Alleviation of colitis in mice administered with vitamin D-loaded resistant starch nanoparticles internalized in Lactobacillus plantarum

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) is chronic inflammation of the gastrointestinal tract. Although the prevalence of IBD is increasing internationally, there is no ideal cure owing to side effects. Therefore, research on alternate therapy using probiotics, prebiotics, and Vit D has been actively conducted. In this study, vitamin D3 (Vit D)-loaded acetyl resistant starch (ARS) nanoparticles (NPs), used as nanoprebiotics, were internalized in Lactobacillus plantarum (L. plantarum). Also, Vit D was released from L. plantarum in a controlled manner. Effects of L. plantarum internalized with Vit D-loaded ARS NPs in Caco-2 cells and dextran sodium sulfated (DSS)-induced colitis model were examined thoroughly. The results showed that the treatment of Vit D-loaded ARS NPs-internalized in L. plantarum (LPSV) were mitigated the deleterious effects of DSS on monolayer cell permeability by enhancing tight junction proteins and alleviated colitis effects by enhancing the epithelial barrier function in conjunction with inhibition of inflammatory responses in the gut. It was intriguing that there was no significant change in intestinal barrier damage in LPSV treated group by increased occludin genes in colon. In addition, pro-inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor-α (TNF-α) and interferon-γ (IFN-γ) were significantly low in concordance with enhanced proportion of Tregs in peripheral lymph nodes (pLN) and mesenteric lymph nodes (mLN) by the treatment of LPSV. Collectively, LPSV contributes to colitis alleviation, which can be utilized as a potential therapeutic agent against IBD.

본 연구에서는 프로바이오틱스, 나노프리바이오틱스, 면역 조절 물질을 조합한 신바이오틱스 활용을 통해, 장내 불균형한 면역반응으로 인해 염증이 유발된 장내에서 대장염 완화에 기여할 수 있음을 살펴보았다. 신바이오틱스는 살아있는 미생물인 프로바이오틱스와 숙주의 미생물에 의해 이용되어 건강상의 이점을 주는 난소화성 물질인 프리바이오틱스의 조합을 의미한다. 최근 프리바이오틱스의 기능을 향상하기 위한 목적으로 나노 프리바이오틱스의 활용도가 높아지고 있으며, 해당 연구에서는 면역 조절 물질로 알려진 Vit D를 난소화성 전분 나노입자에 담지하여 나노 프리바이오틱스로 활용하였다. Vit D와 난소화성 전분 입자는 싱글 에멀젼 방식을 통해 나노입자로 형성되었으며, 해당 나노입자는 락토바실러스 플란타룸에 내재화되어 신바이오틱스로 이용되었다. Vit D가 담지된 난소화성 전분 나노입자가 내재화된 락토바실러스 플란타룸 (LPSV)에서 Vit D가 담지된 나노입자보다 Vit D 방출량이 더 증가하였음을 확인할 수 있었다. 또한 인간 대장 선암 세포주 (Caco-2) 와 DSS로 장염이 유발된 마우스 모델에서 LPSV의 효능을 검증하였다. LPSV는 Caco-2 세포 내에서 밀착 연접 단백질을 증가시켜 단층 세포 투과성에 대한 DSS의 유해한 영향을 완화했다. 또한 대장염이 유발된 마우스에서 몸무게 변화, 장 길이, 비장 무게, 대장의 조직검사, 장내 투과성 검사를 통한 현상적 비교를 진행하였을 때, 흥미롭게도 LPSV를 처리한 그룹에서 음성대조군과 비슷한 수준으로 대장염이 완화되었음을 확인할 수 있었다. 또한 장에서 밀착 연접 단백질인 occludin이 증가하였으며, 종양괴사인자 (Tumor necrosis factor)-α와 인터페론 (Interferon)-γ 와 같은 전염증성 사이토카인이 감소하였다. 이와 더불어 말초 림프절과 장간막 림프절에서 조절 T 세포의 비율이 증가함을 확인할 수 있었다. 결론적으로, Vit D가 담지된 난소화성 전분 나노입자가 내재화된 락토바실러스 플란타룸은 장벽 강화 및 면역 항상성 유지를 통해 대장염 완화에 기여하며, 이는 염증성 장 질환에 대한 잠재적 치료제로 활용될 가능성을 시사한다.