Auswirkungen von Probiotika und Präbiotika auf die Darmmikrobiota bei Mäusen mit akuter Kolitis basierend auf der 16S-rRNA-Gensequenzierung
Einleitung
Die Darmmikrobiota bildet das größte mikrobielle Ökosystem im menschlichen Körper und steht in dynamischem Gleichgewicht mit dem Wirt, um die Darmstruktur, immunologische Homöostase und Pathogenabwehr aufrechtzuerhalten. Eine Dysbiose dieses Ökosystems ist eng mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED), einschließlich Colitis ulcerosa (CU), verbunden. Akute Kolitis-Modelle, die durch Dextransulfat-Natrium (DSS) induziert werden, imitieren humane CU-Symptome und bieten eine Plattform für die Erforschung therapeutischer Interventionen. Probiotika (z. B. Bifidobacterium und Lactobacillus) und Präbiotika (z. B. Laktitol und Inulin) gelten als potenzielle Modulatoren der Darmmikrobiota und bieten Alternativen zu traditionellen Antiphlogistika mit geringeren Nebenwirkungen. Diese Studie untersucht die Auswirkungen von Probiotika, Präbiotika und deren Kombinationen auf Entzündungen und mikrobielle Zusammensetzungen bei DSS-induzierter akuter Kolitis in Mäusen mittels 16S-rRNA-Sequenzierung.
Methoden
Experimentelles Design
Sechzig männliche C57BL/6J-Mäuse (6–8 Wochen alt) wurden in sechs Gruppen eingeteilt:
- Leerkontrolle: Kein DSS, keine Intervention.
- Modellkontrolle: 2,5 % DSS für 5 Tage, keine Intervention.
- Probiotika: DSS + tägliche Gabe von Lactobacillus acidophilus, L. rhamnosus und Bifidobacterium lactis (1 × 10⁹ KBE/Maus).
- Synbiotika: DSS + Probiotika (5 × 10⁸ KBE) kombiniert mit Inulin.
- Laktitol: DSS + Laktitol (6,6 g/kg/Tag).
- Probiotika + Laktitol: DSS + halbierte Probiotikadosis (5 × 10⁸ KBE) und Laktitol (3,3 g/kg/Tag).
Nach 5 Tagen DSS-Exposition erfolgten Interventionen über 7 Tage. Die Mäuse wurden euthanasiert, und Kolongewebe wurde für histopathologische Untersuchungen entnommen. Stuhl- und Mukosaproben wurden mittels 16S-rRNA-Sequenzierung analysiert.
Histopathologische Auswertung
Die kolonische Entzündung wurde anhand von drei Parametern bewertet:
- Entzündungsschwere (0–4: keine bis schwere).
- Ausdehnung der Schädigung (0–3: mukosal bis transmural).
- Kryptenschädigung (0–4: intakt bis vollständiger Verlust).
Die Scores wurden mit dem prozentualen Anteil des betroffenen Gewebes multipliziert (1–4× für 0–25 % bis 76–100 % Beteiligung).
Mikrobiota-Analyse
DNA aus Stuhl- und Mukosaproben wurde mittels MiSeq PE300-Plattform sequenziert. Alpha-Diversität (Observed-Species-Index), Hauptkomponentenanalyse (PCA) und taxonomische Profilerstellung wurden durchgeführt. Metastats-Analysen identifizierten signifikante Gattungsunterschiede (Häufigkeit >1 %, P < 0,05).
Ergebnisse
Histopathologische Befunde
Interventionsgruppen zeigten signifikant niedrigere histopathologische Scores im Vergleich zur Modellkontrolle (P < 0,05, Tabelle 1). Keine statistischen Unterschiede wurden zwischen den Interventionsgruppen festgestellt.
| Tabelle 1: Histopathologische Scores | Gruppe | Score (Mittelwert ± SD) |
|---|---|---|
| Leerkontrolle | 0 | |
| Modellkontrolle | 27,00 ± 7,94 | |
| Probiotika | 5,40 ± 2,79* | |
| Synbiotika | 7,25 ± 2,87* | |
| Laktitol | 7,20 ± 2,86* | |
| Probiotika + Laktitol | 9,33 ± 5,69* |
Verglichen mit Modellkontrolle (P* < 0,05).
Körpergewichtsveränderungen
Alle DSS-exponierten Gruppen zeigten Gewichtsverlust während der Entzündungsphase. Am Tag 7 wogen Leerkontrollmäuse signifikant mehr als andere Gruppen (P = 0,0139), jedoch ohne Unterschiede zwischen Interventionsgruppen.
Dynamik der fäkalen Mikrobiota
Ausgangszustand (W0-Stuhl)
Keine signifikanten Unterschiede in Alpha-Diversität oder PCA-Clustern, was eine homogene Ausgangsmikrobiota bestätigte.
Mittlere Interventionsphase (D4-Stuhl)
Alpha-Diversität nahm in allen DSS-Gruppen im Vergleich zur Leerkontrolle ab (P < 0,05). Wichtigste Befunde:
- Modellkontrolle: Reduziertes Lactobacillus (0,0020 vs. 0,0122, P = 0,0188) und erhöhtes Bacteroides (0,3519 vs. 0,0208, P = 0,0002).
- Probiotika + Laktitol: Erhöhtes Akkermansia (0,0404 vs. 0,0087, P = 0,0178) und Faecalibacterium (0,2854 vs. 0,0589, P = 0,0215) im Vergleich zur Modellkontrolle.
Postintervention (W1-Stuhl)
Alpha-Diversität blieb in DSS-Gruppen reduziert. Bemerkenswerte Veränderungen:
- Bacteroides-Häufigkeit blieb in DSS-Gruppen erhöht (z. B. Modellkontrolle: 0,3679 vs. Leere: 0,0099, P = 0,0016).
- Lachnospiraceae_NK4A136_group nahm in Interventionsgruppen zu (Probiotika: 0,2010 vs. Modell: 0,0320, P = 0,0352).
- Akkermansia war in Probiotika + Laktitol höher als in Synbiotika (0,0215 vs. 0,0013, P = 0,0315).
Mukosale Mikrobiota
Mukosaproben wiesen höhere Alpha-Diversität als Stuhlproben auf. Wichtigste Unterschiede:
- Mucispirillum war mukosal angereichert (0,0207 vs. 0,0001 im Stuhl, P = 0,0034).
- Akkermansia-Häufigkeit in der Laktitol-Gruppe übertraf die Modellkontrolle (0,0138 vs. 0,0055, P = 0,0415), Probiotika (0,0138 vs. 0,0022, P = 0,0041) und Synbiotika (0,0138 vs. 0,0011, P = 0,0034).
- Faecalibacterium war in der Modellkontrolle reduziert (0,0009 vs. Leere: 0,0265, P = 0,0131).
Diskussion
Antientzündliche Effekte
Probiotika und Präbiotika reduzierten signifikant die Kolitis-Schwere, was früheren Studien entspricht, die immunmodulatorische und barrierestärkende Wirkungen von Lactobacillus und Bifidobacterium zeigen. Synergistische Effekte von Kombinationstherapien waren Einzeltherapien nicht überlegen, möglicherweise aufgrund von Dosisanpassungen oder breiteren mikrobiellen Effekten von Laktitol.
Mikrobielle Verschiebungen bei Kolitis
DSS-induzierte Kolitis spiegelte humane CU-Dysbiose wider:
- Expansion von Pathobionten: Bacteroides nahm zu, konsistent mit dessen Assoziation mit Mukosaschäden.
- Depletion protektiver Gattungen: Lactobacillus, Roseburia und Faecalibacterium (Butyratproduzenten) nahmen ab, was antiinflammatorische Signalwege und Epithelreparatur beeinträchtigte.
Laktitol fördert Akkermansia
Laktitol erhöhte selektiv Akkermansia, ein mukusabbauendes Bakterium mit Verbindungen zu verbesserter metabolischer Gesundheit und Barrierefunktion. Sein Genom kodiert möglicherweise Laktitol-metabolisierende Enzyme, die die Kolonisation begünstigen. Die Zunahme von Akkermansia korrelierte mit reduzierter Endotoxämie und Entzündung, was auf präbiotische Strategien zur gezielten Taxaförderung hinweist.
Mukosale vs. fäkale Mikrobiota
Mukosale Gemeinschaften unterschieden sich deutlich von luminaler Flora, was nischenspezifische Anpassungen unterstreicht. Mucispirillum, ein Mukusbesiedler, war mukosal dominant, was die Bedeutung der Probenahmestelle in Mikrobiota-Studien betont.
Limitationen und Zukunftsperspektiven
- Taxonomische Auflösung: Gattungsebene limitiert artspezifische Erkenntnisse.
- Zeitliche Dynamik: Mukosale Veränderungen während der Intervention wurden nicht verfolgt.
- Mechanistische Lücken: Kausalität zwischen mikrobiellen Verschiebungen und Entzündung erfordert metagenomische/metabolomische Validierung.
Schlussfolgerung
Probiotika und Laktitol milderten DSS-induzierte Kolitis durch Wiederherstellung protektiver Gattungen (Bifidobacterium, Lactobacillus) und Suppression von Pathobionten (Bacteroides). Laktitol förderte spezifisch Akkermansia, einen vielversprechenden therapeutischen Target. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial mikrobiomorientierter Therapien bei CED und rechtfertigen klinische Studien zur Translatierbarkeit.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000000308