Efeito de uma bebida probiótica (Enterococcus faecium CRL 183 e Bifidobacterium longum ATCC 15707) à base de extrato aquoso de soja no desenvolvimento de colite quimicamente induzida em ratos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo do potencial imunomodulador de Dehidroepiandrosterona (DHEA) na inflamação intestinal experimental

As Doenças inflamatórias intestinais (DII) são multifatoriais e sua etiologia envolve susceptibilidade genética, fatores ambientais, disbiose e ativação exacerbada do sistema imunológico no intestino. Essas doenças também tem sido relacionadas a baixos níveis de dehidroepiandrosterona (DHEA), um hormônio precursor de diversos esteroides e relacionado à modulação das respostas imunes. Porém, os mecanismos precisos que relacionam as ações deste hormônio com a proteção ou susceptibilidade à doença de Crohn ou colite ulcerativa ainda não são totalmente conhecidos. Sendo assim, este projeto buscou entender o papel imunomodulador do DHEA exógeno in vitro e in vivo durante a inflamação intestinal experimental induzida por dextran sulfato de sódio (DSS) em camundongos C57BL/6. Inicialmente, in vitro, DHEA inibiu a proliferação de células do baço de forma dose dependente nas concentrações de 5?M, 50?M ou 100?M, com diminuição da produção de IFN-?. Este hormônio não foi tóxico para células de linhagem mieloide, embora tenha causado necrose em leucócitos nas doses mais elevada (50 ?M e 100?M), o que pode ter influenciado a diminuição das citocinas in vitro. Nos ensaios in vivo, os camundongos tratados com DHEA (40 mg/Kg) foram avaliados na fase de indução da doença (dia 6) e durante o reparo tecidual, quando os animais expostos ao DSS e ao DHEA por 9 dias foram mantidos na ausência destas drogas até o dia 15. Houve diminuição do escore pós-morte, melhora no peso e nos sinais clínicos da inflamação intestinal, com redução de monócitos no sangue periférico com 6 dias e aumento de neutrófilos circulantes na fase de reparo tecidual (15 dias). Ainda, a suplementação com DHEA levou à redução da celularidade da lâmina própria (LP) e ao restabelecimento do comprimento normal do intestino. O uso deste hormônio também diminuiu a expressão do RNAm de IL-6 e TGF-?, enquanto aumentou a expressão de IL-13 no colón dos animais durante a fase de indução da doença, o que provavelmente ajudou na atenuação da inflamação intestinal. Além disso, houve acúmulo de linfócitos CD4+ e CD8+ no baço e diminuição apenas de linfócitos CD4+ nos linfonodos mesentéricos (LNM), indicando retenção das células CD4+ no baço após uso do DHEA. O tratamento foi também capaz de aumentar a frequência de células CD4 produtoras de IL-4 e diminuir CD4+IFN-?+ no baço, além de reduzir a frequência de CD4+IL-17+ nos LNM, sugerindo efeito do DHEA no balanço das respostas Th1/Th2/Th17 relacionadas à colite. Em adição, as células de baço dos animais tratados com DHEA e expostos ao DSS se tornaram hiporresponsivas, como visto pela diminuição da proliferação após re-estímulos in vitro. Finalmente, DHEA foi capaz de atuar no metabolismo dos camundongos tratados, levando à diminuição de colesterol total e da fração LDL no soro durante a fase de indução da doença, sem gerar quaisquer disfunções hepáticas. Com isso, podemos concluir que o DHEA atua por meio do balanço das respostas imunes exacerbadas, minimizando os danos locais e sistêmicos causados pela inflamação intestinal induzida por DSS.

Electrolyte transport in the mammalian colon: mechanisms and implications for disease Kunzelmann and Marcus Mall

Electrolyte Transport in the Mammalian Colon: Mechanisms and Implications for Disease. Physiol. Rev. 82: 245-289, 2002.The colonic epithelium has both absorptive and secretory functions. The transport is characterized by a net absorption of NaCl, short-chain fatty acids (SCFA), and water, allowing extrusion of a feces with very little water and salt content. In addition, the epithelium does secret mucus, bicarbonate, and KCl. Polarized distribution of transport proteins in both luminal and basolateral membranes enables efficient salt transport in both directions, probably even within an individual cell. Meanwhile, most of the participating transport proteins have been identified, and their function has been studied in detail. Absorption of NaCl is a rather steady process that is controlled by steroid hormones regulating the expression of epithelial Na+ channels (ENaC), the Na+-K+-ATPase, and additional modulating factors such as the serum- and glucocorticoid-regulated kinase SGK. Acute regulation of absorption may occur by a Na+ feedback mechanism and the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). Cl- secretion in the adult colon relies on luminal CFTR, which is a cAMP-regulated Cl- channel and a regulator of other transport proteins. As a consequence, mutations in CFTR result in both impaired Cl- secretion and enhanced Na+ absorption in the colon of cystic fibrosis (CF) patients. Ca2+- and cAMP-activated basolateral K+ channels support both secretion and absorption of electrolytes and work in concert with additional regulatory proteins, which determine their functional and pharmacological profile. Knowledge of the mechanisms of electrolyte transport in the colon enables the development of new strategies for the treatment of CF and secretory diarrhea. It will also lead to a better understanding of the pathophysiological events during inflammatory bowel disease and development of colonic carcinoma.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Vitamine D et prévention du cancer colorectal associé à la colite ulcéreuse : modèles murins

Les patients atteints de maladies inflammatoires de l'intestin (MII) ont un risque accru de développer un cancer colorectal dû aux lésions épithéliales secondaires à l’inflammation chronique. La vitamine D (vD) régule NOD2, gène impliqué dans la réponse inflammatoire et dans la susceptibilité aux MII, et induit son expression dans les monocytes et dans l’épithélium intestinal. Dans ce projet, nous avons d’abord induit le cancer colorectal associé à la colite ulcéreuse (CAC) en administrant un traitement combiné d’azoxyméthane (AOM) et de dextran de sulfate de sodium (DSS) aux souris C57BL/6J. Par la suite, nous avons étudié l'effet d’une carence en vD3 sur le développement du CAC et évalué la capacité préventive d’une supplémentation en vD3 sur la tumorigenèse, et vérifié si cet effet est médié par NOD2, en utilisant les souris Nod2-/-. Les C57BL/6J et les Nod2-/-, ayant reçu une diète déficiente en vD3, étaient moins résistantes au CAC par rapport aux souris supplémentées. Le pourcentage de perte de poids, l’indice d’activation de la maladie (DAI), le taux de mortalité et le poids relatif du côlon (mg/cm) chez les souris déficientes en vD3 étaient plus élevés en comparaison avec celles supplémentées en vD3. Une augmentation du score d'inflammation et de la multiplicité tumorale corrélait avec une expression accentuée de l’Il6 dans les colonocytes des souris déficientes en vD3. La vD3 régulait l’expression génétique de Cyp24, Vdr et de gènes pro-inflammatoires chez les C57BL/6, comme chez les Nod2-/-. En conclusion, la supplémentation en vD3 peut prévenir le développement du CAC indépendamment de NOD2.

Vitamine D et prévention du cancer colorectal associé à la colite ulcéreuse : modèles murins

Les patients atteints de maladies inflammatoires de l'intestin (MII) ont un risque accru de développer un cancer colorectal dû aux lésions épithéliales secondaires à l’inflammation chronique. La vitamine D (vD) régule NOD2, gène impliqué dans la réponse inflammatoire et dans la susceptibilité aux MII, et induit son expression dans les monocytes et dans l’épithélium intestinal. Dans ce projet, nous avons d’abord induit le cancer colorectal associé à la colite ulcéreuse (CAC) en administrant un traitement combiné d’azoxyméthane (AOM) et de dextran de sulfate de sodium (DSS) aux souris C57BL/6J. Par la suite, nous avons étudié l'effet d’une carence en vD3 sur le développement du CAC et évalué la capacité préventive d’une supplémentation en vD3 sur la tumorigenèse, et vérifié si cet effet est médié par NOD2, en utilisant les souris Nod2-/-. Les C57BL/6J et les Nod2-/-, ayant reçu une diète déficiente en vD3, étaient moins résistantes au CAC par rapport aux souris supplémentées. Le pourcentage de perte de poids, l’indice d’activation de la maladie (DAI), le taux de mortalité et le poids relatif du côlon (mg/cm) chez les souris déficientes en vD3 étaient plus élevés en comparaison avec celles supplémentées en vD3. Une augmentation du score d'inflammation et de la multiplicité tumorale corrélait avec une expression accentuée de l’Il6 dans les colonocytes des souris déficientes en vD3. La vD3 régulait l’expression génétique de Cyp24, Vdr et de gènes pro-inflammatoires chez les C57BL/6, comme chez les Nod2-/-. En conclusion, la supplémentation en vD3 peut prévenir le développement du CAC indépendamment de NOD2.

β-glucan triggers spondylarthritis and Crohn's disease-like ileitis in SKG mice

Objective The spondylarthritides (SpA), including ankylosing spondylitis (AS), psoriatic arthritis (PsA), reactive arthritis, and arthritis associated with inflammatory bowel disease, cause chronic inflammation of the large peripheral and axial joints, eyes, skin, ileum, and colon. Genetic studies reveal common candidate genes for AS, PsA, and Crohn's disease, including IL23R, IL12B, STAT3, and CARD9, all of which are associated with interleukin-23 (IL-23) signaling downstream of the dectin 1 β-glucan receptor. In autoimmune-prone SKG mice with mutated ZAP-70, which attenuates T cell receptor signaling and increases the autoreactivity of T cells in the peripheral repertoire, IL-17–dependent inflammatory arthritis developed after dectin 1–mediated fungal infection. This study was undertaken to determine whether SKG mice injected with 1,3-β-glucan (curdlan) develop evidence of SpA, and the relationship of innate and adaptive autoimmunity to this process. Methods SKG mice and control BALB/c mice were injected once with curdlan or mannan. Arthritis was scored weekly, and organs were assessed for pathologic features. Anti–IL-23 monoclonal antibodies were injected into curdlan-treated SKG mice. CD4+ T cells were transferred from curdlan-treated mice to SCID mice, and sera were analyzed for autoantibodies. Results After systemic injection of curdlan, SKG mice developed enthesitis, wrist, ankle, and sacroiliac joint arthritis, dactylitis, plantar fasciitis, vertebral inflammation, ileitis resembling Crohn's disease, and unilateral uveitis. Mannan triggered spondylitis and arthritis. Arthritis and spondylitis were T cell– and IL-23–dependent and were transferable to SCID recipients with CD4+ T cells. SpA was associated with collagen- and proteoglycan-specific autoantibodies. Conclusion Our findings indicate that the SKG ZAP-70W163C mutation predisposes BALB/c mice to SpA, resulting from innate and adaptive autoimmunity, after systemic β-glucan or mannan exposure.

Novel NOD2 haplotype strengthens the association between TLR4 Asp299gly and Crohnʼs disease in an Australian population

Background:: The first major Crohn's disease (CD) susceptibility gene, NOD2, implicates the innate intestinal immune system and other pattern recognition receptors in the pathogenesis of this chronic, debilitating disorder. These include the Toll‐like receptors, specifically TLR4 and TLR5. A variant in the TLR4 gene (A299G) has demonstrated variable association with CD. We aimed to investigate the relationship between TLR4 A299G and TLR5 N392ST, and an Australian inflammatory bowel disease cohort, and to explore the strength of association between TLR4 A299G and CD using global meta‐analysis. Methods:: Cases (CD = 619, ulcerative colitis = 300) and controls (n = 360) were genotyped for TLR4 A299G, TLR5 N392ST, and the 4 major NOD2 mutations. Data were interrogated for case‐control analysis prior to and after stratification by NOD2 genotype. Genotype–phenotype relationships were also sought. Meta‐analysis was conducted via RevMan. Results:: The TLR4 A299G variant allele showed a significant association with CD compared to controls (P = 0.04) and a novel NOD2 haplotype was identified which strengthened this (P = 0.003). Furthermore, we identified that TLR4 A299G was associated with CD limited to the colon (P = 0.02). In the presence of the novel NOD2 haplotype, TLR4 A299G was more strongly associated with colonic disease (P < 0.001) and nonstricturing disease (P = 0.009). A meta‐analysis of 11 CD cohorts identified a 1.5‐fold increase in risk for the variant TLR4 A299G allele (P < 0.00001). Conclusions:: TLR 4 A299G appears to be a significant risk factor for CD, in particular colonic, nonstricturing disease. Furthermore, we identified a novel NOD2 haplotype that strengthens the relationship between TLR4 A299G and these phenotypes.

The intestinal microbiome in human disease and how it relates to arthritis and spondyloarthritis

Humans and microbes have developed a symbiotic relationship over time, and alterations in this symbiotic relationship have been linked to several immune mediated diseases such as inflammatory bowel disease, type 1 diabetes and spondyloarthropathies. Improvements in sequencing technologies, coupled with a renaissance in 16S rRNA gene based community profiling, have enabled the characterization of microbiomes throughout the body including the gut. Improved characterization and understanding of the human gut microbiome means the gut flora is progressively being explored as a target for novel therapies including probiotics and faecal microbiota transplants. These innovative therapies are increasingly used for patients with debilitating conditions where conventional treatments have failed. This review discusses the current understanding of the interplay between host genetics and the gut microbiome in the pathogenesis of spondyloarthropathies, and how this may relate to potential therapies for these conditions.

Novel insights into the inflammatory basis of gastrointestinal disease

It has become clear that inflammation is beneficial to man, there are situations though that the inflammatory response causes damage to the host that is harmful to health. When the inflammatory response fails or is too strong, the health of the host is damaged and disease can occur. The implication of intestinal disease caused by an ineffective immune response is of great social and economic burden to society. The overarching purpose of this thesis is to assess inflammatory signalling targets associated with immune mediated disorders such as IBD, IBS and inflammatory liver disease. By assessing these targets and modifying their function I hope to contribute and expand further the pre-existing information on these disorders and improve the therapeutic interventions available in these debilitating conditions. I will assess the role of inflammation in disorders of the GI tract and liver IBD, IBS, hepatic inflammatory injury and furthermore, I will use pharmaceutical agents to activate and suppress components of the immune system. I will examine the inflammatory response in experimental models of disease for IBD and liver injury, I will attempt to alter these pathways using pharmaceutical intervention to delineate the disease causing mechanism that may lead to clinically relevant therapeutic interventions. In regards to IBS, I will attempt to improve the existing knowledge that exists in relation to the pathogenesis of this functional bowel disorder. I will attempt to define a mechanism by which the low grade mucosal inflammation that has been demonstrated by others arises and what this inflammation is induced by. The overall aim of this thesis is to attempt to further understand the mechanisms behind GI and liver disease. Looking at the inflammatory response in these specific conditions and how they can be altered may lead to exciting new therapies for inflammatory conditions in the gastrointestinal tract.

New scientific paradigms for probiotics and prebiotics

The inaugural meeting of the International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) was held May 3 to May 5 2002 in London, Ontario, Canada. A group of 63 academic and industrial scientists from around the world convened to discuss current issues in the science of probiotics and prebiotics. ISAPP is a non-profit organization comprised of international scientists whose intent is to strongly support and improve the levels of scientific integrity and due diligence associated with the study, use, and application of probiotics and prebiotics. In addition, ISAPP values its role in facilitating communication with the public and healthcare providers and among scientists in related fields on all topics pertinent to probiotics and prebiotics. It is anticipated that such efforts will lead to development of approaches and products that are optimally designed for the improvement of human and animal health and well being. This article is a summary of the discussions, conclusions, and recommendations made by 8 working groups convened during the first ISAPP workshop focusing on the topics of: definitions, intestinal flora, extra-intestinal sites, immune function, intestinal disease, cancer, genetics and genomics, and second generation prebiotics. Humans have evolved in symbiosis with an estimated 1014 resident microorganisms. However, as medicine has widely defined and explored the perpetrators of disease, including those of microbial origin, it has paid relatively little attention to the microbial cells that constitute the most abundant life forms associated with our body. Microbial metabolism in humans and animals constitutes an intense biochemical activity in the body, with profound repercussions for health and disease. As understanding of the human genome constantly expands, an important opportunity will arise to better determine the relationship between microbial populations within the body and host factors (including gender, genetic background, and nutrition) and the concomitant implications for health and improved quality of life. Combined human and microbial genetic studies will determine how such interactions can affect human health and longevity, which communication systems are used, and how they can be influenced to benefit the host. Probiotics are defined as live microorganisms which, when administered in adequate amounts confer a health benefit on the host.1 The probiotic concept dates back over 100 years, but only in recent times have the scientific knowledge and tools become available to properly evaluate their effects on normal health and well being, and their potential in preventing and treating disease. A similar situation exists for prebiotics, defined by this group as non-digestible substances that provide a beneficial physiological effect on the host by selectively stimulating the favorable growth or activity of a limited number of indigenous bacteria. Prebiotics function complementary to, and possibly synergistically with, probiotics. Numerous studies are providing insights into the growth and metabolic influence of these microbial nutrients on health. Today, the science behind the function of probiotics and prebiotics still requires more stringent deciphering both scientifically and mechanistically. The explosion of publications and interest in probiotics and prebiotics has resulted in a body of collective research that points toward great promise. However, this research is spread among such a diversity of organisms, delivery vehicles (foods, pills, and supplements), and potential health targets such that general conclusions cannot easily be made. Nevertheless, this situation is rapidly changing on a number of important fronts. With progress over the past decade on the genetics of lactic acid bacteria and the recent, 2,3 and pending, 4 release of complete genome sequences for major probiotic species, the field is now armed with detailed information and sophisticated microbiological and bioinformatic tools. Similarly, advances in biotechnology could yield new probiotics and prebiotics designed for enhanced or expanded functionality. The incorporation of genetic tools within a multidisciplinary scientific platform is expected to reveal the contributions of commensals, probiotics, and prebiotics to general health and well being and explicitly identify the mechanisms and corresponding host responses that provide the basis for their positive roles and associated claims. In terms of human suffering, the need for effective new approaches to prevent and treat disease is paramount. The need exists not only to alleviate the significant mortality and morbidity caused by intestinal diseases worldwide (especially diarrheal diseases in children), but also for infections at non-intestinal sites. This is especially worthy of pursuit in developing nations where mortality is too often the outcome of food and water borne infection. Inasmuch as probiotics and prebiotics are able to influence the populations or activities of commensal microflora, there is evidence that they can also play a role in mitigating some diseases. 5,6 Preliminary support that probiotics and prebiotics may be useful as intervention in conditions including inflammatory bowel disease, irritable bowel syndrome, allergy, cancer (especially colorectal cancer of which 75% are associated with diet), vaginal and urinary tract infections in women, kidney stone disease, mineral absorption, and infections caused by Helicobacter pylori is emerging. Some metabolites of microbes in the gut may also impact systemic conditions ranging from coronary heart disease to cognitive function, suggesting the possibility that exogenously applied microbes in the form of probiotics, or alteration of gut microecology with prebiotics, may be useful interventions even in these apparently disparate conditions. Beyond these direct intervention targets, probiotic cultures can also serve in expanded roles as live vehicles to deliver biologic agents (vaccines, enzymes, and proteins) to targeted locations within the body. The economic impact of these disease conditions in terms of diagnosis, treatment, doctor and hospital visits, and time off work exceeds several hundred billion dollars. The quality of life impact is also of major concern. Probiotics and prebiotics offer plausible opportunities to reduce the morbidity associated with these conditions. The following addresses issues that emerged from 8 workshops (Definitions, Intestinal Flora, Extra-Intestinal Sites, Immune Function, Intestinal Disease, Cancer, Genomics, and Second Generation Prebiotics), reflecting the current scientific state of probiotics and prebiotics. This is not a comprehensive review, however the study emphasizes pivotal knowledge gaps, and recommendations are made as to the underlying scientific and multidisciplinary studies that will be required to advance our understanding of the roles and impact of prebiotics, probiotics, and the commensal microflora upon health and disease management.

Gastrointestinal tract: intestinal fatty acid metabolism and implications for health

Short-chain fatty acids (SCFA) are formed from the fermentation of sugars by intestinal bacteria. Acetate is the most abundant SCFA, with lower amounts of propionate and butyrate formed. Propionate and butyrate are also formed from the products of carbohydrate fermentation by other bacteria, for example from lactate and acetate. SCFA play a role in regulating transit of digesta through the intestine, and butyrate formation is thought to be beneficial to health because butyrate decreases the risk of colon cancer. Major butyrate-producing species are among the most abundant present in the colon, including Roseburia and Faecalibacterium spp. Metabolism of longer-chain fatty acids occurs mainly by hydration or hydrogenation of unsaturated fatty acids. Hydroxystearic acids are formed in the intestine, particularly under disease conditions. Metabolism of linoleic acid results in the formation of conjugated linoleic acids (CLA) by several species, including Roseburia hominis and Roseburia inulinovorans. Enhancement of intestinal CLA formation, possibly using probiotics, may be useful in preventing or treating inflammatory bowel disease.

Health benefits of probiotics: are mixtures more effective than single strains?

PURPOSE: Most studies on probiotics utilise single strains, sometimes incorporated into yoghurts. There are fewer studies on efficacy of mixtures of probiotic strains. This review examines the evidence that (a) probiotic mixtures are beneficial for a range of health-related outcomes and (b) mixtures are more or less effective than their component strains administered separately. RESULTS: Mixtures of probiotics had beneficial effects on the end points including irritable bowel syndrome and gut function, diarrhoea, atopic disease, immune function and respiratory tract infections, gut microbiota modulation, inflammatory bowel disease and treatment of Helicobacter pylori infection. However, only 16 studies compared the effect of a mixture with that of its component strains separately, although in 12 cases (75%), the mixture was more effective. CONCLUSION: Probiotic mixtures appear to be effective against a wide range of end points. Based on a limited number of studies, multi-strain probiotics appear to show greater efficacy than single strains, including strains that are components of the mixtures themselves. However, whether this is due to synergistic interactions between strains or a consequence of the higher probiotic dose used in some studies is at present unclear.

Red meat intake-induced increases in fecal water genotoxicity correlate with pro-carcinogenic gene expression changes in the human colon

Red meat consumption is associated with an increased colorectal cancer (CRC) risk, which may be due to an increased endogenous formation of genotoxic N-nitroso compounds (NOCs). To assess the impact of red meat consumption on potential risk factors of CRC, we investigated the effect of a 7-day dietary red meat intervention in human subjects on endogenous NOC formation and fecal water genotoxicity in relation to genome-wide transcriptomic changes induced in colonic tissue. The intervention showed no effect on fecal NOC excretion but fecal water genotoxicity significantly increased in response to red meat intake. Colonic inflammation caused by inflammatory bowel disease, which has been suggested to stimulate endogenous nitrosation, did not influence fecal NOC excretion or fecal water genotoxicity. Transcriptomic analyses revealed that genes significantly correlating with the increase in fecal water genotoxicity were involved in biological pathways indicative of genotoxic effects, including modifications in DNA damage repair, cell cycle, and apoptosis pathways. Moreover, WNT signaling and nucleosome remodeling pathways were modulated which are implicated in human CRC development. We conclude that the gene expression changes identified in this study corroborate the genotoxic potential of diets high in red meat and point towards a potentially increased CRC risk in humans.