Changes in Barrier Properties of the Rat Jejunum and Colon after Hypobaric Hypoxia

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Barrier properties of intestinal epithelium play an important role in maintaining homeostasis, but become vulnerable in case of oxygen deficiency. In this work, the effect of hypobaric hypoxia (altitudes of 3000 and 6000 m) on the morphological parameters and barrier function of the small and large intestines of rats was investigated. The experiments were carried out using a pressure chamber and included histological analysis, electrophysiological measurements in a USsing chamber, assessment of the level of tight junction proteins (claudins-1 and -2) by Western blot and their localization by immunohistochemistry. It was found that hypobaric hypoxia causes segment-specific changes in morphometric parameters, barrier characteristics and the level of claudins. In the jejunum, the structure of the villi was disrupted and the level of claudin-2 decreased, in the colon, the depth of crypts changed, the level of claudin-1 and transepithelial resistance decreased. Partial recovery of functions was observed 24 h after exposure to hypoxia (3000 m), whereas no adaptation in the colon occurred after exposure to more severe hypoxia (6000 m). The data obtained highlight the high sensitivity of the intestinal barrier to hypoxic stress and its different response depending on the anatomical segment. The results may be useful in developing preventive strategies aimed at protecting the intestinal barrier under hypoxic conditions, including high-altitude expeditions or pathological conditions associated with impaired oxygen supply.

About the authors

A. A Fedorova

Saint Petersburg State University

Saint Petersburg, Russia

D. D Ganke

Saint Petersburg State University; Pavlov Institute of Physiology of the Russian Academy of Sciences

Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

A. E Bikmurzina

Saint Petersburg State University

Saint Petersburg, Russia

V. V Kravtsova

Saint Petersburg State University

Saint Petersburg, Russia

I. I Krivoi

Saint Petersburg State University

Saint Petersburg, Russia

A. G Markov

Saint Petersburg State University; Pavlov Institute of Physiology of the Russian Academy of Sciences

Email: a.markov@spbu.ru
Saint Petersburg, Russia; Saint Petersburg, Russia

References

  1. Singhal R, Shah YM (2020) Oxygen battle in the gut: Hypoxia and hypoxia-inducible factors in metabolic and inflammatory responses in the intestine. J Biol Chem 295: 10493–10505. https://doi.org/10.1074/jbc.REV120.011188
  2. Gallagher SA, Hackett PH (2004) High-altitude illness. Emerg Med Clin North Am 22: 329–355. https://doi.org/10.1016/j.emc.2004.02.001
  3. Markov AG, Aschenbach JR, Amasheh S (2015) Claudin clusters as determinants of epithelial barrier function. IUBMB Life 67: 29–35. https://doi.org/10.1002/iub.1347
  4. Ivanov AI (2012) Structure and regulation of intestinal epithelial tight junctions: current concepts and unanswered questions. Adv Exp Med Biol 763: 132–148. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-4711-5_6
  5. Amasheh S, Milatz S, Krug SM, Markov AG, Günzel D, Amasheh M, Fromm M (2009) Tight Junction Proteins as Channel Formers and Barrier Builders: Claudin-2,-5,and-8. Ann N Y Acad Sci 1165: 211–219. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2009.04439.x
  6. Inai T, Kobayashi J, Shibata Y (1999) Claudin-1 contributes to the epithelial barrier function in MDCK cells. Eur J Cell Biol 78: 849–855. https://doi.org/10.1016/S0171-9335(99)80086-7
  7. Günzel D, Fromm M (2012) Claudins and other tight junction proteins. Compr Physiol 2: 1819–1852. https://doi.org/10.1002/cphy.c110045
  8. Rosenthal R, Milatz S, Krug SM, Oelrich B, Schulzke JD, Amasheh S, Günzel D, Fromm M (2017) Claudin-2-mediated cation and water transport share a common pore. Acta Physiol 219: 521–536. https://doi.org/10.1111/apha.12742
  9. Markov AG, Yeshnyakova A, Fromm M, Amasheh M, Amasheh S (2010) Segmental expression of claudin proteins correlates with tight junction barrier properties in rat intestine. J Comp Physiol B 180: 591–598. https://doi.org/10.1007/s00360-009-0440-7
  10. Inoue K, Oyamada M, Mitsufuji S, Oyamada M, Takamatsu T (2006) Different changes in the expression of multiple kinds of tight-junction proteins during ischemia-reperfusion injury of the rat ileum. Acta Histochem Cytochem 39: 35–45. https://doi.org/10.1267/ahc.05048
  11. Li Q, Zhang Q, Wang M, Zhao S, Ma J, Luo N, Li N, Li Y, Xu G, Li J (2009) Altered distribution of tight junction proteins after intestinal ischaemia/reperfusion injury in rats. J Cell Mol Med 13: 4061–4076. https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2009.00975.x
  12. Kravtsova VV, Fedorova AA, Tishkova MV, Livanova AA, Matytsin VO, Ganapolsky VP, Vetrovoj OV, Krivoi II (2022) Short-Term Mild Hypoxia Modulates Na,K-ATPase to Maintain Membrane Electrogenesis in Rat Skeletal Muscle. Int J Mol Sci 23: 11869. https://doi.org/10.3390/ijms231911869
  13. Kravtsova VV, Ganke DD, Tishkova MV, Saburova EA, Matytsin VO, Krivoi II (2024) Short-Term Hypobaric Hypoxia Isoform-Specifically Protects Rat Skeletal Muscle Na,K-ATPase from Disuse-Induced Dysfunction. J Evol Biochem Physiol 60(5): 1712–1724. https://doi.org/10.1134/s0020293024050053
  14. Kravtsova VV, Fedorova AA, Matytsin VO, Ganke D, Vetrovoj OV, Krivoi II (2025) Short-term simulated high-altitude hypoxia increases the efficiency of Na,K-ATPase in maintaining the electrogenesis of the rat diaphragm. Bull Exp Biol Med: In Press. (In Russ.)
  15. Maloy A, Dmitriev RI, Papkovsky DB (2022) Stain-Free total-protein normalization enhances the reproducibility of Western blot data. Anal Biochem 654: 114840. https://doi.org/10.1016/j.ab.2022.114840
  16. Donowitz M, Sarker R, Lin R, McNamara G, Tse CM, Singh V (2022) Identification of intestinal NaCl absorptive-anion secretory cells: potential functional significance. Front Physiol 13: 892112. https://doi.org/10.3389/fphys.2022.892112
  17. Thiagarajah JR, Kamin DS, Acra S, Goldsmith JD, Roland JT, Lencer WI, Muise AM, Goldening JR, Avitzur Y, Martin MG, PedICODE Consortium (2018) Advances in evaluation of chronic diarrhea in infants. Gastroenterology 154: 2045–2059. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2018.03.067
  18. Taavela J, Viiri K, Valimaki A, Sarin J, Salonoja K, Mäki M, Isola J (2021) Apolipoprotein A4 defines the villus-crypt border in duodenal specimens for celiac disease morphometry. Front Immunol 12: 713854. https://doi.org/10.3389/fimmu.2021.713854
  19. Gondzik V, Awayda MS (2011) Methods for stable recording of short-circuit current in a Na+-transporting epithelium. Am J Physiol Cell Physiol 301: C162–C170. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00459.2010
  20. Nishie H, Takahashi T, Inoue K, Shimizu H, Morimatsu H, Toda Y, Omori E, Akagi R, Katayama H, Morita K (2009) Site-specific induction of intestinal hypoxia-inducible factor-1α after hemorrhagic shock. Mol Med Rep 2: 149–152. https://doi.org/10.3892/mmr_00000075
  21. Saeedi BJ, Kao DJ, Kitzenberg DA, Dobrinskikh E, Schwisow KD, Masterson JC, Kendrick AA, Kelly CJ, Bayless AJ, Kominsky DJ, Campbell EL, Kuhn KA, Furuta GT, Colgan SP, Glover LE (2015) HIF-dependent regulation of claudin-1 is central to intestinal epithelial tight junction integrity. Mol Biol Cell 26: 2252–2262. https://doi.org/10.1091/mbc.E14-07-1194
  22. Dengler F, Sova S, Salo AM, Mäki JM, Koivunen P, Myllyharju J (2021) Expression and roles of individual HIF prolyl 4-hydroxylase isoenzymes in the regulation of the hypoxia response pathway along the murine gastrointestinal epithelium. Int J Mol Sci 22: 4038. https://doi.org/10.3390/ijms22084038
  23. Bogdanova A, Petrushanko IV, Hermansanz-Agustin P, Martinez-Ruiz A (2016) "Oxygen Sensing" by Na,K-ATPase: These Miraculous Thiols. Front Physiol 7: 314. https://doi.org/10.3389/fphys.2016.00314
  24. Archontakis-Barakakis P, Mavridis T, Chlorogiannis DD, Barakakis G, Laou E, Sessler DI, Gkioxas G, Chalkias A (2025) Intestinal oxygen utilisation and cellular adaptation during intestinal ischaemia-reperfusion injury. Clin Transl Med. 15(1): e70136. https://doi.org/10.1002/ctm2.70136
  25. Markov AG, Fedorova AA, Kravtsova VV, Bikmurzina AE, Okorokova LS, Matchkov VV, Cornelius V, Amasheh S, Krivoi II (2020) Circulating Ouabain Modulates Expression of Claudins in Rat Intestine and Cerebral Blood Vessels. Int J Mol Sci 21: 5067. https://doi.org/10.3390/ijms21145067
  26. Christidis P, Vij A, Petousis S, Ghaemmaghami J, Shah BV, Koutroulis I, Kratimenos P (2022) Neuroprotective effect of Src kinase in hypoxia-ischemia: A systematic review. Front Neurosci 16: 1049655. https://doi.org/10.3389/fnins.2022.1049655
  27. Karaki SI (2023) A Technique of Measurement of Gastrointestinal Luminal Nutrient Sensing and These Absorptions: Using Chamber (Short-Circuit Current) Technique. J Nutr Sci Vitaminol 69: 164–175. https://doi.org/10.3177/jnsv.69.164
  28. Xie L, Xue X, Taylor M, Ramakrishnan SK, Nagaoka K, Hao C, Gonzalez FJ, Shah YM (2014) Hypoxia-inducible factor/MAZ-dependent induction of caveolin-1 regulates colon permeability through suppression of occludin, leading to hypoxia-induced inflammation. Mol Cell Biol 34: 3013–3023. https://doi.org/10.1128/MCB.00324-14
  29. Junghans C, Yukojevič V, Tavraz NN, Maksimov EG, Zuschratter W, Schmitt FJ, Friedrich T (2017) Disruption of Ankyrin B and Caveolin-1 Interaction Sites Alters Na+,K+-ATPase Membrane Diffusion. Biophys J 113: 2249–2260. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.08.053
  30. Maity C, Lahiri P, Adak A, Ghosh K, Pati BR, Mondal KC (2013) Hypobaric-hypoxia induces alteration in microbes and microbes-associated enzyme profile in rat colonic samples. Biomed Environ Sci 26: 869–873. https://doi.org/10.3967/bes2013.013
  31. Macfarlane S, Macfarlane GT (2003) Regulation of short-chain fatty acid production. Proc Nutr Soc 62: 67–72. https://doi.org/10.1079/PNS2002207
  32. Yan H, Ajuwon KM (2017) Butyrate modifies intestinal barrier function in IPEC-J2 cells through a selective upregulation of tight junction proteins and activation of the Akt signaling pathway. PLoS One 12: e0179586. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0179586
  33. Peng L, He Z, Chen W, Holzman IR, Lin J (2007) Effects of butyrate on intestinal barrier function in a Caco-2 cell monolayer model of intestinal barrier. Pediatr Res 61: 37–41. https://doi.org/10.1203/01.pdr.0000250014.92242.f3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».