Funktionsanalyse des Ets-Transkriptionsfaktors Elf3 im gastrointestinalen Trakt

Elf3 gehört zur Familie der Ets-Transkriptionsfaktoren und wird unter nicht-entzündlichen Bedingungen ausschließlich in epithelialen Zellen exprimiert, vor allem in den Enterozyten des gastrointestinalen Traktes. Um die Rolle des Transkriptionsfaktors Elf3 in Hinblick auf potentielle Zielgene und Einflüsse auf die Darm-Morphologie zu untersuchen, wurde ein Vektorsystem für die konditionelle Expression eines dominant-negativen Elf3 (dnElf3) in Darmepithelzellen generiert. Regulatorische Elemente des humanen Keratin 20 Gens in Kombination mit dem Cre/loxP-System ermöglichten eine induzierbare, darmepithel-spezifische Expression in transgenen Mäusen. Die Expression von dnElf3 führt zu einem signifikanten Gewichtsverlust und deutlichen morphologischen Veränderungen des Darmepithels. Im Dünndarm konnte ein erhöhte Anzahl von Becherzellen und eine verstärkte Mukusproduktion nachgewiesen werden. Sowohl die Keratin 8 Expression, als auch die Expression des Zellmembranproteins Claudin 7 waren signifikant herab reguliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals eine Regulation der Claudin 7 Expression durch Elf3 im Darm gezeigt werden.

In vivo and in vitro investigation of the tissue-specific activity of the human CYP3A4 and CYP3A5 promoters

The human cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the predominant but variably expressed cytochrome P450 in adult liver and small intestine is involved in the metabolism of over 50% of currently used drugs. Its paralog CYP3A5 plays a crucial role in the disposition of several drugs with low therapeutic index, including tacrolimus. Limited information is available for the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics remains controversial. In the first part of this study, we analysed the CYP3A5 transcriptional regulation and its induction by xenobiotics in vivo using transgenic mice. To this end, two transgenic strains were established by pronuclear injection of a plasmid, expressing firefly luciferase driven by a 6.2 kb of the human CYP3A5 promoter. A detailed analysis of both strains shows a tissue distribution largely reflecting that of CYP3A5 transcripts in humans. Thus, the highest luciferase activity was detected in the small intestine, followed by oesophagus, testis, lung, adrenal gland, ovary, prostate and kidney. However, no activity was observed in the liver. CYP3A5-luc transgenic mice were similarly induced in both sexes with either PCN or TCPOBOP in small intestine in a dose-dependent manner. Thus, the 6.2 kb upstream promoter of CYP3A5 mediates the broad tissue activity in transgenic mice. CYP3A5 promoter is inducible in the small intestine in vivo, which may contribute to the variable expression of CYP3A in this organ. rnThe hepato-intestinal level of the detoxifying oxidases CYP3A4 and CYP3A5 is adjusted to the xenobiotic exposure mainly via the xenosensor and transcriptional factor PXR. CYP3A5 is additionally expressed in several other organs lacking PXR, including kidney. In the second part of this study, we investigated the mechanism of the differential expression of CYP3A5 and CYP3A4 and its evolutionary origin using renal and intestinal cells, and comparative genomics. For this examination, we established a two-cell line models reflecting the expression relationships of CYP3A4 and CYP3A5 in the kidney and small intestine in vivo. Our data demonstrate that the CYP3A5 expression in renal cells was enabled by the loss of a suppressing Yin Yang 1 (YY1)-binding site from the CYP3A5 promoter. This allowed for a renal CYP3A5 expression in a PXR-independent manner. The YY1 element is retained in the CYP3A4 gene, leading to its suppression, perhaps via interference with the NF1 activity in renal cells. In intestinal cells, the inhibition of CYP3A4 expression by YY1 is abrogated by a combined activating effect of PXR and NF1 acting on their respective response elements located adjacent to the YY1-binding site on CYP3A4 proximal promoter. CYP3A4 expression is further facilitated by a point mutation attenuating the suppressing effect of YY1 binding site. The differential expression of CYP3A4 and CYP3A5 in these organs results from the loss of the YY1 binding element from the CYP3A5 promoter, acting in concert with the differential organ expression of PXR, and with the higher accumulation of PXR response elements in CYP3A4. rn

Evaluation of 3D cell culture systems for host-pathogen interaction studies

Traditional cell culture models have limitations in extrapolating functional mechanisms that underlie strategies of microbial virulence. Indeed during the infection the pathogens adapt to different tissue-specific environmental factors. The development of in vitro models resembling human tissue physiology might allow the replacement of inaccurate or aberrant animal models. Three-dimensional (3D) cell culture systems are more reliable and more predictive models that can be used for the meaningful dissection of host–pathogen interactions. The lung and gut mucosae often represent the first site of exposure to pathogens and provide a physical barrier against their entry. Within this context, the tracheobronchial and small intestine tract were modelled by tissue engineering approach. The main work was focused on the development and the extensive characterization of a human organotypic airway model, based on a mechanically supported co-culture of normal primary cells. The regained morphological features, the retrieved environmental factors and the presence of specific epithelial subsets resembled the native tissue organization. In addition, the respiratory model enabled the modular insertion of interesting cell types, such as innate immune cells or multipotent stromal cells, showing a functional ability to release pertinent cytokines differentially. Furthermore this model responded imitating known events occurring during the infection by Non-typeable H. influenzae. Epithelial organoid models, mimicking the small intestine tract, were used for a different explorative analysis of tissue-toxicity. Further experiments led to detection of a cell population targeted by C. difficile Toxin A and suggested a role in the impairment of the epithelial homeostasis by the bacterial virulence machinery. The described cell-centered strategy can afford critical insights in the evaluation of the host defence and pathogenic mechanisms. The application of these two models may provide an informing step that more coherently defines relevant molecular interactions happening during the infection.

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Die Expression und Regulation der CYP3A in menschlicher Haut

In Leber und Dünndarm bauen CYP3A-Enzyme eine Vielzahl von Fremdstoffen ab, die in den Körper gelangt sind. Zudem aber sind diese Enzyme auch in anderen Organen, wie der Haut exprimiert. Doch weder die genaue Zusammensetzung der CYP3A-Isozyme noch deren physiologische Rolle in der Haut sind bisher bekannt. Basierend auf begrenzten in vitro-Daten ist eine Rolle der CYP3A in der kutanen Vitamin D-Synthese denkbar. Auf der anderen Seite könnten die kutanen CYP3A auch lokal oder systemisch verabreichte Medikamente in der Haut verstoffwechseln und so zur Entstehung immunologischer und nicht-immunologischer unerwünschter Arzneimittelwirkungen beitragen, von denen sich bis zu 45 % in der Haut manifestieren.rnDie Arbeitshypothese dieses Projekts war, dass die CYP3A die kutane Synthese von Vitamin D regulieren. In dieser Funktion wurden sie zur Vermeidung von Vitamin D-Mangel-Erkrankungen wie Rachitis oder Osteomalazie in Europäern negativ selektiert. rnDie Expression und Regulation der CYP3A wurde in Hautbiopsien, einer Zelllinie epidermalen Ursprungs und primären Hautzellen wie auch in transgenen Mäusen untersucht. Die metabolische Aktivität der CYP3A gegenüber den kutanen Vitamin D-Vorstufen wurde mit Hilfe rekombinant exprimierter Enzyme untersucht. CYP3A5-mRNA war die häufigste der CYP3A in humanen Hautproben und überstieg die von CYP3A4 um das Dreifache, die von CYP3A7 um das 130-Fache. Damit entsprach diese 1,3 %, 0,01 % bzw. 0,01 % der jeweiligen hepatischen Genexpression. Die Expression von CYP3A43 war zu vernachlässigen. CYP3A5 zeigte eine bimodale Expression sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene. So zeigten Träger der Wildtyp-Allels *1 eine 3,3-fach höhere mRNA- und 1,8-fach höhere Proteinmenge als homozygote Träger des Nullallels *3. CYP3A4/7- und CYP3A5-Protein wurde v. a. in den Keratinozyten der Epidermis und den Talgdrüsen, also den Bereichen der kutanen Vitamin D-Synthese lokalisiert. Die CYP3A5-Expression wurde ferner in der Haut transgener Mäusen gezeigt, die das Reportergen Luziferase unter Kontrolle des humanen CYP3A5-Promoters exprimieren. Verglichen mit der Leber war die kutane Expression des Vitamin D-Rezeptors (VDR) 100-fach höher, die der Xenosensoren CAR und PXR vergleichbar bzw. zu vernachlässigen. Dementsprechend erhöhte die Behandlung mit 1,25-Dihydroxyvitamin D, dem aktiven Vitamin D-Hormon, und dessen Vorstufen außer 7-Dehydrocholesterol, jedoch nicht der PXR-Ligand Rifampicin, die Expression der CYP3A. Wie in Zwei-Hybrid-Experimenten gezeigt, wurden die Effekte des 1,25-Dihydroxyvitamin D und dessen Vorstufen alleinig durch VDR vermittelt. Die Effektstärke hingegen war abhängig von Zellspender, Zellpassage und Zelltypus. Alle drei CYP3A-Isozyme metabolisieren Vitamin D zu einem oder mehreren unbekannten Metaboliten, jedoch nicht zu 25-Hydroxyvitamin D, dem direkten Vorläufer des aktiven Vitamin D. rnZusammengefasst legen die Daten nahe, dass die kutanen CYP3A, allen voran CYP3A5, die Vitamin D-Homöostase durch VDR-vermittelte Induktion des Abbaus von Vitamin D-Vorstufen regulieren. Dies zusammen mit Sequenzdaten liefert starke Indizien für Vitamin D als treibende Kraft der Selektion des CYP3A-Lokus in Europäern. Der Einfluss der CYP3A-Expression auf selektiv wirksame, klinisch relevante Knochenveränderungen wie Rachitis oder Osteomalazie müssen folgen.rn

FaSSIF-C, a Cholesterol containing biorelevant intestinal model medium for development and test of oral drug formulations

Biorelevante Medien sind entwickelt worden, um die Bedingungen im Magen-Darm-Trakt vor und nach der Mahlzeit zu imitieren. Mit FaSSIF und FeSSIF wurden Medien eingeführt, die nicht nur die pH- und Puffer-Kapazität des Dünndarms widerspiegeln, sondern auch Lipid und physiologische Tensid-Arten enthalten. Diese Medien (FaSSIF-V2 und FaSSlFmod6.5) wurden für Bioverfügbarkeitstudien in der Medikamentenentwicklung im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dennoch sind die auf dem Markt verfügbaren Medien immer noch nicht in der Lage, die realen physiologischen Bedingungen zu simulieren. In der jetzigen Zusammensetzung sind nicht alle Kompetenten enthalten, welche natürlicher Weise im Duodenum vorkommen. Darüber hinaus wird nur eine 1:5 Verdünnung von FeSSIF zu FaSSIF angenommen, die individuelle Wasserzufuhr bei Medikamentengabe wird hierdurch jedoch nur eingeschränkt simuliert, obwohl diese von Patient zu Patient schwanken kann. rnZiel dieser Dissertation war die Verbesserung der Vorhersage der Auflösung und Absorption lipophiler Arzneistoffe durch Simulation der Bedingungen im zweiten Teil des Zwölffingerdarms mit neuen biorelevanten Medien, sowie unter Einwirkung zusätzlicher Detergention als Wirkstoffträger. rnUm den Effekt der Verdünnungsrate und Zeit im Dünndarm zu untersuchen, wurde die Entwicklung der Nanopartikel in der Magen-Darm-Flüssigkeit FaSSIFmod6.5 zu verschiedenen Zeitpunkten und Wassergehalten untersucht. Dafür wurden kinetische Studien an verschieden konzentrierten Modellmedien nach Verdünnungssprung untersucht. Das Modell entspricht der Vermischung der Gallenflüssigkeit mit dem Darminhalt bei variablem Volumen. Die Ergebnisse zeigen, dass Art und Größe der Nanopartikel stark von Verdünnung und Einirkungszeit abhängen. rnrnDie menschliche Darmflüssigkeit enthält Cholesterin, welches in allen früheren Modellmedien fehlt. Daher wurden biokompatible und physiologische Modellflüssigkeiten, FaSSIF-C, entwickelt. Der Cholesteringehalt von FaSSIF - 7C entspricht der Gallenflüssigkeit einer gesunden Frau, FaSSIF - 10C der einer gesunden männlichen Person und FaSSIF - 13C der in einigen Krankheitszuständen. Die intestinale Teilchen-Struktur-Untersuchung mit dynamische Lichtstreuung (DLS) und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) ergab, dass die Korngröße von Vesikeln mit zunehmender Cholesterin-Konzentration abnahm. Zu hohe Cholesterin-Konzentration bewirkte zusätzlich sehr große Partikel, welche vermutlich aus Cholesterin-reichen “Disks“ bestehen. Die Löslichkeiten einiger BCS Klasse II Wirkstoffe (Fenofibrat, Griseofulvin, Carbamazepin, Danazol) in diesen neuen Medien zeigten, dass die Löslichkeit in unterschiedlicher Weise mit der Cholesteringehalt zusammen hing und dieser Effekt selektiv für die Droge war. rnDarüber hinaus wurde die Wirkung von einigen Tensiden auf die kolloidale Struktur und Löslichkeit von Fenofibrat in FaSSIFmod6.5 und FaSSIF -7C untersucht. Struktur und Löslichkeit waren Tensid- und Konzentrations-abhängig. Im Falle von FaSSIFmod6.5 zeigten die Ergebnisse eine dreifache Verzweigung der Lösungswege. Im Bereich mittlerer Tensidkonzentration wurde eine Löslichkeitslücke der Droge zwischen der Zerstörung der Galle-Liposomen und der Bildung von Tensid-reichen Mizellen beobachtet. In FaSSIF - 7C, zerstörten Tenside in höherer Konzentration die Liposomenstruktur trotz der allgemeinen Stabilisierung der Membranen durch Cholesterin. rnDie in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse ergeben, dass die Anwesenheit von Cholesterin als eine fehlende Komponente der menschlichen Darmflüssigkeit in biorelevanten Medien wichtig ist und dazu beitragen kann, das in vivo Verhalten schwerlöslicher Arzneistoffe im Körper besser vorhersagen zu können. Der Verdünnungsgrad hat einen Einfluss auf die Nanopartikel-Struktur und Tenside beeinflussen die Löslichkeit von Medikamenten in biorelevanten Medien: Dieser Effekt ist sowohl von der Konzentration das Tensids abhängig, als auch dessen Typ.rnrn

Expression and function of 5-hydroxytryptamine 4 receptors in smooth muscle preparations from the duodenum, ileum, and pelvic flexure of horses without gastrointestinal tract disease

OBJECTIVE: To evaluate the expression of the 5-hydroxytryptamine 4 (5-HT4) receptor subtype and investigate the modulating function of those receptors on contractility in intestinal tissues obtained from horses without gastrointestinal tract disease. SAMPLE POPULATION: Smooth muscle preparations from the duodenum, ileum, and pelvic flexure collected immediately after slaughter of 24 horses with no history or signs of gastrointestinal tract disease. PROCEDURES: In isometric organ baths, the contractile activities of smooth muscle preparations in response to 5-hydroxytryptamine and electric field stimulation were assessed; the effect of tegaserod alone or in combination with 5-hydroxytryptamine on contractility of intestinal specimens was also investigated. Presence and distribution of 5-HT4 receptors in intestinal tissues and localization on interstitial cells of Cajal were examined by use of an immunofluorescence technique. RESULTS: Widespread 5-HT4 receptor immunoreactivity was observed in all intestinal smooth muscle layers; 5-HT4 receptors were absent from the myenteric plexus and interstitial cells of Cajal. In electrical field-stimulated tissue preparations of duodenum and pelvic flexure, tegaserod increased the amplitude of smooth muscle contractions in a concentration-dependent manner. Preincubation with tegaserod significantly decreased the basal tone of the 5-HT-evoked contractility in small intestine specimens, compared with the effect of 5-HT alone, thereby confirming that tegaserod was acting as a partial agonist. CONCLUSIONS AND CLINICAL RELEVANCE: In horses, 5-HT4 receptors on smooth muscle cells appear to be involved in the contractile response of the intestinal tract to 5-hydroxytryptamine. Results suggest that tegaserod may be useful for treatment of reduced gastrointestinal tract motility in horses.

Intestinal atresia and ectopia in a bovine fetus

A 2-year-old Red Holstein cow was presented with uterine torsion at 235 days of pregnancy. The fetus extracted by cesarean section had weak vital signs and marked abdominal distention. An edematous pouch that contained tubular structures with peristaltic activity was associated with the umbilical cord. Because of poor prognosis, both dam and fetus were euthanized. At necropsy, the fetus had severe distention of the forestomachs, abomasum, and proximal small intestine; absence of distal small intestine, cecum, and proximal colon; atresia of the 2 blind ends of the intestine; and atrophy of distal colon and rectum. The tubular structures associated with the umbilical cord were identified as the segments of intestine that were absent in the fetus. Intestinal atresia combined with ectopia may be caused by local ischemia during temporary herniation and rotation of the fetal gut into the extraembryonic coelom. The close connection between ectopic intestine and amniotic sheath of the umbilical cord in this case may have facilitated vascularization and allowed development and viability of the ectopic intestine.

Gastrointestinal tract mucosal histomorphometry and epithelial cell proliferation and apoptosis in neonatal and adult dogs

In this study, the hypothesis was tested that the size of gastrointestinal tract (GIT) mucosal components and rates of epithelial cell proliferation and apoptosis change with increasing age. The aims were to quantitatively examine GIT histomorphology and to determine mucosal epithelial cell proliferation and apoptosis rates in neonatal (<48 h old) and adult (8 to 11.5 yr old) dogs. Morphometrical analyses were performed by light microscopy with a video-based, computer-linked system. Cell proliferation and apoptosis of the GIT epithelium were evaluated by counting the number of Ki-67 and caspase-3-positive cells, respectively, using immunohistochemical methods. Thickness of mucosal, glandular, subglandular, submucosal and muscular layers, crypt depths, villus heights, and villus widths were consistently greater (P < 0.05 to P < 0.001), whereas villus height/crypt depth ratios were smaller (P < 0.001) in adult than in neonatal dogs. The number of Ki-67-positive cells in stomach, small intestine, and colon crypts, but not in villi, was consistently greater (P < 0.01) in neonatal than in adult dogs. In contrast, the number of caspase-3-positive cells in crypts of the stomach, small intestine, and colon and in villi was not significantly influenced by age. In conclusion, canine GIT mucosal morphology and epithelial cell proliferation rates, but not apoptosis rates, change markedly from birth until adulthood is reached.

Mouse lung CYP1A1 catalyzes the metabolic activation of 2-amino-1-methyl-6-phenylimidazo[4,5-b]pyridine (PhIP)

PhIP carcinogenesis is initiated by N(2)-hydroxylation, mediated by several cytochromes P450, including CYP1A1. However, the role of CYP1A1 in PhIP metabolic activation in vivo is unclear. In this study, Cyp1a1-null and wild-type (WT) mice were used to investigate the potential role of CYP1A1 in PhIP metabolic activation in vivo. PhIP N(2)-hydroxylation was actively catalyzed by lung homogenates of WT mice, at a rate of 14.9 +/- 5.0 pmol/min/g tissue, but < 1 pmol/min/g tissue in stomach and small intestine, and almost undetectable in mammary gland and colon. PhIP N(2)-hydroxylation catalyzed by lung homogenates of Cyp1a1-null mice was approximately 10-fold lower than that of WT mice. In contrast, PhIP N(2)-hydroxylation activity in lung homogenates of Cyp1a2-null versus WT mice was not decreased. Pretreatment with 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) increased lung Cyp1a1 mRNA and lung homogenate PhIP N(2)-hydroxylase activity approximately 50-fold in WT mice, where the activity was substantially inhibited (70%) by monoclonal antibodies against CYP1A1. In vivo, 30 min after oral treatment with PhIP, PhIP levels in lung were similar to those in liver. After a single dose of 0.1 mg/kg [(14)C]PhIP, lung PhIP-DNA adduct levels in Cyp1a1-null mice, but not in Cyp1a2-null mice, were significantly lower (P=0.0028) than in WT mice. These results reveal that mouse lung has basal and inducible PhIP N(2)-hydroxylase activity predominantly catalyzed by CYP1A1. Because of the high inducibility of human CYP1A1, especially in cigarette smokers, the role of lung CYP1A1 in PhIP carcinogenesis should be considered.

Assessing the expression of enterotoxigenic Escherichia coli-specific surface antigens in recombinant strains by transmission electron microscopy and immunolabeling

Infections with enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are a major cause of travelers' diarrhea worldwide. Colonization of the small intestine mucosa is dependent on specific colonization factor antigens (CFA) and coli surface (CS) antigens. CFA/1, CS3, and CS6 are the most prevalent fimbrial antigens found in clinical isolates. The goal of our study was to visualize the morphology of CS3 and CS6 fimbriae in wild-type and recombinant E. coli strains by means of transmission electron microscopy in conjunction with negative staining and immunolabeling. Corresponding ETEC genes were cloned into E. coli K12 strain DH10B. Expression of fimbriae was dependent on culture conditions and sample handling. Specific immunolabeling of fimbriae unequivocally demonstrated the presence of all types of surface antigens investigated. Negative staining was effective in revealing CS3 but not CS6. In addition, this technique clearly demonstrated differences in the morphology of genetically and immunologically identical CS3 surface antigens in wild-type and recombinant strains. This paper provides a basis for the assessment of recombinant vaccines.

Luminal substrate "brake" on mucosal maltase-glucoamylase activity regulates total rate of starch digestion to glucose

BACKGROUND: Starches are the major source of dietary glucose in weaned children and adults. However, small intestine alpha-glucogenesis by starch digestion is poorly understood due to substrate structural and chemical complexity, as well as the multiplicity of participating enzymes. Our objective was dissection of luminal and mucosal alpha-glucosidase activities participating in digestion of the soluble starch product maltodextrin (MDx). PATIENTS AND METHODS: Immunoprecipitated assays were performed on biopsy specimens and isolated enterocytes with MDx substrate. RESULTS: Mucosal sucrase-isomaltase (SI) and maltase-glucoamylase (MGAM) contributed 85% of total in vitro alpha-glucogenesis. Recombinant human pancreatic alpha-amylase alone contributed <15% of in vitro alpha-glucogenesis; however, alpha-amylase strongly amplified the mucosal alpha-glucogenic activities by preprocessing of starch to short glucose oligomer substrates. At low glucose oligomer concentrations, MGAM was 10 times more active than SI, but at higher concentrations it experienced substrate inhibition whereas SI was not affected. The in vitro results indicated that MGAM activity is inhibited by alpha-amylase digested starch product "brake" and contributes only 20% of mucosal alpha-glucogenic activity. SI contributes most of the alpha-glucogenic activity at higher oligomer substrate concentrations. CONCLUSIONS: MGAM primes and SI activity sustains and constrains prandial alpha-glucogenesis from starch oligomers at approximately 5% of the uninhibited rate. This coupled mucosal mechanism may contribute to highly efficient glucogenesis from low-starch diets and play a role in meeting the high requirement for glucose during children's brain maturation. The brake could play a constraining role on rates of glucose production from higher-starch diets consumed by an older population at risk for degenerative metabolic disorders.

Upregulation of toll-like receptors in chronic enteropathies in dogs

Background: Inflammatory bowel disease (IBD) is thought to result from a dysregulated interaction between the host immune system and commensal microflora. Toll-like receptors (TLRs) recognize microbe-associated molecular patterns (MAMPs), but their role in enteropathies in dogs is unknown. Hypothesis: That there is a dysregulation of TLRs recognizing bacterial MAMPs in dogs with IBD. Animals: Sixteen healthy beagles and 12 dogs with steroid-treated (ST) and 23 dogs with food-responsive (FR) diarrhea. Methods: Prospective, observational study. mRNA expression of canine TLR2, 4, and 9 was evaluated by quantitative real-time RT-PCR in duodenal and colonic biopsies obtained before and after standard therapy. Samples from control dogs were taken at necropsy, with additional biopsies of stomach, jejunum, ileum, and mesenteric lymph node in 6 dogs. Results: There were significant differences (P small intestine >/= colon). Before therapy, ST expressed more mRNA than control dogs for all 3 receptors (P < .05). There were no significant differences between pretreatment and posttreatment values, even though 32/35 dogs improved clinically. No associations were found when comparing receptor mRNA expression with either histology or clinical activity scores. Conclusions and Clinical Importance: Bacteria-responsive TLR2, 4, and 9 are upregulated in duodenal and colonic mucosa in IBD. This might lead to increased inflammation through interaction with the commensal flora. The absence of significant changes after therapy despite clinical improvement might point toward the existence of a genetic predisposition to IBD as described in human IBD.

Crystalloids versus colloids for goal-directed fluid therapy in major surgery

INTRODUCTION: Perioperative hypovolemia arises frequently and contributes to intestinal hypoperfusion and subsequent postoperative complications. Goal-directed fluid therapy might reduce these complications. The aim of this study was to compare the effects of goal-directed administration of crystalloids and colloids on the distribution of systemic, hepatosplanchnic, and microcirculatory (small intestine) blood flow after major abdominal surgery in a clinically relevant pig model. METHODS: Twenty-seven pigs were anesthetized and mechanically ventilated and underwent open laparotomy. They were randomly assigned to one of three treatment groups: the restricted Ringer lactate (R-RL) group (n = 9) received 3 mL/kg per hour of RL, the goal-directed RL (GD-RL) group (n = 9) received 3 mL/kg per hour of RL and intermittent boluses of 250 mL of RL, and the goal-directed colloid (GD-C) group (n = 9) received 3 mL/kg per hour of RL and boluses of 250 mL of 6% hydroxyethyl starch (130/0.4). The latter two groups received a bolus infusion when mixed venous oxygen saturation was below 60% ('lockout' time of 30 minutes). Regional blood flow was measured in the superior mesenteric artery and the celiac trunk. In the small bowel, microcirculatory blood flow was measured using laser Doppler flowmetry. Intestinal tissue oxygen tension was measured with intramural Clark-type electrodes. RESULTS: After 4 hours of treatment, arterial blood pressure, cardiac output, mesenteric artery flow, and mixed oxygen saturation were significantly higher in the GD-C and GD-RL groups than in the R-RL group. Microcirculatory flow in the intestinal mucosa increased by 50% in the GD-C group but remained unchanged in the other two groups. Likewise, tissue oxygen tension in the intestine increased by 30% in the GD-C group but remained unchanged in the GD-RL group and decreased by 18% in the R-RL group. Mesenteric venous glucose concentrations were higher and lactate levels were lower in the GD-C group compared with the two crystalloid groups. CONCLUSIONS: Goal-directed colloid administration markedly increased microcirculatory blood flow in the small intestine and intestinal tissue oxygen tension after abdominal surgery. In contrast, goal-directed crystalloid and restricted crystalloid administrations had no such effects. Additionally, mesenteric venous glucose and lactate concentrations suggest that intestinal cellular substrate levels were higher in the colloid-treated than in the crystalloid-treated animals. These results support the notion that perioperative goal-directed therapy with colloids might be beneficial during major abdominal surgery.

SLC13 family of Na⁺-coupled di- and tri-carboxylate/sulfate transporters

The SLC13 family comprises five genes (SLC13A1, SLC13A2, SLC13A3, SLC13A4, and SLC13A5) encoding structurally related multi-spanning transporters (8-13 transmembrane domains) with orthologues found in prokaryotes and eukaryotes. Mammalian SLC13 members mediate the electrogenic Na(+)-coupled anion cotransport at the plasma membrane of epithelial cells (mainly kidney, small intestine, placenta and liver) or cells of the central nervous system. While the two SLC13 cotransporters NaS1 (SLC13A1) and NaS2 (SLC13A4) transport anions such sulfate, selenate and thiosulfate, the three other SLC13 members, NaDC1 (SLC13A2), NaCT (SLC13A5) and NaDC3 (SLC13A3), transport di- and tri-carboxylate Krebs cycle intermediates such as succinate, citrate and α-ketoglutarate. All these transporters play a variety of physiological and pathophysiological roles in the different organs. Thus, the purpose of this review is to summarize the roles of SLC13 members in human physiology and pathophysiology and what the therapeutic perspectives are. We have also described the most recent advances on the structure, expression, function and regulation of SLC13 transporters.