Evaluation of anti-inflammatory effect of Bifidobacterium longum strains in mouse colitis model and identification of mechanism for their action

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic disease that causes an inappropriate immune response due to genetic and environmental factors. Gut dysbiosis could be a reason for IBD. Therefore, recently, the scientific interest in actions and mechanisms of probiotics, live microorganisms that confer a health benefit, are world-widely growing. Bifidobacterium longum (B. longum) is proven as a probiotic strain that is most abundant in lactating babies. However, studies on the colitis mitigating aspects of B. longum are unclear. B. longum strains are administrated to dextran sulfate sodium (DSS)-treated recombinase activating gene-1 deficient (Rag1−/−) mice and assessed the anti-inflammatory effect. As a result, the B. longum ATCC 15697 administration group alleviated colitis in weight loss, disease activity, colon length shortening, and histopathological inflammatory reaction but extended survival rate. Similar results were also shown in the same experiment with wild-type (WT) mice as well as adoptive transfer model in B. longum S2-treated mice. It is expected that innate immune cells, as well as T cell modulation, would be involved in this mechanism. Additionally, ROS scavenging and resistance effect of B. longum strains, especially B. longum S2 is stronger than B. longum ATCC 15697. Also, mice that were treated with DSS, following transfer innate lymphoid cell (ILC) from B. longum strains-treated mice ameliorated colitis compared to mice transplanted with ILCs from untreated mice. Newly identified B. longum strain (B. longum S2) from the feces of healthy adults has a distinct genome, which was identified whole-genome sequence analysis, and reactive oxygen species (ROS) resistance even though it is anaerobic bacteria. In IBD mouse models where excessive ROS is generated, colonization and anti-inflammatory effect of B. longum S2 have been shown predominantly over other strains. In this study, it was confirmed that B. longum ameliorates colon inflammation through the activation of innate lymphocytes when compared B. breve, which shows that the immune cell response may be different depending on the species of Bifidobacteria. Based on the results of subsequent studies, it is expected that B. longum S2 will be used as a therapeutic material for IBD that reduces the side effects of existing drugs. In this study, I found that B. longum can be used as a potent immunomodulatory of ILCs, which has significant implications for IBD treatment. In addition, based on the research results confirming resistance to free radicals, removal ability, and high intestinal colonization ability, it can be expected that B. longum S2 can be used not only as a material for health functional food but also as a drug that reduces the side effects of existing drugs and has anti-inflammatory effects.

염증성 장질환은 유전적, 환경적 요인 등으로 인해 부적절한 면역 반응을 일으키는 만성 질환으로, 아직 명확한 기전이 밝혀지지는 않았으나 장내 미생물균총의 불균형이 하나의 원인으로 추정되고 있어서 최근 이를 교정하기 위한 프로바이오틱스 연구가 전세계적으로 관심을 받고 있다. Bifidobacterium longum (이하 B. longum)은 장내 상재균으로 다양한 대사와 면역조절 기능을 가진 안정성이 입증된 프로바이오틱스 균종으로 주로 수유 중인 영유아의 장에서 가장 많이 분포해 있다. B. longum의 염증 완화 측면에 대한 연구는 다양하게 진행된 상태이나 장염증 완화와 관련한 기전이 불분명하다. 면역 결손(Recombination activating gene-1 knock out) 생쥐에 dextran sulfate sodium (DSS)로 대장염을 유도한 모델에서 B. longum 투여 그룹은 또 다른 종인 Bifidobacterium breve (이하 B. breve) 투여 그룹에 비하여 체중 감소율 및 질병 활성도의 완화, 생존률 증가 및 대장 길이 감소의 억제, 조직병리학적 염증반응의 감소 등 대장염 완화의 결과를 보였다. 면역결핍 생쥐에 야생형 생쥐의 T 세포를 입양 전달(adoptive transfer) 하여 대장염을 유도하고 B. longum S2를 균주를 투여한 모델에서도 염증 완화 효능을 확인하였다. 더불어 B. longum 균주를 투여한 후 분리한 선천성 림프구세포를 이식하고 DSS로 대장염을 유도한 생쥐에서도 염증이 완화됨을 확인 하였다. 이를 통해 B. longum 균주의 대장 염증 완화 기전에 T 세포의 조절 뿐만 아니라 선천 면역세포가 관여했을 것이라고 추정할 수 있다. 과도한 자유 라디컬(free radical)이 생성되는 염증성 장질환 환경에서 다른 균주보다 우세하게 정착하여 장내 미생물균총의 불균형을 완화하고 염증 완화 효과를 가져올 것이라고 예상하고 건강한 성인의 분변을 사용하여 자유 라디컬의 일종인 과산화수소(hydrogen peroxide)를 처리한 환경에서 저항성을 지닌 균주를 선별하였는데 이 새롭게 동정한 B. longum 균주 (이하 B. longum S2)는 B. longum ATCC 15697와는 다른 유전적 특징을 가지고 있었으며 혐기성균 임에도 hydrogen peroxide에 대한 저항성 및 활성 산소(이하 ROS) 제거능을 가지고 있었다. B. longum S2는 비교균주로 사용한 B. longum ATCC 15697 보다 hydrogen peroxide에 대한 저항성 및 ROS 제거능이 높았다. 또한 정상상태 생쥐의 장 정착성도 B. longum S2가 B. longum ATCC 15697에 비해 우세할 뿐만 아니라 야생형 생쥐의 DSS 대장염 모델에서 높은 염증 억제 효과를 나타내었다. 또한 CD4+ 림프구의 발달에 결함이 있어 선천성 림프구만 가지고 있는 Rag1 결손 생쥐의 DSS 유도 대장 염증모델 및 선천성 림프구 이식 실험에서 B. longum S2 또한 높은 대장 염증 완화 효과를 보였다. 본 연구에서 B. longum ATCC 15697과 비교하여 B. longum은 선천성 림프구의 활성화를 통하여 대장 염증을 완화시킨다는 것을 확인하였으며 이는 비피도박테리아의 종에 따른 면역세포의 반응이 다를 수 있음을 보여주며 여기에는 미생물 연관 분자유형(MAMP)와 같은 특정 상호작용이 관여할 것을 보여준다. 또한 본 연구에서 규명한 자유 라디컬에 대한 저항성과 제거능을 갖는 B. longum S2가 높은 장 정착능을 갖는다는 연구 결과를 토대로 이러한 균주가 건강 기능성 식품의 원료 뿐만 아니라 기존 약제의 부작용을 감소시키고 염증 완화 효능을 갖는 약제로써의 사용 가능성을 기대할 수 있을 것이다.