The effects of Lactobacillus crispatus on alleviation of allergic asthma

Abstract

Development of asthma is affected by the microbiota modulating immune and metabolic functions of host. Epidemiological studies have shown more frequent incidence of asthma in infants delivered by Caesarean section than in ones delivered by vaginal birth. In this study, we investigated the effect of representative vaginal lactobacilli strain, Lactobacillus crispatus (LC), on alleviating asthmatic responses induced by ovalbumin (OVA) and house dust mite (HDM) in mice. Daily oral administration of LC isolate from a healthy Korean woman initiated seven days prior to day 0 (approximately 2.0 ×109 CFU/mouse/day) and continued until the end of the experiments. In OVA-induced asthma model, mice were sensitized with OVA and alum through intraperitoneal injection on day 0 and 14, followed by OVA challenge through intranasal injection on day 18 - 20. In HDM-induced asthma model, mice were challenged with HDM on day 0, day 7-11 through intratracheal injection. In both studies, histological analysis of lung tissue revealed significantly reduced eosinophil infiltration around bronchioles in LC-administered group compared to control group. The LC-administered group displayed a significantly lower airway hyperresponsiveness level compared to HDM-WT group. Flow cytometric analysis revealed that LC treatment successfully reduced OVA/HDM-induced IL-5 and IL-13 in lungs and IL-5+/13+ CD4+ T lymphocytes in an IL-4-independent manner. We observed a significant elevation in IL-5+/13+ innate lymphoid cell (ILC) population induced by OVA, but not by HDM, which was inhibited by LC treatment. We also observed a significantly reduced dendritic cells in LC-treatment group in HDM-induced asthma model. In order to confirm the underlying mechanism of anti-inflammatory action of LC, we purified and treated peptidoglycan (PGN) from LC culture to papain-stimulated murine epithelial cells in vitro. Both pasteurized LC pellets and LC PGN significantly reduced il-33 expression in murine lung epithelial cells. Taken together, LC successfully alleviated allergic asthmatic responses induced by OVA and HDM in mice and can be applied to a microbiome-based therapy for asthma.

천식의 발달은 숙주의 면역 및 대사 기능을 조절하는 미생물군총의 영향을 받는다. 제왕절개 분만으로 태어난 아기가 자연분만으로 태어난 아기에 비해 높은 천식 발병률을 보인다는 역학 조사 보고가 잇따르고 있다. 이 연구에서는 여성 질내 균총의 대표적인 락토바실러스 균주인 락토바실러스 크리스파투스 (LC)의 오브알부민 (OVA)과 집먼지 진드기 (HDM)로 유도한 알러지성 천식의 완화 효과를 쥐를 대상으로 한 in vivo 모델에서 확인하였다. 건강한 한국 여성의 질에서 분리한 LC를 유도 실험 7일 전부터 실험 종료일까지 매일 경구 투여 (약 2.0 ×109 CFU/쥐/일) 하여 쥐의 장 내에 균주의 정착을 유도하였다. OVA 실험 에서는 0일과 14일에 쥐에게 OVA와 알럼을 복강 투여하여 감작을 진행하고, 18일부터 20일까지 비강주사로 OVA를 주입하여 질병을 유도하였다. HDM 실험 에서는 0일과 7일부터 11일까지 기관내 주사를 통해 HDM을 주입하여 질병을 유도하였다. 조직학적 분석 결과 두 실험 모두에서 LC를 투여한 그룹에서 호산구의 폐 침투율이 유의하게 감소한 것을 확인하였다. HDM 실험 에서는 폐의 기능성을 측정하기 위해 기도과민성을 측정하였는데, LC를 투여한 그룹이 양성 유도군에 비해 유의하게 감소하였다. 유동세포분석법을 통하여 OVA와 HDM에 의해 증가된 IL-5, IL-13 및 IL-5+/13+ CD4+ T림프구가 LC를 투여했을 때 IL-4와 독립적인 방식으로 감소시키는 것을 확인하였다. 또한, OVA에 의해 증가된 IL-5+/13+ 선천성 림프세포를 LC가 유의하게 감소시키는 것을 확인하였다. HDM 모델에서는 LC가 수지상 세포를 유의하게 감소시키는 것을 확인하였다. 다음으로 LC의 항염증성 작용에 직접적인 관련이 있는 LC의 세포물질을 파악하고 관련 기전을 연구하고자 하였다. LC의 세포벽의 펩티도글리칸을 분리하여 파파인으로 자극시킨 폐 상피세포 (MLE-12)에 처리하였다. 살균된 LC와 LC의 펩티도글리칸을 처리했을 때 il-33의 유전체 발현랑이 유의하게 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구는 LC가 OVA와 HDM으로 유도한 알러지성 천식을 효과적으로 완화시킬 수 있음을 확인하였고 마이크로비옴을 기반으로 한 천식 치료에 본 연구의 결과를 이용할 수 있음을 시사한다.