An altered composition of fecal microbiota, organic acids, and the effect of probiotics in the guinea pig model of postoperative ileus

Abstract

Background: The aim of this study is to investigate the altered composition of fecal microbiota, organic acids, and the effect of probiotics in the guinea pig model of the postoperative ileus (POI). Methods: A laparotomy with cecal manipulation was performed to induce POI in guinea pigs. Fecal pellets were collected before the operation (the baseline) and 1 day, 3 days, and 5 days after the operation. The extracted fecal DNA was amplified and sequenced using the Illumina MiSeq sequencing system. The same POI procedures were performed after oral pretreatment of the probiotics for 7 days before operation. The effect of the probiotics on the selected taxa and fecal acetate were evaluated, as were the butyrate levels. The colonic transit was assessed by measurement of the fecal pellet output. Results: The communities of the baseline and POI groups indicated significantly distinct composition. The genera Bifidobacterium and Lactobacillus were more abundant in the baseline group compared with the POI groups, and Bacteroides and Blautia were more abundant in the POI groups. Decreased abundances of the species Bifidobacterium bifidum and Bifidobacterium longum after the POI procedure were significantly increased in the probiotics group. The decreased fecal butyrate level after the POI procedure was significantly increased, and colonic transit was significantly improved in the probiotics group. Conclusions: POI induces gut bacterial dysbiosis. Moreover, pretreatment of probiotics before operation restores the beneficial bacterial species, butyrate production, and bowel movement. The modulation of gut microbiota may help the treatment and prevention of POI.

수술 후 장 마비는 수술에 의한 물리적인 장관 조작과 자율신경 기능장애, 염증 매개 물질 등 여러 가지 원인으로 장관 운동의 정상적인 협력 체계가 마비되어 위장관 내용물의 운반 장애가 나타나는 것을 의미한다. 이는 환자의 삶의 질 저하는 물론, 재원 기간 연장 및 과다한 사회경제적 비용을 초래한다. 하지만 현재까지 수술 후 장마비에 대한 공인된 예방 혹은 치료 약제는 없는 실정이다. 최근 여러가지 수술 후 합병증이 장내세균의 변화로부터 기인한다는 주장들이 제기되고 있다. 그러나 수술 후 장마비와 장내 세균의 관련성에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. 따라서 본 연구는 기니픽의 수술 후 장마비 모델에서 실제 장내 세균 조성의 변화를 확인하고, 수술전 프로바이오틱 스 투여가 장내 세균, 아세트산 및 부티르산, 그리고 장관운동의 변화에 미치는 효과에 대해 확인하고자 하였다. 수술 후 장마비를 유발하는 수술을 진행한 기니픽에서 수술 전, 수술 후 1일, 3일, 5일째에 각각 대변을 채집하였고, 장내 세균은 16s rRNA gene sequencing을 통해, 부티르산, 아세트산은 ELISA 기법으로 분석되었다. 동일한 실험을 수술 전 7일간 프로바이오 틱스 혹은 대조약을 복용한 기니픽을 대상으로 진행하였다. 연구 결과, 수술 후 장 마비 모델에서 장내 세균 조성이 수술 전에 비해 유의하게 변화되는 것을 확인하였고, 특히 장 점막 투과도를 유지시켜 장벽을 보호 하는 효과를 지닌 것으로 알려진 B. bifidum, B. longum, C.butyricum, L.plantarum 과 부티르 산, 아세트 산이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 수술 전에 프로바이오틱스를 투여한 군에서 그렇지 않은 군에 비해, B. bifidum, B. longum 과 부티르 산이 유의하게 회복 및 증가되었고, 장관 운동 또한 유의하게 개선되었음을 확인 할 수 있었다. 본 연구를 통해, 수술 후 장마비모델에서 장내 세균의 불균형과 부티르산의 감소를 확인할 수 있었고, 프로바이오틱스의 사용이 이를 효과적으로 개선시키고, 더 나아가 장관 운동을 회복시킴 을 확인할 수 있었다. 따라서, 향후 수술 전 프로바이오틱스 사용이 수술 후 장마비의 예방 및 치료에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다