Laurat und Melittin: Effekte im intestinalen Epithelzellmodell HT-29/B6

Abstract

Die Absorption von Medikamenten über das gastrointestinale Epithel kann sowohl trans- als auch parazellulär erfolgen, wird jedoch von spezifischen Substanzeigenschaften der eingesetzten Stoffe limitiert. In der Medikamentenentwicklung stellen dabei insbesondere hydrophile Substanzen eine Herausforderung dar, da sie anders als lipophile Moleküle nicht ohne spezifische Transportsysteme über die Zellmembran diffundieren können und sich somit eher für eine parazelluläre Passage durch den Interzellularspalt eignen. Diese Passage ist durch eine passive Permeabilität charakterisiert, die spezifisch über die barriereformenden Proteine der Tight Junction beeinflusst werden kann. In der Entwicklung von Absorptionsenhancern wird diesbezüglich die selektive, reversible Regulation der epithelialen Barriere angestrebt, die eine temporäre Passage von Makromolekülen und somit die gezielte Absorption eines Medikaments ermöglichen soll. Die mittelkettige Fettsäure Laurat, die u.a. natürlicherweise in Kuh-, Muttermilch und Palmfett vorkommt, sowie das xenobiotische Peptid Melittin aus dem Gift der Honigbiene werden derzeit als Absorptionsenhancer einer transepithelialen Medikamentenaufnahme diskutiert. Die genauen Wirkmechanismen sind bisher jedoch weder für Laurat noch Melittin vollständig verstanden. Das Ziel dieser Studie war die Analyse der Effekte von Laurat und Melittin auf die parazelluläre Permeabilität und die Proteine der Tight Junction in konfluenten Monolayern der intestinalen Epithelzelllinie HT-29/B6. Die Exposition mit 3,5 mM Laurat resultierte dabei in einem Absinken des transepithelialen Widerstands auf 50 % der Initialwerte. Dieser Effekt konnte im Rahmen einer Zwei-Wege-Impedanzspektroskopie vorrangig als Veränderung im parazellulären Anteil des transepithelialen Widerstands identifiziert werden. Die Lauratexposition führte zudem zu einer Zunahme der Permeabilität für Fluorescein (330 Da), während die Permeabilitäten für Biotin (600 Da) und FITC-Dextran (4 kDa) unter Lauratzugabe unverändert blieben. Immunhistochemisch zeigte sich für Laurat eine Abnahme von Claudin-5 in Tight- Junction-Komplexen, jedoch ohne Effekt auf weitere TJ-Proteine wie das Tricellulin, das als Barriereformer die parazelluläre Passage von Makromolekülen verhindert. Während die Zugabe von 0,3 μM Melittin ebenfalls einen Abfall des transepithelialen Widerstands auf 60 % der Initialwerte bewirkte, kam es zu keinem Anstieg der Permeabilität. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Fluxexperimente zeigte sich auch keine veränderte Proteinexpression bzw. -distribution unter Melittinzugabe. Melittin führte also zu keiner signifikanten Veränderung der Permeabilität und erwies sich somit nicht als geeigneter Kandidat für eine Verstärkung der Absorption in HT-29/B6-Zellen. Es zeigte sich jedoch, dass Laurat eine verbesserte Permeabilität für kleinere Moleküle bewirkt, ohne dabei die trizelluläre Barriere oder die Passage von Makromolekülen zu beeinflussen. Somit eignet sich Laurat als Absorptionsenhancer für eine größenselektive Medikamentenabsorption unter Erhalt der intakten Barrierefunktion des Epithels gegen größere Moleküle wie z.B. toxische und immunomodulatorische Noxen.

Drug absorption across the gastrointestinal epithelium can occur physiologically via transcellular and paracellular pathways, but may be limited by specific molecular traits. Hydrophilic drugs pose a special challenge in drug development as they cannot pass the lipid bilayer of the cell’s membrane without specific uptake mechanisms and depend on a paracellular passage through the intercellular space. This passage is characterized by a passive permeability that can be specifically modified through the barrier-forming proteins of the tight junction. In the context of optimizing systemic and organ-selective drug application methods, ab-sorption enhancement attempts the selective and reversible regulation of the epithelial intestinal barrier, thereby facilitating the temporary passage of macromolecules. Laurate, a medium-chain fatty acid, occuring in foods such as coconut oil, cow’s and human milk, as well as the xenobiotic peptide melittin, occurring in bee’s poison, have both come into focus as novel absorption enhancers improving transepithelial drug uptake. The mechanisms by which they affect the epithelial barrier, however, are not yet fully understood. The aim of this study was to analyze the effects of laurate and melittin on paracellular permeability and tight junction proteins in confluent monolayers of the intestinal epithelial cell line HT-29/B6. Exposure with 3.5 mM laurate resulted in a reversible decrease in transepithelial resistance down to 50 % of initial values, identified to be the result of an exclusive drop in paracellular resistance by two-path impedance spectroscopy. Laurate exposure induced an increase in the permeability for fluorescein (330 Da), whereas permeability for biotin (600 Da) or FITC-dextran (4 kDa) did not increase. Confocal laser-scanning microscopy revealed a decrease of claudin-5 within tight junction com-plexes for laurate, without effects on other barrier- forming tight junction proteins including tricellulin, a barrier former preventing the paracellular passage of macromolecules. While 0.3 μM melittin induced a drop in TER down to 60 % of initial values, permeability did not markedly increase. In accordance with the flux experiments, protein expression and distribution in melittin-exposed cells remained unchanged. In conclusion, Melittin does not induce any significant increase in permeability and is therefore not considered a candidate for absorption enhancement in HT-29/B6 cells. Laurate, however, induced increased paracellular permeability for smaller molecules without affecting either tricellular cell contacts or the paracellular passage of macromolecules. Laurate’s suitability as an enhancer of a size-selective drug uptake for smaller molecules suggests minimal adverse effects of an unwanted passage of larger compounds such as toxins and immunomodulatory agents.