Anti – inflammatory effect of Sasa quelpaertensis leaf extract by regulating anti-oxidant enzymes and gut microbiota dysbiosis on dextran sulfate sodium – induced colitis in mouse model

Abstract

Inflammatory bowel diseases (IBD), is chronic inflammatory disorders of gastrointestinal tract, involves chronic relapsing. IBD is related with dysfunction of mucosal immune system and results from complex interactions between genetics and environmental factors e.g. oxidative stress, lifestyle, diet, and, gut microbiome. Sasa quelpaertensis leaves have been reported that anti-inflammatory and anti-carcinogenic effects. The objective of this study is to investigate the protective effect of Sasa quelpaertensis leaf extract (SQE) against oxidative stress in mice with dextran sulfate sodium (DSS)-induced colitis. We also analyzed the microbial communities in fecal samples from mice with DSS-induced colitis using pyrosequencing. Mice were presupplemented with SQE by oral gavage for two weeks and then received SQE or sulfasalazine (SSZ) with 2.5% DSS in drinking water for 7 days, then 7 days of normal drinking water, then 2.5% DSS in drinking water for another 7 days. Administration of SQE significantly reduced the severity of DSS-induced colitis compared to the control group. Levels of 8-oxo-dG, an oxidative DNA damage marker, were significantly lower in the SQE group compared with the DSS group. Anti-oxidant markers, malondialdehyde (MDA), superoxide dismutase (SOD), and catalase levels were significantly modulated by SQE supplementation compared with those of DSS group. Also, in the DSS group, the protein expression levels of the antioxidant enzymes, SOD2 and Gpx1 were significantly higher in the colon tissues, while the levels of SOD1 expression were lower, than those of the control group. In contrast, administration of SQE significantly down-regulated expression of SOD2 and Gpx1 and up-regulated SOD1 expression. In addition, DSS treatment highly increased phylum Bacteroidetes and decreased Firmicutes compared with control group. However, SQE supplementation recovered the proportion of Firmicutes and Bacteroidetes back to control level. Furthermore, the proportion of Bacteroidia and Gammaproteobacteria were increased in DSS group, while Clostridia was decreased in the DSS group compared with the control group. Supplementation of SQE showed higher the proportion of Clostridia and lower Bacteroidia and Gammaproteobacteria compared with the DSS group and the diversity of each taxomonic level were greater than those of the DSS group. These results indicate that SQE efficiently suppresses oxidative stress in DSS-induced colitis in mice, also SQE protects colitis associated - microbial dysbiosis by regulating microbial composition and diversity which provide a comprehension of the role of the microbiota and host interaction in IBD.;만성 염증성 장질환은 소화관에서 발생하는 재발성의 만성적인 염증 반응 이상을 특징으로 하는 질환으로 원인은 아직 불분명 하다. 일반적으로 유전적 요인과 환경적 요인이 복합적으로 작용하며 장내 점 막의 면역 시스템 기능 이상으로 이어질 수 있다. 최근 다양한 연구를 통해 제주 조릿대 잎의 항염증, 항암, 항비만 효과 등이 밝혀지고 있다. 이러한 자료를 토대로 한 이 연구의 목적은 제주 조릿대 잎 추출물의 만성 염증성 장 질환 마우스 모델에서 항산화 효과를 확인하고, 만성염증성 장 질환 모델의 마우스 변에서 채취한 DNA를 통해 각 군의 장 내 미생물 군집의 구성과 다양성을 비교하는 것이다. 실험을 위해 제주 조릿대 잎 추출물 군의 마우스들에게 2주간 위관투여를 통해 미리 조릿대를 투여하고, 이 후 7일간 마시는 물 형태 의 2.5% DSS와 제주 조릿대 잎 추출물 또는 항생제를 투여 한다. 7일 간의 회복기 이후 전과 동일하게 7일간 마시는 물 형태의 2.5% DSS를 투여한다. 만성 염증성 장 질환 마우스 모델에서 제주 조릿대 잎 추출물은 질병 대조군과 비교하여 장내 염증을 완화 시키고, 대장 길이를 회복 시켰다. 또한 산화적 DNA 손상 마커로써 사용되는 8-oxo-dG 수준을 확인한 결과, 대조군과 비교하여 장내의 만성 염증성 장 질환군에서 DNA의 산화적 손상이 높게 나타났고, 제주 조릿대 잎 추출물 군의 경 우 DNA의 산화적 손상을 감소 시켰다. 제주 조릿대 잎 추출물의 항산 화 효과를 확인하기 위해, MDA, SOD, catalase, Gpx1의 항산화 효소의 활성을 혈청과 대장 내에서 확인한 결과, 제주 조릿대 잎 추출물 군에 서 항산화 효소의 수준이 대조군과 유사하게 조절되는 것을 확인하였다. DSS를 사용하여 만성 염증성 장 질환이 유도된 마우스 군에서 는 대조군과 비교하여 문(phylum)수준에서 Bacteroidetes의 비율이 증가하고 Firmicutes의 비율이 감소하였다. 하지만 제주 조릿대 잎 추출물 투여군에서는 Bacteroidetes과 Firmicutes의 비율이 대조군과 유 사하게 회복이 되었다. 더불어, Bacteroidia 과 Gammaproteobacteria 의 비율이 대조군과 비교하여 만성 염증성 장 질환군에서 증가하였고 반면에 Clostridia의 비율은 감소하였다. 제주 조릿대 잎 추출물 투여군 에서는 Bacteroidia, Gammaproteobacteria, Clostridia의 비율이 대조 군과 유사한 수준으로 변화하였다. 이 외에도 각각의 박테리아의 분류 학적 수준의 다양성이 제주 조릿대 잎 추출물의 투여군에서 만성 염증 성 장 질환군과 비교하여 대조군과 유사한 모습을 보여주었다. 이러한 결과들은 만성 염증성 장 질환에서 제주 조릿대 잎 추출 물이 항산화 효소의 활성을 조절하면서 효과적으로 산화적 스트레스를 억제하고, 장내 미생물의 구성과 다양성을 조절하면서 장염과 관련된 장내 미생물 불균형을 보호할 수 있음을 나타낸다. 이 연구는 앞으로 만성 염증성 장 질환 환자와 장내 미생물 군집의 관계를 이해하는데 기 초자료를 제공하고 또한 제주 조릿대 잎 추출물의 천연물질 치료 전략 으로서의 가능성을 보여준다.