Intestinal barrier dysfunction always accompanies cirrhosis in patients with advanced liver disease and is an important contributor facilitating bacterial translocation (BT), which has been involved in the pathogenesis of cirrhosis and its complications. Several studies have demonstrated the protective effect of Vitamin D on intestinal barrier function. However, severe cholestasis leads to vitamin D depletion. This study was designed to test whether vitamin D therapy improves intestinal dysfunction in cirrhosis. Rats were subcutaneously injected with 50% sterile $CCl_4$ (a mixture of pure $CCl_4$ and olive oil, 0.3 mL/100 g) twice a week for 6 weeks. Next, $1,25(OH)_2D_3$ ($0.5{\mu}g/100g$) and the vehicle were administered simultaneously with $CCl_4$ to compare the extent of intestinal histologic damage, tight junction protein expression, intestinal barrier function, BT, intestinal proliferation, apoptosis, and enterocyte turnover. Intestinal heme oxygenase-1 (HO-1) expression and oxidative stress were also assessed. We found that vitamin D could maintain intestinal epithelial proliferation and turnover, inhibit intestinal epithelial apoptosis, alleviate structural damage, and prevent BT and intestinal barrier dysfunction. These were achieved partly through restoration of HO-1 and inhibition of oxidative stress. Taken together, our results suggest that vitamin D ameliorated intestinal epithelial turnover and improved the integrity and function of intestinal barrier in $CCl_4$-induced liver cirrhotic rats. HO-1 signaling activation was involved in these above beneficial effects.
The mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway controls intestinal epithelial barrier permeability by regulating tight junctions (TJs) and epithelial cells damage. Heme oxygenase-1 (HO-1) and carbon monoxide (CO) protect the intestinal epithelial barrier function, but the molecular mechanism is not yet clarified. MAPK activation and barrier permeability were studied using monolayers of Caco-2 cells treated with tissue necrosis factor α (TNF-α) transfected with FUGW-HO-1 or pLKO.1-sh-HO-1 plasmid. Intestinal mucosal barrier permeability and MAPK activation were also investigated using carbon tetrachloride (CCl4) administration with CoPP (a HO-1 inducer), ZnPP (a HO-1 inhibitor), CO releasing molecule 2 (CORM-2), or inactived-CORM-2-treated wild-type mice and mice with HO-1 deficiency in intestinal epithelial cells. TNF-α increased epithelial TJ disruption and cleaved caspase-3 expression, induced ERK, p38, and JNK phosphorylation. In addition, HO-1 blocked TNF-α-induced increase in epithelial TJs disruption, cleaved caspase-3 expression, as well as ERK, p38, and JNK phosphorylation in an HO-1-dependent manner. CoPP and CORM-2 directly ameliorated intestinal mucosal injury, attenuated TJ disruption and cleaved caspase-3 expression, and inhibited epithelial ERK, p38, and JNK phosphorylation after chronic CCl4 injection. Conversely, ZnPP completely reversed these effects. Furthermore, mice with intestinal epithelial HO-1 deficient exhibited a robust increase in mucosal TJs disruption, cleaved caspase-3 expression, and MAPKs activation as compared to the control group mice. These data demonstrated that HO-1-dependent MAPK signaling inhibition preserves the intestinal mucosal barrier integrity by abrogating TJ dysregulation and epithelial cell damage. The differential targeting of gut HO-1-MAPK axis leads to improved intestinal disease therapy.
T-helper-17 (Th17) cells and related IL-17-producing (type17) lymphocytes are abundant at the epithelial barrier. In response to bacterial and fungal infection, the signature cytokines IL-17A/F and IL-22 mediate the antimicrobial immune response and contribute to wound healing of injured tissues. Despite their protective function, type17 lymphocytes are also responsible for various chronic inflammatory disorders, including inflammatory bowel disease (IBD) and colitis associated cancer (CAC). A deeper understanding of type17 regulatory mechanisms could ultimately lead to the discovery of therapeutic strategies for the treatment of chronic inflammatory disorders and the prevention of cancer. In this review, we discuss the current understanding of the development and function of type17 immune cells at the intestinal barrier, focusing on the impact of microbiota-immune interactions on intestinal barrier homeostasis and disease etiology.
In the present study, a pharmacokinetic model to address the effects of the diffusional barrier between splanchnic bed and enterocytes on the extent of presystemic and systemic intestinal elimination of drugs was developed. The model is composed of five compartments, ie., gut lumen, enterocyte, splanchnic bed, liver and central compartments. The equations for various pharmacokinetic parameters important for estimating the quantitative differences between presystemic and systemic intestinal and hepatic elimination of drugs were derived. A simulation study demonstrated that the diffusions[ barrier present between splanchnic blood and enterocytes can have significant effects on oral bioavailability and systemic clearance of drugs. In conclusion, the model can be useful for a better understanding of the effects of diffusional barrier on the extent of administration-route dependent intestinal and hepatic elimination of drugs, especially those with high hydrophilicity and/or charge(s) under physiological conditions.
The intestinal barrier function disrupted in sepsis, while little is known about the variation in different phases of sepsis. In this study, mouse models of sepsis were established by caecal ligation and puncture (CLP). The H&E staining of sections and serum diamine oxidase concentration were evaluated at different timepoint after CLP. TUNEL assay and EdU staining were performed to evaluate the apoptosis and proliferation of intestinal epithelium. Relative protein expression was assessed by Western blotting and serum concentrations of pro-inflammatory cytokines was measured by ELISA. The disruption of intestinal barrier worsened in the first 24 h after the onset of sepsis and gradually recovered over the next 24 h. The percentage of apoptotic cell increased in the first 24 h and dropped at 48 h, accompanied with the proliferative rate of intestinal epithelium inhibited in the first 6 h and regained in the later period. Furthermore, the activity of nuclear factor kappa B (NF-κB) presented similar trend with the intestinal barrier function, shared positive correction with apoptosis of intestinal epithelium. These findings reveal the conversion process of intestinal barrier function in sepsis and this process is closely correlated with the activity of NF-κB signaling.
Inflammatory bowel disease (IBD) is a global disease that is in increasing incidence. The gut, which contains the largest amount of lymphoid tissue in the human body, as well as a wide range of nervous system components, is integral in ensuring intestinal homeostasis and function. By interacting with gut microbiota, immune cells, and the enteric nervous system, the intestinal barrier, which is a solid barrier, protects the intestinal tract from the external environment, thereby maintaining homeostasis throughout the body. Destruction of the intestinal barrier is referred to as developing a "leaky gut," which causes a series of changes relating to the occurrence of IBD. Changes in the interactions between the intestinal barrier and gut microbiota are particularly crucial in the development of IBD. Exploring the leaky gut and its interaction with the gut microbiota, immune cells, and the neuroimmune system may help further explain the pathogenesis of IBD and provide potential therapeutic methods for future use.
Gu, Min Jeong;Song, Sun Kwang;Park, Sung Moo;Lee, In Kyu;Yun, Cheol-Heui
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.27
no.4
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pp.580-586
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2014
Intestinal epithelial cells (IECs) forming the barrier for the first-line of protection are interconnected by tight junction (TJ) proteins. TJ alteration results in impaired barrier function, which causes potentially excessive inflammation leading to intestinal disorders. It has been suggested that toll-like receptor (TLR) 2 ligands and some bacteria enhance epithelial barrier function in humans and mice. However, no such study has yet to be claimed in swine. The aim of the present study was to examine whether Bacillus subtilis could improve barrier integrity and protection against deoxynivalenol (DON)-induced barrier disruption in porcine intestinal epithelial cell line (IPEC-J2). We found that B. subtilis decreased permeability of TJ and improved the expression of zonula occludens (ZO)-1 and occludin during the process of forming TJ. In addition, ZO-1 expression of IPEC-J2 cells treated with B. subtilis was up-regulated against DON-induced damage. In conclusion, B. subtilis may have potential to enhance epithelial barrier function and to prevent the cells from DON-induced barrier dysfunction.
To investigate the role of polysaccharide from Acanthopanax senticosus (ASPS) in preventing lipopolysaccharide (LPS)-induced intestinal injury, 18 mice (at 5 wk of age) were assigned to three groups with 6 replicates of one mouse each. Mice were administrated by oral gavage with or without ASPS (300 mg/kg body weight) for 14 days and were injected with saline or LPS at 15 days. Intestinal samples were collected at 4 h post-challenge. The results showed that ASPS ameliorated LPS-induced deterioration of digestive ability of LPS-challenged mice, indicated by an increase in intestinal lactase activity (45%, p<0.05), and the intestinal morphology, as proved by improved villus height (20.84%, p<0.05) and villus height:crypt depth ratio (42%, p<0.05), and lower crypt depth in jejunum (15.55%, p<0.05), as well as enhanced intestinal tight junction proteins expression involving occludin-1 (71.43%, p<0.05). ASPS also prevented intestinal inflammation response, supported by decrease in intestinal inflammatory mediators including tumor necrosis factor ${\alpha}$ (22.28%, p<0.05) and heat shock protein (HSP70) (77.42%, p<0.05). In addition, intestinal mucus layers were also improved by ASPS, as indicated by the increase in number of goblet cells (24.89%, p<0.05) and intestinal trefoil peptide (17.75%, p<0.05). Finally, ASPS facilitated mRNA expression of epidermal growth factor (100%, p<0.05) and its receptor (200%, p<0.05) gene. These results indicate that ASPS can prevent intestinal mucosal barrier injury under inflammatory conditions, which may be associated with up-regulating gene mRNA expression of epidermal growth factor and its receptor.
Li, Guo-Xun;Wang, Xi-Mo;Jiang, Tao;Gong, Jian-Feng;Niu, Ling-Ying;Li, Ning
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.19
no.1
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pp.1-7
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2015
Our previous study has shown berberine prevents damage to the intestinal mucosal barrier during early phase of sepsis in rat through mechanisms independent of the NOD-like receptors signaling pathway. In this study, we explored the regulatory effects of berberine on Toll-like receptors during the intestinal mucosal damaging process in rats. Male Sprague-Dawlay (SD) rats were treated with berberine for 5 d before undergoing cecal ligation and puncture (CLP) to induce polymicrobial sepsis. The expression of Toll-like receptor 2 (TLR 2), TLR 4, TLR 9, the activity of nuclear factor-kappa B ($NF-{\kappa}B$), the levels of selected cytokines and chemokines, percentage of cell death in intestinal epithelial cells, and mucosal permeability were investigated at 0, 2, 6, 12 and 24 h after CLP. Results showed that the tumor necrosis factor-${\alpha}$ (TNF-${\alpha}$) and interleukin-6 (IL-6) level were significantly lower in berberine-treated rats compared to the control animals. Conversely, the expression level of tight junction proteins, percentage of cell death in intestinal epithelial cells and the mucosal permeability were significantly higher in berberine-treated rats. The mRNA expression of TLR 2, TLR 4, and TLR 9 were significantly affected by berberine treatment. Our results indicate that pretreatment with berberine attenuates tissue injury and protects the intestinal mucosal barrier in early phase of sepsis and this may possibly have been mediated through the TLRs pathway.
Dysregulation of inflammation induced by noninfectious stress conditions, such as nutrient deprivation, causes tissue damage and intestinal permeability, resulting in the development of inflammatory bowel diseases. We studied the effect of autophagy on cytokine secretion related to intestinal permeability under nutrient deprivation. Autophagy removes NLRP3 inflammasomes via ubiquitin-mediated degradation under starvation. When autophagy was inhibited, starvation-induced NLRP3 inflammasomes and their product, IL-1β, were significantly enhanced. A prolonged nutrient deprivation resulted in an increased epithelial mesenchymal transition (EMT), leading to intestinal permeability. Under nutrient deprivation, IL-17E/25, which is secreted by IL-1β, demolished the intestinal epithelial barrier. Our results suggest that an upregulation of autophagy maintains the intestinal barrier by suppressing the activation of NLRP3 inflammasomes and the release of their products, including pro-inflammatory cytokines IL-1β and IL-17E/25, under nutrient deprivation.
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