Zinkmangel und Zinkergänzung können eine wichtige Rolle bei der Ätiologie und Therapie von verschiedenen Magen-Darm-Erkrankungen spielen. Klinische Studien belegen, dass eine Zink-Supplementierung die Dauer und Intensität von Durchfallepisoden mindert. α-Hämolysin-(HlyA)-produzierende E. coli können fokale Läsionen im Kolon-Epithel hervorrufen, durch die Bakterien und Antigene translozieren, wodurch HlyA als ein Virulenzfaktor für die Pathogenese von Kolitis entlang des Leaky-Gut-Konzeptes charakterisiert werden kann. Ziel dieser Studie war, das therapeutische Potenzial von Zink in einer HlyA- induzierten, gastrointestinalen Erkrankung zu charakterisieren und die Fähigkeit von Zink aufzuzeigen, intestinale fokale Läsionen in einem Infektions-Mausmodell und in infizierten Kolon-Zelllinien zu verhindern. Um die Effekte von Zink als eine Therapieoption in einem Tiermodell mit einer HlyA-induzierten Darmbarrierestörung zu analysieren, führten wir in vivo Experimente durch. Keimfreie Mäuse wurden oral mit HlyA-exprimierendem E. coli-536 oder der α-Hämolysin-defizienten Mutante (HDM) als Kontrollgruppe kolonisiert und mit einer definiert-normalen oder therapeutisch hoch gewählten Zink-Diät (ZnCO3 mit 15 bzw. 500 mg/kg Nahrung) versorgt. Die Barriere Eigenschaften der Mausdärme wurden in Ussing-Kammer-Experimenten untersucht. Das Auftreten von fokalen Läsionen im Dickdarm wurde durch konfokale Laser- Scanning-Mikroskopie und die bakterielle Translokation durch Koloniezählung charakterisiert. Entzündungsparameter wurden klinisch, histologisch und mit einem Calprotectin-ELISA erfasst. HlyA-inkubierte Kolon-Epithelzellen, die mit Zink behandelt wurden, konnten hinsichtlich der Barriereintegrität durch den transepithelialen elektrischen Widerstand (TER) beurteilt werden. Der intrazelluläre Ca²+-Spiegel [Ca2+]i wurde durch Fura-2 gemessen und im Live Cell Imaging mittels Fluo-4 visualisiert. Ergebnisse des monokoloniserten Mausmodells, welches mit HlyA-produzierendem E. coli-536 infiziert war und eine physiologische Dosierung von Zink erhielt, zeigte eine beeinträchtigte Barriereintegrität im Vergleich zu der HDM-Kontrollgruppe. Bei HlyA- produzierenden E. coli-536-kolonisierten Mäusen, die therapeutisch hoch Zink- supplementiert waren, konnten die Epitheldefekte gemindert werden, was durch erhöhte TER-Werte und eine reduzierte Permeabilität für Makromoleküle (4 kDa FITC-Dextran) im Vergleich zu HlyA-infizierten Mäusen mit einer normalen Zinkverabreichung evident wurde. Verringerte Größe und Anzahl von epithelialen Läsionsflächen und eine verminderte bakterielle Translokation in Leber und Milz wurden bei HlyA+-infizierten Hoch-Zink-Mäusen im Vergleich zur Norm- Zinkgruppe beobachtet. Die Auswertung der Entzündungsindikatoren konnte eine Tendenz zu einer verminderten Inflammation in der Mukosa der Hoch-Zink-Gruppe aufzeigen. Darüber hinaus verhinderte die Anwendung von zweiwertigen Kationen wie Zink oder Barium auf HT-29/B6-Zellmonolayer den TER-Abfall, der bei HlyA+-E. coli-behandelten Zellen beobachtet wurde. Calciummessungen zeigten eine Zunahme des [Ca2+]i in HlyA-inkubierten Zellmonolayern, wohingegen mit Zink behandelte, infizierte Zellen nur einen verminderten Anstieg zeigten. Ebenfalls konnte die intrazelluläre HlyA-induzierte Ca2+ Erhöhung mit einer Exfoliation des Epithels assoziiert werden. Die Auswirkungen von E. coli-536 HlyA waren durch eine intestinale Barrierestörung mit epithelialen Läsionen, Intensivierung der bakteriellen Translokation, Antigenaufnahme (Leaky-Gut- Konzept) und pathologischer Exfoliation charakterisiert. Eine Zink- Supplementierung konnte vor HlyA-induzierten Läsionen in vivo und in vitro schützen, wodurch ein protektives Potential von Zink bei gastrointestinalen Störungen nachgewiesen wurde. Eine therapeutische Zinkergänzung beim Menschen mit intestinalen Barrierestörungen scheint demnach geeignet, wodurch eventuell auch nachfolgende Krankheitsepisoden verhindert werden könnten.
Zinc deficiency and zinc supplementation can play an important role in the etiology and therapy of various gastrointestinal disorders. Clinical studies showed that zinc supplementation reduces the duration and intensity of diarrheal episodes. α-haemolysin (HlyA)-producing E. coli can induce focal leaks in the colonic epithelium through which bacteria and antigens translocate, whereby HlyA can be characterized as a virulence factor for the pathogenesis of colitis along the leaky-gut concept. The aim of this study was to characterize the therapeutic potential of zinc in a HlyA-induced gastrointestinal disease and to demonstrate the ability of zinc to prevent intestinal focal leaks in an infection mouse model and in infected colon cell lines. In order to analyze the effects of zinc as a therapeutic option in a HlyA-induced intestinal barrier disturbance model, we performed in vivo experiments. Germ-free mice were colonized orally with HlyA-expressing E. coli-536 or the α-haemolysin-deficient mutant (HDM) as a control group and treated with a defined-normal or therapeutically highly selected zinc diet (ZnCO3 with 15 and 500 mg/kg, respectively). Barrier properties of the colonized mouse intestines were investigated in Ussing chamber experiments. The occurrence of focal leaks in the colon was characterized by confocal laser scanning microscopy and bacterial translocation by colony counting. Inflammation parameters were recorded clinically, histologically and with a calprotectin ELISA. HlyA-incubated colonic epithelial cells treated with zinc could be assessed for barrier integrity by transepithelial electrical resistance (TER). The intracellular Ca²+ level [Ca2+]i was measured by Fura-2 and visualized using Fluo-4 in Live Cell Imaging. Results of the monocolonized mouse model infected with HlyA-producing E. coli-536 and a physiological dose of zinc showed impaired barrier integrity compared to the HDM control group. In HlyA-producing E. coli 536 colonized mice, which were therapeutically highly zinc supplemented, the epithelial defects could be alleviated by increased TER values and reduced permeability to macromolecules (4 kDa FITC- dextran) compared to HlyA infected mice with a normal zinc administration. Reduced size and number of epithelial focal leak areas and decreased bacterial translocation in liver and spleen were observed in HlyA+ infected high-zinc mice compared to the standard zinc group. The evaluation of the inflammatory indicators showed a tendency to a reduced inflammation in the mucosa of the high-zinc group. In addition, the use of divalent cations such as zinc or barium on HT-29/B6 cell monolayers prevented the TER drop observed in HlyA+-E. coli-treated cells. Calcium measurements showed an increase in [Ca2+]i in HlyA-incubated cell monolayers, whereas zinc treated infected cells showed only a decreased elevation. The intracellular HlyA-induced Ca2+ elevation was also associated with exfoliation of the epithelium. The effects of E. coli-536 HlyA were characterized by intestinal barrier dysfunction with epithelial lesions, intensification of bacterial translocation, antigen uptake (leaky gut concept), and pathological exfoliation. Zinc supplementation was able to protect against HlyA-induced lesions in vivo and in vitro, demonstrating a protective potential of zinc in gastrointestinal disorders. Thus, a therapeutic zinc supplementation in humans with intestinal barrier defects seems appropriate, which could possibly also prevent subsequent disease seizures.
