Luminal-derived stimuli as triggers of irritable bowel syndrome-like states in the rat: role of neurotrophic factors

Abstract

En el tracto gastrointestinal, los estímulos de origen luminal se han implicado en la patofisiología del síndrome del intestino irritable (IBS). Aunque los mecanismos por los cuales contribuyen al inicio/mantenimiento de la sintomatología permanecen poco definidos, se ha propuesto la implicación de un circuito neuroinmune dependiente de mastocitos (MCs) y factores neurotróficos (NTFs). Este trabajo profundiza en la capacidad de los estímulos luminales, incluyendo factores relacionados con la microbiota comensal, las infecciones intestinales y los antígenos alimentarios, para producir alteraciones de tipo IBS en el colon de la rata, con especial énfasis en la implicación de los NTFs. Con este propósito, se han utilizado dos modelos de disfunción intestinal dependientes de mastocitos de mucosa (MMCs): la exposición oral a ovoalbúmina (OVA) y la infección por Trichinella spiralis. Tanto la exposición oral a OVA durante 6 semanas como la infección por T. spiralis activaron los MMCs del colon, si bien el reclutamiento celular sólo tuvo lugar durante la infección. La exposición a OVA durante 6 semanas alteró la contractilidad colónica, tanto in vivo como in vitro, un efecto que no se observó en tratamientos cortos (1 semana).Sin embargo, la exposición durante una semana a OVA combinada con un estado de disbiosis, inducido por el tratamiento con lipopolisacáridos bacterianos, produjo alteraciones motoras similares, sugiriendo una interacción facilitadora entre la microbiota y los antígenos alimentarios. El tratamiento con K252a, un antagonista de los receptores tropomiosina-receptor-quinasa, disminuyó la motilidad espontánea del colon y previno parte de las alteraciones motoras asociadas a OVA. Estos resultados apuntan a que, en la rata, el eje neurotrofinas-receptores Trk participa en el mantenimiento de la contractilidad basal del colon y en la disfunción contráctil asociada a OVA. En presencia de un estímulo luminal de origen infeccioso (T. spiralis), se observaron cambios morfológicos y en el contenido de NTFs en las neuronas de los ganglios de la raíz dorsal (DRGs) de los segmentos espinales toracolumbares, indicando una remodelación difusa de las vías aferentes entéricas. Los animales infectados presentaban, además, alteraciones en la respuesta a la estimulación aferente (disminución de TRPV1 en neuronas de los DRGs), sugiriendo cambios persistentes en la sensibilidad. Estas alteraciones coincidieron con cambios temporales (fases tempranas vs. tardías) y regionales (yeyuno vs. colon) en la expresión de NTFs. En el yeyuno, se observó un incremento temprano en la expresión de factor de crecimiento nervioso (NGF), de NTF derivado de la línea celular glial y de artemina. Por el contrario, en el colon se observó un descenso general en la expresión de NTFs entre los días 6-14 post-infección. Estas diferencias regionales podrían estar relacionadas con el grado de inflamación local ya que el colon, comparado con el yeyuno, mostró una respuesta inflamatoria atenuada. En el colon, se detectó la presencia de NGF en el epitelio y en el sistema nervioso entérico pero no en los MMCs. Sin embargo, la expresión de receptores TrkA sí se localizó en MMCs. Además, el tratamiento con K252a tendió a aumentar los niveles de la proteasa mastocitaria de rata de tipo II, sugiriendo que los receptores TrkA mastocitarios son funcionales. Por tanto, los MMCs podrían representar una diana para el NGF. Este trabajo demuestra que el eje estímulos luminales-MMCs-NTFs está implicado en las alteraciones funcionales colónicas observadas en modelos de IBS en la rata relacionados con antígenos alimentarios y procesos infecciosos. Las vías dependientes de NTFs podrían desempeñar un papel clave en el inicio/mantenimiento de la sintomatología del IBS, al menos en aquellos pacientes cuya enfermedad está relacionada con factores dietéticos o infecciosos. Los NTFs representan una diana terapéutica para el tratamiento de los desórdenes gastrointestinales caracterizados por alteraciones sensoriales y motoras.

In the gastrointestinal tract, luminal-derived stimuli have been implicated in the pathophysiology of irritable bowel syndrome (IBS). Although the pathways through which luminal factors contribute to the onset/maintenance of IBS-like symptoms remain unclear, a role for a neuroimmune circuitry implicating mast cells (MCs) and neurotrophic factors (NTFs) has been suggested. This work aims to characterize the ability of luminal-derived stimuli, including gut commensal microbiota (GCM), intestinal infections and food antigens, to trigger IBS-like alterations in the colon of the rat, with special emphasis on the potential role of NTFs. For this, we used two accepted models of mucosal MC (MMC)-dependent intestinal dysfunction in rats: chronic exposure to oral ovalbumin (OVA) and infection with Trichinella spiralis. Both, exposure to oral OVA for a 6-week period and infection with T. spiralis activated MMCs of the colon, although cell recruitment was only observed during T. spiralis infection. A 6-week, but not 1-week, exposure to oral OVA resulted in a colonic contractile dysfunction, observed both in vivo and in vitro. Nevertheless, short (1-week) OVA exposure led to similar colonic motor alterations when combined with a dysbiotic-like state (treatment with bacterial lipopolysaccharides), thereby indicating a facilitatory interaction between microbiota and food-derived antigens. Treatment with K252a, an antagonist of tropomyosin-receptor-kinase (Trk) receptors, decreased spontaneous colonic motility and prevented part of the motor alterations associated to OVA exposure, thus suggesting that the neurotrophins-Trk receptors axis participates in the maintenance of basal contractility in the rat colon and in the contractile dysfunction associated to exposure to oral OVA. In the presence of an infectious-related luminal-derived stimulus (T. spiralis infection), changes in thoracolumbar dorsal root ganglia (DRG) neurons’ morphology and NTFs content was observed, pointing to an extended afferent remodeling through the gastrointestinal tract. Moreover, in infected animals, altered responses of DRGs (down-regulation of TRPV1 receptors) after colonic afferent stimulation with capsaicin indicated a persistent change in afferent sensitivity. Alterations in afferent functionality during T. spiralis infection coincided with time- (early vs. late phases) and site-specific (jejunum vs. colon) changes in NTFs expression. Within the jejunum, an early increase in nerve growth factor (NGF), glial cell line-derived NTF and artemin levels was observed. In the colon, however, a general down-regulation of NTFs was observed between days 6-14 post-infection. These regional differences might be related to the local degree of inflammation; since, compared to the jejunum, the colon showed an attenuated inflammatory response. Within the colon, NGF was located in the epithelium and the enteric nervous system, but not in MMCs. Nevertheless, MMCs expressed TrkA and treatment with K252a tended to increase the levels of rat mast cell protease II, thus indicating that colonic MMCs are a target for NGF. In summary, this work shows that the axis luminal-derived stimuli-MMCs-NTFs is implicated in the colonic functional alterations observed in food antigen- and infection-related models of IBS in rats. These results highlight a potentially important role for NTF-related pathways in the onset/maintenance of the symptomatology in, at least, a subset of IBS patients in which the disease is related to luminal dietary- or infectious-related factors. NTFs represent a therapeutic target for the treatment of gastrointestinal disorders characterized by altered colonic sensitivity and dysmotility.