Vagal nervstimulering för tarmbarriärdysfunktion hos friska frivilliga

Stress - ett tillstånd som framkallar en "kamp eller flykt" eller sympatisk reaktion från den mänskliga organismen - har varit inblandad i spridningen av inflammation hos patienter med inflammatorisk tarmsjukdom (IBD). Faktum är att risken för återfall i både Crohns sjukdom (CD) och ulcerös kolit (UC) ökar i närvaro av både akut och kronisk stress. Mekanismen som föreslås för detta fenomen inkluderar stressens förmåga att inducera en nedbrytning av tarmbarriärfunktionen via mastcell- och kortikotropinfrisättande hormon (CRH)-beroende vägar. Denna störning av tarmbarriären har demonstrerats experimentellt hos människor som använder stressparadigm som kan likställas med de relativt milda stressande händelserna som upplevs i vardagen.

Det autonoma nervsystemet (ANS) verkar spela en avgörande roll i stressinducerade förändringar i tarmpermeabiliteten. Flera in vitro och in vivo murina modellstudier har bekräftat att både akut och kronisk stress (inducerad i en mus av olika stressparadigm såsom återhållsamhet och vattenemersion) kan främja ökad intestinal permeabilitet. Den underliggande mekanismen verkar vara via störningen av tight junction-proteiner längs det paracellulära utrymmet i tarmepitelet. Störningen av tight junctions i dessa stressparadigmmodeller är beroende av acetylkolin och CRH. Denna effekt på intestinal permeabilitet verkar återhämta sig inom 4 dagar i murina modeller.

Liknande förändringar har beskrivits i mänskliga modeller av akut stress. Barclay och Turnberg visade först att intestinal absorption av salt och vatten minskade hos friska deltagare som svar på akut stress inducerad av ett kortsiktigt stressorparadigm. I denna studie använde de dikotomt lyssnande som den fysiologiska stressfaktorn, där deltagaren uppmanas att lyssna på två typer av olika musikgenrer i varje öra samtidigt som de genomförde en mentalt utmanande uppgift. Dessa fysiologiska absorptionsförändringar av tarmens barriärfunktion visade sig vara medierade av en kolinergberoende mekanism. Samma författare visade senare liknande effekter med det fysiska stressparadigmet av köldinducerad smärta hos friska frivilliga. Även om faktiska intestinala permeabilitetsförändringar inte mättes vid den tiden, är en trolig mekanism för permeabilitetsförändringar relaterade till dessa förändringar i elektrolytflödet via claudin-2 paracellulära kanalen, som sedan har beskrivits. Konfigurationen av denna kanal är relaterad till jonflöde över tarmepitelet och skulle därför göra epitelet mer permeabelt i tider av elektrolytflöde. I nyare studier som använder samma paradigm för kallsmärta, var förändringar i tarmpermeabilitet parallella med frisättningen av produkter av mastcellsdegranulering, tryptas och histamin. Sådana förändringar i intestinal permeabilitet inducerade av akut stress efterliknades av perifer administrering av CRH och kunde vändas genom administrering av mastcellstabilisatorer.

En nyckelroll för det parasympatiska nervsystemet i störningen av intestinal permeabilitet av allvarlig fysiologisk stress härleddes från effekterna av vagus nervstimulering i djurmodeller. Stimulering av den cervikala vagusnerven i 10 minuter innan de gav möss en allvarlig brännskada skyddade dem från störningar i tarmbarriären och ökat uttryck av intestinalt glialfibrillärt surt protein (FGAP), en markör för glialaktivering i det enteriska nervsystemet, in vitro och in vivo. effekten var sannolikt, åtminstone delvis, på grund av en α7-acetylkolinreceptorberoende mekanism som visades i både odlade tarmepitelceller såväl som i enteriska gliaceller. Ytterligare studier har sedan dess stött denna skyddande effekt av vagusnervstimulering, vilket tyder på en roll för bevarandet av antalet dendritiska celler i mesenterial lymfan som en annan potentiell mekanism. Dessutom verkade den skyddande effekten på epitelslemhinnan vara via en lokal- inducerad mekanism på tarmen snarare än att vara beroende av en mjältmedierad process eftersom den skyddande effekten höll i sig hos möss som splenektomerats. Stimulering av det parasympatiska nervsystemet via vagusnerven tycks därför spela en skyddande roll vid modulering av tarmbarriärfunktionen med experimentella bevis som antyder dess förmåga att vända stressinducerade förändringar i intestinal permeabilitet.

Dessa resultat är av betydande intresse med tanke på att det senaste decenniet har sett ett antal studier som stöder teorin om störning av tarmbarriären i patogenesen av IBD. Dessutom kan detektionen av antikroppar riktade mot mikrobiella antigener (såsom 'ASCA' - epitoper av Saccharomyces) cerevisiae och Flagellin CBir1) finns i serum hos patienter före utvecklingen av IBD - vilket tyder på en störning av tarmbarriärfunktionen innan sjukdomen debuterade. Dessutom anses en genetisk predisposition för störning av tarmbarriären vara en predisponerande faktor för utvecklingen av IBD. Med tanke på att det verkar som att ANS har en betydande roll att spela i upprätthållandet av tarmbarriärfunktionen, skulle det vara rimligt att dra slutsatsen att förändringar inom ANS hos en mottaglig individ åtminstone delvis kan vara inblandad i utvecklingen och uppblossningarna av IBD.

Flera serologiska markörer och urinmarkörer har validerats som användbara verktyg för att mäta intestinala permeabilitetsförändringar in vivo. Dessa inkluderar lipopolysackaridbindande protein (LBP), CD-14 och fettsyrabindande protein av tarmtyp (I-FABP) i serumet, såväl som en oralt administrerad dubbel sockerlösning och dess biprodukter i serum och urin . Löslig CD-14 och LBP är en del av den inflammatoriska signalvägen för LPS, så deras nivåer i serum har visat sig vara objektiva markörer för systemisk immunaktivering och skada på tarmepitel. I-FABP är ett intracellulärt protein som uttrycks i epitelcellerna i slemhinneskiktet i tunn- och tjocktarmsvävnaden och är benäget att läcka in i blodomloppet från enterocyterna när tarmslemhinnan skadas. Det orala dubbla sockertestet använder laktulos och rhamnos som absorberas differentiellt i tarmen och utsöndras i urinen. Förhållandet mellan laktulos och rhamnos i urin och serum kan användas som ett mått på tunntarmspermeabilitet när urinen samlas upp i två timmar efter intag av testlösningen.

Den terapeutiska effekten av vagusnervstimulering vid dysfunktion i tarmbarriären är ett viktigt studieområde eftersom det kan leda till en ny och billig metod för behandling av tillstånd associerade med störning av tarmbarriären. Hos människor är den aurikulära grenen av vagusnerven belägen direkt under huden, vilket gör den till ett lämpligt mål för transkutan stimulering. En anordning för transkutan elektrisk nervstimulering (TENS) är således ett lämpligt icke-invasivt verktyg för undersökning av transkutan vagal nervstimulering (tVNS) för minskning av intestinal permeabilitet hos människor och har använts i ett antal studier som använder tekniken för tVNS i vårt laboratorium.

Kortikotropinfrisättande hormon (CRH) utsöndras naturligt från den friska mänskliga hypotalamus under perioder av stress. Intravenöst administrerad CRH har fördelen av att ha en kort halveringstid och används rutinmässigt kliniskt vid diagnos av Cushings syndrom. Nya bevis har visat att injicering av CRH intravenöst tillförlitligt och avsevärt ökar tarmpermeabiliteten hos friska frivilliga utan några signifikanta negativa effekter. Denna modell kommer att användas för att inducera ökad intestinal permeabilitet hos friska mänskliga frivilliga för att testa hypotesen att förbehandling med vagusnerven stimulering kan minska graden av intestinal permeabilitet inducerad av CRH.