공합니다. 그러나 이 프로토콜에는 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해 정확하게 완료해야 하는 몇 가지 중요한 단계가 포함됩니다. 첫째, 적절한 크기의 FITC-덱스트란을 사용하는 것이 필수적입니다. 생체 내 투과성을 조사하기 위해서는 4 kDa FITC-dextran이 최적 분자량이며, 분자량이 증가함에 따라 투과율은 감소한다15. 따라서, 상이한 분자량의 FITC-덱스트란을 사용하는 것은 혼란스럽거나 신뢰할 수 없는 결과를 제공할 수 있다. 또한 각 위관영양의 시간을 기록하고 그에 따라 생체 내 데이터 수집 및 혈장 및 대변 수집을 위한 시점을 조정하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 두 마리의 마우스가 10분 간격으로 위관영양되는 경우 생체 내 형광 판독값과 대변 및 혈장 수집도 10분 간격으로 이루어져야 합니다. 동일한 시점에서 형광을 비교하면 투과성의 차이를 보다 정확하게 표현할 수 있습니다. 또한, 타이밍으로 인한 클러스터링 효과를 방지하기 위해 다른 그룹의 동물을 테스트하는 순서를 번갈아 가며 사용해야 합니다. 그룹 A의 모든 동물을 먼저 테스트한 다음 그룹 B의 모든 동물을 두 번째(AAABBB)로 테스트하는 대신 각 동물(ABABAB) 이후에 그룹을 전환하는 것이 좋습니다.
이 분석은 이미징 기계에 대한 접근이 부족한 경우 혈장 및 분변 샘플의 평가만 포함하도록 수정할 수 있습니다. 생체 내 직접 형광 이미징을 통해 간 섭취 및 잔류 복부 형광을 시각화할 수 있지만 혈장 및 대변 샘플의 형광 평가는 여전히 장 투과성의 정량적 측정을 제공합니다. 또한, 기술된 실험에 의해 입증된 바와 같이, 혈장 및 대변의 형광 수준은 생체 내 이미징과 잘 상관관계가 있습니다. 추가적으로, 이러한 분석은 생체 내 이미징만을 포함하도록 변형될 수 있다. 이를 통해 동물을 살아 있게 하여 다른 매개변수를 계속 테스트하거나 시간이 지남에 따라 장 투과성이 어떻게 변하는지 모니터링할 수 있습니다. 따라서 이 분석을 수정할 수 있는 능력은 접근 가능하면서도 여전히 정량적입니다. 마지막으로, 각 마우스에 투여된 80 mg·mL-1 FITC-dextran 200 μL의 용량은 이전에 사용되었으며 체중에 약간의 차이가 있는 마우스에서 효과적인 것으로 나타났다16. 또한, 대표 결과 섹션에 사용된 모든 마우스의 무게는 약 20g이므로 각 마우스에 동일한 용량을 사용할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나 체중의 차이를 설명하기 위해 FITC-덱스트란은 0.6-0.8mg/g 체중의 용량으로 투여할 수 있습니다(예:17). 결정적으로, 사용된 용량에 관계없이, 합병증이나 불편함을 예방하기 위해 각 마우스에 위관영양의 양을 10mL·kg-1 미만으로 제한하는 것이 중요하다18.
FITC-덱스트란 분석은 장 장벽 기능을 평가하는 효과적인 방법을 제공하지만 여전히 몇 가지 한계가 있습니다. 이 모델의 한 가지 한계는 몇 시간 동안 마우스를 금식시켜야 한다는 것인데, 이는 이러한 결과를 금식하지 않은 마우스의 결과와 비교하는 것이 신뢰할 수 없다는 것을 의미합니다. 또한 단식은 당뇨병 동물 모델에서 혈당을 측정할 때와 같이 엄격한 수유 일정이 필요한 특정 모델의 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 한계에도 불구하고 FITC-덱스트란 분석은 정량적이고, 다목적이며, 비용 효율적이며, 많은 기존 방법보다 덜 침습적이기 때문에 장 투과성을 분석하는 효과적인 방법으로 남아 있습니다. 예를 들어, 장 투과성 측정에 사용되는 일반적인 프로브는 작은 당류 프로브 또는 Cr-EDTA이며, 이는 몇 가지 장점이 있습니다19. 그러나 일부 당류 프로브는 영역별 투과성만 있습니다. 소장의 말단부에서 가수분해되기 때문에 결장 투과성에 대한 통찰력을 제공하지 않습니다19. 반면에, Cr-EDTA는 결장 투과성에 대한 정보를 제공할 수 있지만, 24시간 동안 측정이 필요하기 때문에, 이 방법의 시간 부담은 FITC-덱스트란 분석의 시간 부담보다 훨씬 높다20. 또한, 이들 방법 중 어느 것도 이 분석의 직접적인 생체 내 이미징을 제공하지 않습니다. 따라서 FITC-dextran 분석은 장 투과성을 측정하기 위한 다른 방법에 비해 비교적 간단하고 직접적이며 효과적인 옵션을 제공합니다.
마지막으로, IBDs4, 알츠하이머병21 및 간 질환2와 같은 질병 과정에서 장 투과성은 연구를 개선하기 위해 FITC-dextran 분석을 사용하여 측정할 수 있는 중요한 매개변수입니다. 예를 들어, IBD에 대한 면역요법과 같은 신규한 치료법을 개발할 때, 이 분석은 장 장벽 완전성을 유지하기 위한 치료제의 효능을 시험하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 장 장벽 기능 장애가 UC의 만성 염증을 영속시키는 것과 관련이 있을 수 있다는 점을 고려할 때, 투과성 증가에 대해 치료제가 얼마나 잘 보호하는지 조사하는 것이 중요합니다4. 이것은 하나의 예일 뿐이지만 FITC-덱스트란 분석은 연구의 다양한 영역과 측면에서 장 투과성을 측정할 수 있는 접근 가능하고 정량화 가능한 방법입니다.
저자는 공개가 없다고 선언합니다.
이 작업은 캐나다 자연 과학 및 공학 연구 위원회(MMS에 RGPIN-2018-06442 부여)의 보조금으로 자금을 지원받았습니다. CRCHUM의 동물 시설과 심혈관 표현형 플랫폼의 Junzheng Peng 박사에게 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
50 ppm Fe Diet (10% Inulin) | Envigo Teklad | TD.190651 | Representative Results |
50 ppm Fe Diet (FeSO4) | Envigo Teklad | TD.190723 | Representative Results |
BALB/c Mice 49-55 Days, Female | Charles River | 028BALB/C | Representative Results |
BD 1 mL Syringe Tuberculin Slip Tip | Becton, Dickinson and Company | 309659 | For gavage |
BD Microtainer Tubes - With LH (Lithium Heparin) | Becton, Dickinson and Company | 365965 | For plasma collection |
Centrifuge 5420 | Eppendorf | S420KN605698 | |
Curved Gavage Needle (Gavage Cannula) 7.7.0 38 mm x 22 G | Harvard Apparatus Canada | 34-024 | No longer available - A potential alternative is available at Instech Labs (FTP-22-38) |
Euthanyl (Pentobarbital Sodium) 240 mg/mL | Bimeda-MTC Animal Health Inc. | 141704 | 1/100 dilution; Administered via intraperitoneal injection at 0.03 mL/g body weight |
FITC-dextran 4 | TdB Labs | 20550 | |
Heparinized Capillary Tubes | Kimble Chase Life Science and Research | 2501 | For retro-orbital blood collection |
Microplate, PS, 96-well, Flat-bottom (Chimney Well), Black, Flutrac, Med. Binding | Greiner Bio-one | 655076 | |
MiniARCO Clipper Kit | Kent Scientific | CL8787-KIT | For hair removal |
Optix MX2 and Optix Optiview | Advanced Research Technologies | 2.02.00.6 | Fluorescence imaging machine and software |
Phosphate Buffered Saline 1x (PBS) | Wisent Inc | 311-010-LL | |
Puralube Vet Ointment | Dechra | 12920060 | Ophthalmic ointement to prevent eye damage during anesthesia |
Spark Multiplate Reader | Tecan | 30086376 |
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