Validating Intestinal Enteroids to Study Hirschsprung's Associated Enterocolitis

University Of Tennessee Health Sci Ctr, Memphis TN

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Project Summary/Abstract    Hirschsprung?s  disease  (HSCR)  is  a  common  cause  of  neonatal  bowel  obstruction  that  results  from  failed  development  of  the  distal  enteric  nervous  system  (ENS).  The  pathophysiology,  approach  to  diagnosis  and  surgical treatment of HSCR has been well-­defined over the last 60 years. However, Hirschsprung?s-­associated  enterocolitis  (HAEC),  the  most  serious  complication  of  HSCR,  remains  a  frequent  cause  of  pre-­  and  post-­ operative  morbidity  and  mortality  in  HSCR  patients,  with  poorly  defined  pathophysiology  and  unchanged  treatment guidelines over multiple decades. HAEC is the presenting symptom of HSCR in 25% of infants and  mortality ranges from 1-­10%, with the majority of deaths occurring in newborns prior to definitive operation. Our  central hypothesis is that developmental deficiency of the ENS in HSCR is accompanied by defects in intestinal  homeostasis, leading to increased susceptibility to HAEC. Advances in understanding the genetics underlying  HSCR have allowed development of animal models which recapitulate the human HAEC phenotype. Over the  last  five  years,  studies  from  our  laboratory  utilizing  the  EdnrBNCC-­/-­  model  of  HSCR/HAEC  have  allowed  us  to  identify  defects  in  intestinal  homeostasis  that  contribute  to  HAEC.  We  have  identified  ENS  alterations  in  the  ?normal?,  ganglionated  colon  of  EdnrBNCC-­/-­  mice  which  include  decreased  neuronal  density  and  a  shift  in  neurotransmitter phenotypes, with over-­representation of relaxation neurotransmitters and under-­representation  of  contractility  neurotransmitters.  Additionally,  we  have  demonstrated  that  EdnrBNCC-­/-­  mice  develop  colonic  dysbiosis prior to HAEC. Most recently, preliminary data indicate alterations in colonic epithelial tight junctions  preceding the development of HAEC. Furthermore, EdnrBNCC-­/-­ intestinal segments have increased susceptibility  to invasion by pathogenic E.coli, with decreased production of innate immune defense molecules. Finally, we  have  identified  impaired  cellular  immunity  (B-­cell  populations  and  decreased  secretory  IgA)  in  these  animals.  Taken together, intestinal homeostasis in EdnrBNCC-­/-­ mice appears to governed by a four-­way interplay between  the enteric nervous system, luminal microbiota, the intestinal epithelial barrier, and the mucosal immune system,  all of which appear to be perturbed in the setting of altered host genetics. However, our studies to date have not  allowed us to distinguish which alterations in intestinal homeostasis are causative versus associated with HAEC.  Recently,  intestinal  enteroids  have  emerged  as  a  tool  to  model  the  complexity  of  the  intestinal  epithelium  in  culture, avoiding confounding influence from local and system non-­epithelial sources. In order to advance our  understanding  of  the  complex  dynamics  that  contribute  to  HAEC,  we  propose  to  develop  an  experimental  paradigm  of  in  vivo,  ex  vivo  and  in  vitro  methods  that  will  allow  combinatorial  testing  of  the  components  of  intestinal homeostasis. This proposal will evaluate the contributions of EdnrBNCC-­/-­ microbiome dysbiosis and  epithelial barrier dysfunction to the development of HAEC and will determine the suitability of intestinal enteroids  as a novel system to study the pathogenesis of HAEC.