The direct and systemic influence of immunosuppressive drugs on intestinal glucose absorption, barrier function and chloride secretion in rat models

Abstract

Transplantation is nowadays an optimal treatment for multiple end stage organ diseases. However, a lifelong immunosuppressive therapy is still necessary to prevent cellular and humoral rejection of the transplanted organ. This therapy is accompanied by serious side effects such as diarrhea. The impact of diarrhea can be significant due to patient dehydration and low quality of life. However most important is the poor outcome due to reduction or withdrawal of the immunosuppressive drugs (ISD) when diarrhea occurs. There are five pathomechanisms leading to diarrhea: motility disorder, defect of the absorption mechanisms of i.e. lactulose (osmotic), malabsorption of nourishments (malabsorptive), increased chloride ion secretion (secretory), and impaired bowel barrier function (leak flux diarrhea). In the transplanted patient, bacterial overgrowth and influence of the ISD can induce diarrhea. In this study, malabsorptive, secretory and leak flux diarrhea were analyzed in the rat model. ISD nowadays used in the clinical practice were analyzed: Cyclosporine A (CyA), tacrolimus (TAC), mycophenolate mofetil (MMF), enteric coated mycophenolic acid (EC-MPA), sirolimus (SIR), everolimus (EVE) and FTY 720. To assess the bowel transport and barrier function, the Ussing chamber method was used. The study was divided into two parts: direct (DES) and oral exposition study (OES). Male Wistar rats were used for all experiments. In the DES, the proximal jejunum of the rat was prepared and incubated for one hour with a low or high (toxic) concentration of the ISD. In the OES the rats were treated with a low or high therapeutic dose of the ISD. Afterwards glucose absorption, chloride secretion and barrier function of the jejunum, and chloride secretion, barrier function and sodium absorption of the late distal colon were measured. In the CyA groups, no significant changes of the measured parameters were noticed. Rats treated with tacrolimus developed alterations of the glucose absorption, which was dose-dependent (OES). MMF caused impairment of the small bowel barrier function (OES) and a decrease of the chloride secretion in the small bowel (DES). In the case of EC-MPA, impaired small bowel barrier function and showed a tendency to reduce the glucose absorption capacity (OES). SIR did not change significantly any of the measured parameters. Rats treated with EVE developed global dysfunction of the small bowel. Reduced glucose absorption, dose-dependent impaired small bowel barrier function and diminished chloride secretion (OES) were observed. FTY 720 had no significant influence on the small bowel transport or barrier function. In conclusion, the direct exposition to the toxic dose of MMF, EC-MPA (chloride secretion) and EVE (small bowel barrier function) altered the small bowel transport or barrier function. TAC, MMF, EC-MPA as well as EVE significantly impaired the small bowel barrier or transport function after 14 days of treatment. Those effects were dose-dependent in the case of TAC and EVE. The combination therapy with TAC, MMF, EC-MPA or EVE might lead to accumulation of adverse effects on the bowel by rat.

Die Organtransplantation stellt heutzutage die Therapie der ersten Wahl für finale Dysfunktion unterschiedlicher Organe dar. Die lebenslange immunsuppresive Therapie ist hierbei jedoch notwendig um die zelluläre und humorale Rejektion zu vermeiden. Diese Therapie wird von schweren Nebenwirkungen wie der Diarrhö begleitet. Diarrhö kann durch die Dehydratation des Patienten und Verschlechterung der Lebensqualität zu einem bedeutsamen Problem werden. Die Langzeitergebnisse und das Organüberleben wird durch die Reduktion oder das Absetzen der immunsuppressiven Therapie, die durch das Auftreten von Diarrhöen notwendig werden, signifikant schlechter. Einer Diarrhö können fünf Pathomechanismen zugrunde liegen: Motilitätsdysfunktion, Absorptionsstörungen von z.B. Lactulose (osmotische-), Malabsorption von Nährstoffen (malabsorptive-), verstärkte Chloridsekretion (sekretorische-) und Beeinträchtigung der Darmbarrierefunktion (Leak-Flux Diarrhö). Im Transplant- Setting kann eine Diarrhö durch eine bakterielle Überwucherung oder den Einfluss von immunsuppressiven Medikamenten (ISD) verursacht werden. Im Rahmen dieser Studie wurden eine malabsorptive, sekretorische, und eine Leak-Flux Diarrhö im Rattenmodel untersucht. Die heutzutage gängigen ISD wurden analysiert: Cyclosporin A (CyA), Tacrolimus (TAC), Mycopenolate Mophetil (MMF), Enteric Coated Mycophenolatsäure (EC-MPA), Sirolimus (SIR), Everolimus (EVE) sowie das noch nicht eingeführte FTY 720 (FTY). Um die Darmfunktionen zu untersuchen wurde in der Studie die Ussing-Kammern Methode verwendet. Es wurde zwei Versuchsserien unternommen: eine direkte- (DES) und eine orale Expositionsstudie (OES). Hierzu dienten männliche Wistar Ratten als Versuchstiere. In der DES wurde das proximale Jejunum entnommen und über eine Stunde mit einem der Medikamente in niedrigen- oder hohen (toxischen) Konzentration bebrütet. In der OES wurden die Ratten in niedrigen oder hohen Dosen über 14 Tage oral behandelt. Danach wurde die Absorption von Glukose, die Sekretion von Chlorid und die Barrierefunktion im proximalen Jejunum, sowie die Sekretion vom Cholrid, die Barrierefunktion und Natrium Absorption im distalen Kolon untersucht. In der CyA Gruppen konnte keine signifikante Änderungen der untersuchten Parameter beobachtet werden. Die Ratten die mit TAC behandelt wurden entwickelten eine Glukoseabsorptionsstörung, die Dosisabhängig war (OES). Die Therapie mit MMF verursachte bei den Tieren eine gestörte Dünndarmbarrierefunktion (OES), sowie eine verminderte Sekretion vom Chlorid (DES). Die 14 tägige Behandlung mit EC-MPA verursachte eine geringgradige Dysfunktion der Dünndarmbarrierefunktion, sowie eine tendenziell verminderte Glukoseabsorptionskapazität. In der SIR Gruppen konnte keine Veränderung der gemessenen Parameter beobachtet werden. Die Ratten, die mit EVE behandelt wurden entwickelten eine globale Dysfunktion des Dünndarms. Eine reduzierte Absorption vom Glukose, eine Dosisabhängige eingeschränkte Dysfunktion der Dünndarmbarriere und eine reduzierte Sekretion vom Chlorid konnte ebenfalls beobachtet werden. Die mit FTY720 behandelten Tiere wiesen keine Pathologien der gemessenen Dünn- und Dickdarmfunktionen auf. Zusammengefasst ist anzumerken, dass eine direkte Exposition mit toxischen Dosen vom MME, EC-MPA und EVE die Transport- oder Barriere Funktion des Dünndarms beeinträchtigt. Die 14 tägige Therapie mit TAC, MMF, EC-MPA sowie mit EVE schränkte die Darmbarriere- oder Transportfunktionen signifikant ein. Diese Effekte waren im Falle vom EVE und TAC signifikant Dosisabhängig. Eine Kombinationstherapie mit TAC, MMF, EC-MPA oder EVE kann zur Kumulation der gastrointestinalen Nebenwirkungen führen.