The anti-inflammatory effects of Lactobacillus plantarum cellular particles via modulating the mucosal immune system in DSS-induced colitic rats

Abstract

This study was performed to investigate preventive effects of Lactobacillus plantarum cellular particles in DSS-induced colitic rats. For this purpose, Male Sprague Dawley rats were orally pretreated Lactobacillus plantarum cellular particles (low dose; 1 X 10^9CFU/day, DDL / high dose; 1X10^10CFU/day, DDH) or live Lactobacillus plantarum (1X10^9 CFU/day, DLP) with normal diet for two weeks before the induction of colitis. Drinking water containing 4% dextran sulfate sodium (DSS) was provided for last one week. We estimated the clinical symptoms during the DSS induced period by disease activity index (DAI). At the end of experimental period, colon lengths and tissue weights were measured and histology analysis was observed by H&E staining. In colon tissue, myeloperoxidase (MPO), tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), interleukin-6 (IL-6), and interleukin-10 (IL-10) levels were measured by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and the mRNA expressions of TNF-α, IL-6, IL-10, interleukin-1β (IL-1β), interleukin-12 (IL-12), inducible nitric oxide synthase (iNOS), and toll like receptor-2 (TLR-2) were examined by quantitative real-time-transcription polymerase chain reaction (qPCR). The colon length and histology analysis indicated that DLP, DDL, and DDH suppressed colon shortening, edema, mucosal damage, and the loss of crypts induced by DSS. The levels of TNF-α and IL-6 in DDL and DDH groups significantly decreased in colon tissue. In addition, the colonic IL-1β mRNA expressions in DDL and DDH were significantly decreased. However, DLP group decreased colonic pro-inflammatory cytokine levels while there was no significant difference in colonic mRNA expression of pro-inflammatory cytokines. Interestingly, the colonic mRNA expression of TLR-2 in DDH group was remarkably increased. In conclusion, these results suggest that protective effects of Lactobacillus plantarum cellular particles on DSS-induced colitis via modulating pro-inflammatory mediators in mucosal immune system. In particular, we supposed that DDH might mediate the TLR-2 signaling associated with tight junction. Therefore, further studies are required for elucidate the TLR-2 mediate signaling through determining the epithelial barrier function of Lactobacillus plantarum cellular particles.;본 연구에서는 DSS로 유도된 대장염 모델에서 유산균 균체의 유효성분을 미립화한 Lactobacillus plantarum cellular particle의 장관염증 억제효과를 검증하고 장관 면역조절 기능성을 확인하고자 수행되었다. SD-랫트를 대상으로 대장염 유도 전 2주 동안 Lactobacillus plantarum cellular particle (저용량; 1X10^9 CFU/day, DDL/ 고용량; 1X10^10 CFU/day, DDH) 또는 live Lactobacillus plantarum K8 (1X10^9 CFU/day, DLP)를 경구 투여하며 정상식이를 제공 하였다. 대장염 유도는 식수로 4% Dextran sulfate sodium (DSS)를 마지막 1주 동안 공급하였다. 대장염 유도 기간 동안 disease activity index (DAI)을 통해 대장염의 증상 정도를 평가하였다. 형태학적 분석을 위해 대장 길이 및 무게를 측정하였고, 대장 조직의 H&E을 통한 조직학적 평가를 실시하였다. 대장 조직에서 장관 면역조절을 확인하고자 myeloperoxidase (MPO), tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), interleukin-6 (IL-6) 및 interleukin-10 (IL-10) 수준을 enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) 통해 확인 하였고, quantitative real-time-transcription polymerase chain reaction (qPCR)을 이용하여 TNF-α, IL-6, IL-10, interleukin-1β (IL-1β), interleukin-12 (IL-12), inducible nitric oxide synthase (iNOS) 및 toll like receptor-2 (TLR-2)의 발현 정도를 측정하였다. 본 연구 결과, 대장 길이와 조직 분석학적 결과로 DLP, DDL 및 DDH군에서 대장 길이가 감소되는 증후와 대장 조직 내 부종, 손상 및 crypt 내 술잔세포 수의 감소를 유의적으로 저해하였다. 대장 조직에서 염증성 사이토카인인 TNF-α 및 IL-6 수준은 DLP, DDL 및 DDH군에서 DSS군과 비교하여 TNF-α 및 IL-6 수준이 감소되는 경향을 보였다. 특히 DDL 및 DDH군에서는 대장 조직의 TNF-α 및 IL-6 수준이 유의적으로 감소되었으며, 또한 IL-1β mRNA 발현 수준 역시 유의적으로 감소하였다. 그러나 DLP군에서 대장 조직의 염증성 사이토카인 수준은 감소한 반면 mRNA 발현에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 대장 조직의 TLR-2 mRNA 발현 수준에서 DDH군에서 현저하게 증가하였다. 본 연구 결과들을 통해 DSS로 유도된 대장염 동물모델에서 lactobacillus plantarum cellular particle의 투여는 염증성 사이토카인 생성을 억제하여 장관 면역시스템을 조절함으로써 면역기능을 개선 할 것으로 생각된다. 또한 live lactobacillus plantarum K8 보다 lactobacillus plantarum cellular particle의 투여가 장관 염증반응 억제에 더 효과적으로 나타났다. 특히 lactobacillus plantarum cellular particle 고용량 투여는 염증성 사이토카인의 생성 억제 및 TLR-2 신호를 매개한 tight junction 단백질의 발현에 관여할 것으로 사료된다. 따라서 본 연구결과를 근거로 향후 추가적인 연구를 통해 lactobacillus plantarum cellular particle의 TLR-2 신호를 매개한 장점막 방벽 강화 기전 확인이 필요할 것으로 판단된다.