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Apparatus for in vivo molecular imaging at cellular resolution in the intestine of mice

English title Apparatus for in vivo molecular imaging at cellular resolution in the intestine of mice
Applicant Wiest Reiner
Number 177087
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Department for BioMedical Research Abteilung Gastroenterologie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Physiology : other topics
Start/End 01.03.2018 - 28.02.2019
Approved amount 188'213.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Physiology : other topics
Immunology, Immunopathology

Keywords (8)

mucosal barrier; liver cirrhosis; salmonellosis; colorectal cancer; angiogenesis; gut-vascular barrier; inflammatory bowel disease; bacterial translocation

Lay Summary (German)

Lead
Der Darm erfüllt neben der absorptiven Funktion mehrere Barrierefunktionen, um ein gesundes, synergistisches, koordiniertes Zusammenleben mit dem Mikrobiom für den Menschen zu ermöglichen. Dabei kommen dem Schleim, dem Darmepithel und der Gefäss-barriere wesentliche Rollen zu. Eine Visualisation dieser Barrieren und deren Interaktion mit dem Mikrobiom in-vivo und auf zellulärer Ebene ist schwierig, wird aber durch das unten beschriebene Equipment (Cellvizio Dual Band System) ermöglicht. Ferner erlaubt die Methode ein konfokales Fluoreszenzimaging von zwei Wellenlängen simultan zur gleichen Zeit was für verschiedene Fragestellungen essentielle Möglichkeiten eröffnet.
Lay summary

Die sogenannte « probe-based confocal caser endomicroscopy” (pCLE) ist eine kürzlich entwickelte mikroskopische Imaging-Technik, mit welcher in-vivo detailierte Gewebeaufnahmen gemacht werden können. Der neue „Dual-band“ pCLE-Apparat von Cellvicio/Mauna-Kea erlaubt zudem nun auch die simultane Detektion von zwei Wellenlängen in Echtzeit. Hochauflösende Miniproben erlauben sogar die Visualisierung von einzelenen Immunzellen.

 

Data/video warden retrospektiv mittels spezieller Software ausgewertet. Die Vorteile des Systems in Hinblick auf die in-situ/in-vivo Mikroskopie sind insbesondere: i) Die verfügbaren Proben können auch via Endoskopie am Tier eingesetzt werden und ermöglichen daher longitudinale Untersuchungen am gleichen Tier unter verschiedenen Bedingungen und Behandlungen/Interventionen ii) die Anwenung bei transgenenen Reporter-Mäusen mit inkorporierten fluoreszeirenden Molekülen erlaubt die Visualizierung von zellulären Interaktionen in-vivo mit zudem iii) Evaluation von physiologischen und funktionellen Veränderungen im morphologisch-anatomischen in-vivo Kontext.

 

Wir planen den Apparat einzusetzen für die: i) Charakterisierung der intestinalen Mukus/Mukosa und Gefäss-barriere in Zusammenhang mit pathologischer bakterieller Translokation bei Leberzirrhose; ii) Evaluation der Mechansimen, welche die intestinale Pathologie bei Esrp1Triaka-mutierten Mäusen und AOM/DSS-behandelten Mäusen vermitteln -mit besonderem Augenmerk auf die Funktion tumorinfiltrierender Zellen; iii) Imaging der pathogenen bakteriellen epithelialen Infektion in verschiedenen Modellen und iv) Untersuchung der Effekte der Darmbakterien auf die intestinale Gefäss –und Lymphgefäss-Entwicklung physiologisch und bei portaler Hypertension.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts 

Das Projekt befasst sich mit Grundlagenforschung. Um die Mechanismen der verschiedenen Barrierefunktionen des Darmes in-vivo und auf zellulärer Ebene besser zu studieren und dies an verschiedenen Modellen und Krankheitszuständen zu evaluieren leistet der Cellivizio-Dual-Band-Apparat sehr gute Dienste. Allein mit der Untersuchung von ex-vivo, in-situ und/oder zellulären Modellen ist dies nicht möglich, komplementär dazu muss eben auch der Gesamtorganismus d.h. in-vivo berücksichtigt werden. 

Direct link to Lay Summary Last update: 02.05.2018

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Abstract

Background and rationaleThe intestine is under the constant challenge from microbes, commensals and pathogens, which are contained in the lumen by the gut epithelium, a single layer of cells. The tripartite balance between the intestinal immune system, the epithelium and the flora needs to be permanently adjusted and tightly regulated to avoid disorders such as inflammatory bowel disease (IBD), infectious diseases such as salmonellosis as well as colorectal cancer (CRC). In addition, intestinal dysbiosis in conjunction with increased intestinal permeability leading to pathological bacterial translocation (pBT) contribute to the pathogenesis of liver cirrhosis and its complications. In all the stated diseases the intestinal epithelial barrier by tightly orchestrating the interaction between microbiota and host immunity represents a true pathophysiological key factor (1, 2). Moreover, recently the „gut-vascular barrier“ has been characterized(3) and it is tempting to speculate that it is modulated as well during angiogenesis, anoikis, colorectal cancer development and progression as well as liver cirrhosis. Mouse models of IBD and inflammation-associated CRC, liver cirrhosis as well as Salmonella typhimurium conducted by the applicants converge in the detailed investigation of the intestinal epithelial barrier and immune function. The bacterial-host interaction at the mucosal surface is highly dynamic, and cannot easily be fixed for conventional microscopy. This is a methodological problem that has been limiting real progress in this field. Moreover, and because of the intrinsic complexity of the respective diseases, animal models are prone to biological variation in the kinetics and severity of disease, particularly for chronic experiments persisting for several weeks or months. There is thus an indubitable need to monitor the development of disease in individual mice over time. For this high-resolution, probe based confocal fluorescent endoscopy (pCLE), as uniquely enabled by the requested device can be game changing since it allows i) the live, dynamic imaging of fluorescently labelled bacteria in the living host ii) visualization of bacterial translocation at the epithelial barrier in-vivo iii) evaluate the gut-vascular barrier and angiogenesis in quantitative and qualitative terms and iv) assess i-iii also longitudinally along the course of disease or during treatment/wound healing and v) delineation of the optimal time point for tissue harvesting - when more in-depth cellular or molecular investigations are required - and hence will permit to reduce the number of animals in experimentation according to the 3R principles (reduce, refine, replace). Specific aimsWe want to apply the Cellvizio dual band pCLE in live mice either via miniature endoscopy or direct intra-operative utilization to address intestinal barrier function, gut-vascular barrier, colonic inflammation, tumorigenesis as well as bacterial-host-interactions. In particular, we will apply this technique for -Characterization of the intestinal mucus/mucosal as well as gut-vascular barrier and their role for pBT in liver cirrhosis-Delineation of the mechanisms altering the course of intestinal pathology in Esrp1Triaka mutant mice and assessment of the contribution of ST2 to the function of tumor-infiltrating cells in the intestine of AOM/DSS-treated mice -Imaging of pathogenic bacterial epithelial infection and associated modulation of the gut mucosal and vascular barrier -Delineating effects of gut microbiota on intestinal blood and lymphatic vessel development in portal hypertensive mice
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