Assessment of an adapter modified Ussing chamber for evaluation of endoscopically obtained duodenal and colonic biopsy samples from cats and dogs

Abstract

Chronic enteropathies in companion animals occur frequently. Due to a lack of information regarding the pathophysiology of these disorders, better characterization of these disorders is warranted. Ussing chambers have been used to study intestinal membrane transport in many species. Since studies using a conventional circulating Ussing chamber require the collection of large tissue specimens, such studies have rarely been undertaken in small animal patients with spontaneously occurring gastrointestinal diseases. In order to overcome this disadvantage, an adapter modified Ussing chamber was investigated for evaluation of endoscopically obtained duodenal and colonic biopsies from dogs and cats in this study. Seventeen duodenal biopsies from five cats, 16 colonic biopsies from four cats, 51 duodenal biopsies from 14 dogs, and 13 colonic biopsies from four dogs were analyzed in the adapter modified Ussing chamber. Canine duodenal samples were grouped according to the WSAVA scoring system in combination with the presence of clinical symptoms. Group 1 was made up for healthy individuals (WSAVA score <2.7; n=8), group 2 was made up for animals exhibiting clinical signs of gastrointestinal disease, accompanied with histopathologically unremarkable biopsy samples (WSAVA score <2.7; n=15), group 3 was made up for dogs that showed clinical signs of gastrointestinal diseases and moderate to severe histopathological lesions (WSAVA score >3.0, n=32). All biopsies were sequentially exposed to 40 mM glucose, 500 µM phloridzin, 200 µM histamine, 200 µM 5-hydroxytryptamine (5-HT), 4 µM prostaglandin (PGE2), and 5 µM forskolin. If the intestinal biopsy showed a response to the initial glucose stimulus, 40 mM glucose was once again applied at the end of the study in order to assess biopsy viability. Finally, the experiment was terminated by application of 600 µM ouabain. Voltage (mV) and the membrane-generated short circuit current (Isc) were constantly recorded. To calculate the resistance, current pulses until reaching 18 µA were induced every 10 s for 0.5 s. Isc was measured in microamperes (µA), and conductance (mS/cm2) was calculated as the reciprocal value of resistance. 78.6% of all feline duodenal samples , 60.0% of all feline colonic samples, 49.0% of all canine duodenal samples, and 92.3% of all canine colonic samples responded to at least one chemical reagent by an appropriate change in Isc. In the canine duodenal biopsy subgroups, the rate of overall response ranged from 87.5% (group 1), to 63.3% (group 2), and 28.1% for biopsies of dogs of group 3. Mean conductance of biopsies of all groups increased as the study progressed, indicating loss of tissue integrity over time. A high variation of conductance, baseline current, and the amplitude of current change could be observed within every group, within samples from the same animal, and for all substances that were applied. It can be concluded, that duodenal and colonic biopsies of canine as well as feline patients maintain their transport ability ex vivo when quickly transferred into the modified Ussing chamber. The adapter modified Ussing chamber permits the use of distinct substances and the investigation of intestinal ion transport. This study demonstrates that the adapter modified Ussing chamber has the potential for becoming a valuable research tool in the study of duodenal and colonic transport in both healthy and diseased dogs and cats, but, because of the large variability, is of limited clinical use. Investigation of larger study populations, follow-up studies, as well as long term studies is warranted.

Kleine Haustiere erkranken häufig an chronischen Enteropathien. Da die Pathophysiologie dieser Erkrankungen nicht ausreichend erforscht ist, ist eine genauere Untersuchung dieser Problematik von Interesse. Ussingkammern werden verwendet, um den intestinalen Membrantransport zu studieren. Herkömmliche Ussingkammern benötigen relativ große Gewebeproben, weshalb solche Untersuchungen bei Hunden und Katzen nur selten durchgeführt werden. Um diesen Nachteil zu umgehen, war das Ziel dieser Studie die Evaluierung einer Adapter- modifizierten Ussingkammer für die Untersuchung endoskopisch entnommener Duodenal- und Kolonbioptate von Hund und Katze. Siebzehn Duodenalbioptate von fünf Katzen, 16 Kolonbioptate von vier Katzen, 51 Duodenalbioptate von 14 Hunden und 13 Kolonbioptate von vier Hunden wurden in der Adapter- modifizierten Ussingkammer analysiert. Die Duodenalproben von Hunden wurden mit Hilfe des WSAVA-Klassifizierungssystems in Kombination mit dem Auftreten gastrointestinaler Symptome in drei verschiedene Gruppen unterteilt. Gruppe 1 bestand aus gesunden Hunden (WSAVA-Index <2.7; n=8), Gruppe 2 bestand aus klinisch erkrankten Hunden ohne besondere histopathologische Befunde (WSAVA- Index <2.7; n=15), Gruppe 3 bestand aus klinisch erkrankten Hunden mit moderaten bis hochgradigen histopathologischen Veränderungen (WSAVA-Index >3.0, n=32). Alle Bioptate wurden nacheinander 40 mM Glukose, 500 µM Phloridzin, 200 µM Histamin, 200 µM 5-Hydroxytryptamin (5-HT), 4 µM Prostaglandin (PGE2) und 5 µM Forskolin ausgesetzt. Im Falle, dass das Bioptat auf die initiale Glukosezugabe reagierte, wurde gegen Ende des Experiments nochmals 40 mM Glukose verabreicht. Der Versuch wurde jeweils durch die Zugabe von 600 µM Ouabain beendet. Die elektrische Spannung (mV) und der von der Membran produzierte Kurzschlussstrom (Isc) wurden kontinuierlich gemessen. Um den Widerstand berechnen zu können, wurden im zehn Sekunden-Takt über die Dauer von jeweils 0.5 s Strompulse bis zu einer Stärke von 18 µA verabreicht. Isc wurde in Mikroamper (µA) gemessen und die Leitfähigkeit (mS/cm2) der Gewebeprobe wurde aus dem reziproken Wert des Widerstandes errechnet. 78.6% aller felinen Duodenalbioptate, 60.0% aller felinen Kolonbioptate, 49.0% aller caninen Duodenalbioptate und 92.3% aller caninen Kolonbioptate reagierten mit einer angemessenen Änderung des Isc auf mindestens eine Substanz. Diese Reaktionsrate variierte je nach Untergruppe der kaninen Duodenalproben zwischen 87.5% (Gruppe 1), über 63.3% (Gruppe 2), bis hin zu 28.1% bei Bioptaten von Hunden der Gruppe 3. Die mittlere Leitfähigkeit der Bioptate erhöhte sich in allen Gruppen während der Dauer des Versuchs. Dies lässt auf einen zunehmenden Verlust der Zellintegrität der Bioptate schließen. Eine große Variation der Leitfähigkeit, der ursprünglichen Stromstärke, sowie der Amplitude der Stromstärkenänderung konnte in jeder der untersuchten Gruppen, in den Bioptaten von jedem Tier, sowie bei jeder applizierten Substanz beobachtet werden. Aufgrund dieser Ergebnisse kann folgende Schlussfolgerung gezogen werden: Sowohl kanine als auch feline Duodenal- und Kolonbioptate halten ihre Transportfähigkeit nach Verbringen in die modifizierte Ussingkammer ex vivo aufrecht. Die Adapter-modifizierte Ussingkammer ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Substanzen zur Analyse des intestinalen Ionentransports. Diese Studie demonstriert die Möglichkeit des Einsatzes der Adapter-modifizierten Ussingkammer zur Untersuchung der intestinalen Transportfunktion bei gesunden und kranken Hunden und Katzen. Das Instrument könnte sich besonders für wissenschaftliche Fragestellungen eignen, der klinische Gebrauch ist aufgrund der großen individuellen Ergebnisvariation eingeschränkt. Die Untersuchung größerer Studienpopulationen, verlaufskontrollierte Untersuchungen, sowie Langzeitstudien sollten mit dieser Methode durchgeführt werden.