Lactobacillus Plantarum PS128 hos patienter med svær depressiv lidelse og højt betændelsesniveau

1. Baggrund Major depressiv lidelse (MDD) er en kompleks og langvarig sygdom, der involverer markante funktionsnedsættelser hos berørte patienter. Det har været en af ​​de førende årsager til global sygdomsbyrde, især i middelaldergrupperne (GBD Lancet 2016; 388:1603-58). Det er også en almindelig komorbiditet hos patienter med irritabel tyktarm, kardiovaskulær sygdom og cancer (Musselman et al. 1998; Spiegel et al. 2003; Whitehead et al. 2002). De mekanismer, der er ansvarlige for depression og dens komorbiditet, er ikke klare, men inflammatoriske processer kan være impliceret. Meta-analyse har vist, at patienter med depression har højere niveauer af inflammatoriske markører, såsom C-reaktivt protein (CRP), interleukin-1 (IL-1), interleukin-6 (IL-6) og tumornekrosefaktor (TNF) )-alpha (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). Mikrobiota-tarm-hjerne-aksen kan forklare højere inflammatoriske cytokiner hos patienter med MDD. Akkumulerende data indikerer nu, at tarmmikrobiotaen kan kommunikere med CNS - muligvis gennem immune, neurale og endokrine veje - og derved påvirker hjernens funktion og adfærd (Cryan et al. 2012; Forsythe et al. 2016; Rogers et al. 2016). Probiotika, som defineres som en levende organisme, der, når den indtages i tilstrækkelig mængde, udøver en sundhedsmæssig fordel, kan påvirke tarmmikrobiota, hjernens neurokemi, HPA-aksen og inflammation, og kan være en ny klasse af psykotrope stoffer (Dinan et al. 2013).

1.1 Mikrobiota-tarm-hjerne-akse Den nedre mave-tarmkanal indeholder næsten 100 billioner mikroorganismer, hvoraf de fleste er bakterier. Mikrobiotaen koder tilsammen for mere end 3,3 millioner ikke-redundante gener, hvilket overstiger antallet, der kodes af det menneskelige værtsgenom, 150 gange (Qin et al. 2010). Mange mikrobielle genprodukter har vigtige virkninger på stofskiftet og værtens sundhed.

Der har været adskillige undersøgelser, der understøtter kommunikationen mellem tarmmikrobiota og hjerne. Undersøgelse med kimfrit (GF) dyr er en god model til at vise forholdet mellem mikrobiota og hjerne. Sammenlignet med specifikke patogenfrie (SPF) mus med en normal tarmmikrobiota viser GF-mus øget motorisk aktivitet og reduceret angstadfærd. En øget omsætning af dopaminerge og serotonerge neurotransmittere i striatum blev observeret i GF-mus (Diaz Heijtz et al. 2011). Derudover udviste GF-mus højere adrenokortikotropisk hormon (ACTH) og kortikosteronforhøjelse som reaktion på tilbageholdenhedsstimulus end SPF-mus gjorde (Sudo et al. 2004). Det tyder på, at tarmmikrobiota kan påvirke værtens reaktion på stress.

Adskillige undersøgelser har vist, at manipulation af tarmmikrobiota kan påvirke præsentationen af ​​værtens psykofysiologi. For eksempel er forbrug af fedtrig kost (HFD) forbundet med ændret mikrobiel diversitet (Daniel et al. 2014) og reduceret synaptisk plasticitet (Liu et al. 2015). HFD øgede også angstlignende adfærd (Sharma et al. 2013). Voksne C57BL/6-hanmus, der fik HFD-mikrobiota, havde signifikante og selektive forstyrrelser i udforskende, kognitiv og stereotyp adfærd sammenlignet med mus med kontroldiætmikrobiota. Ingen signifikante forskelle i kropsvægt blev noteret. Forskellen i sammensætning af tarmmikrobiota mellem HFD- og normalkostgrupper blev bemærket (Bruce-Keller et al. 2015).

Administration af antibiotika er en anden måde at påvirke tarmens mikrobiotasammensætning og ændre værtens psykofysiologi. Oral administration af ikke-absorberbare antimikrobielle stoffer ændrede forbigående tarmmikrobiotasammensætning og øgede udforskende adfærd og hippocampus ekspression af BDNF mRNA hos mus, men intraperitoneal administration havde ingen effekt på adfærd (Bercik et al. 2011). Øget antibiotikaeksponering var forbundet med risikoen for depression og angst i en befolkningsundersøgelse (Lurie et al. 2015). Derfor kan administration af probiotika være en direkte måde at ændre miljøet og sammensætningen af ​​tarmmikrobiota og observere dens fysiologiske virkninger på værten.

1.2 Administration af probiotika i dyreforsøg Dyreforsøg har vist, at probiotika påvirker psykofysiologiske markører for angst og depression. Desbonnet et al. fandt ikke en signifikant effekt af Bifidobacteria infantis-behandling på svømmeadfærd på dag 3 eller dag 14 hos naive rotter. Behandling med Bifidobacteria infantis svækkede imidlertid pro-inflammatoriske immunresponser og forhøjede tryptofan, hvilket tyder på, at dette probiotikum kan have antidepressive egenskaber (Desbonnet et al. 2008). I deres følgende undersøgelse brugte de maternal separation (MS) rotter som undersøgelsesdyr. De fandt, at MS-rotter reducerede svømmeadfærd og øget immobilitet i tvungen svømmetest (FST), nedsat noradrenalin (NA) indhold i hjernen og forbedret perifer IL-6-frigivelse og amygdala corticotrophin-releasing factor (CRF) mRNA-niveauer sammenlignet med kontrol rotter (Desbonnet et al. 2010). Behandling med Bifidobacteria infantis resulterede i normalisering af immunresponset, reversering af adfærdsmæssige underskud og genoprettelse af basale NA-koncentrationer i hjernestammen. Disse ændringer var sammenlignelige med dem, der blev observeret i citalopram-gruppen, hvilket tyder på, at nogle probiotiske fordele ligner antidepressive virkninger (Desbonnet et al. 2010). Liu et al fandt, at Lactobacillus plantarum PS128 (PS128) kunne lindre angstlignende, men ikke depressionslignende adfærd hos GF-mus og signifikant øgede niveauer af både serotonin og dopamin i striatum, men ikke i præfrontal cortex og hippocampus (Liu WH et al. al. 2016). I MS-modellen reducerede PS128 imidlertid signifikant depressionslignende, men ikke angstlignende adfærd. PS128 reducerede signifikant angstlignende, men ikke depressionslignende adfærd hos naive mus. Det reducerede også niveauerne af inflammatorisk cytokin, IL-6, og øgede niveauet af antiinflammatorisk cytokin, IL-10, hos MS-mus (Liu YW et al. 2016). PS128 havde mere indlysende effekt på psykofysiologi hos MS-mus end hos naive mus, tyder på, at probiotisk administration kan have mere robust effekt på modifikation af adfærd, neurokemi og HPA hos dem, der lider af højere stress.

1.3 Mikrobiotasammensætning hos patienter med MDD Da sammensætninger af tarmmikrobiota ændrer inflammation, neurokemi og adfærd i dyreforsøg, sammenlignede flere humane undersøgelser tarmmikrobiota mellem patienter med MDD og raske kontroller. Naseribafrouei et al. sammenlignede tarmmikrobiotasammensætninger hos 37 deprimerede og 18 ikke-deprimerede deltagere. Resultaterne viste Bacteroidales overpræsentation, mens Lachnospiraceae underrepræsentation, hos deprimerede deltagere. Ved lave taksonomiske niveauer var Oscillibacter og Alistipes forbundet med depression (Naseribafrouei et al. 2014). Jiang et al rekrutterede 29 aktive MDD (A-MDD), 17 reagerede MDD (R-MDD) og 30 sunde kontroller (HC) og sammenlignede deres tarmmikrobiota. De fandt, at øget fækal bakteriel alfa-diversitet i A-MDD vs. HC-gruppen, men ikke i R-MDD vs. HC-gruppen. Bacteroidetes, Proteobacteria og Actinobacteria steg signifikant, hvorimod den for Firmicutes var signifikant reduceret i A-MDD- og R-MDD-grupperne sammenlignet med HC-gruppen. MDD-grupper havde øgede niveauer af Enterobacteriaceae og Alistipes, men reducerede niveauer af Faecalibacterium (Jiang et al. 2015). Ikke kun forskelle i sammensætning af tarmmikrobiota mellem patienter med MDD og sund kontrol, transplantation af fækal prøve fra MDD-patienter til mus kan inducere depressiv-lignende adfærd hos modtagermus. Sammensætningen af ​​tarmmikrobiota i modtagermus svarede til den hos human vært (Zheng et al. 2016). Denne undersøgelse understøtter, at tarmmikrobiom kan have en kausal rolle i udviklingen af ​​depressiv-lignende adfærd.

1.4 Effekter af probiotika på humør i humane undersøgelser Ud over forskellene i fordeling af tarmmikrobiota mellem deprimerede og ikke-deprimerede forsøgspersoner har flere humane undersøgelser vist, at probiotika kan have gavnlig effekt på humøret. Benton et al. viste, at der ikke var nogen signifikant forskel i humørsvingninger, målt ved Profile of Mood State, mellem raske deltagere, der brugte probiotisk (indeholdende Lactobacillus casei) mælk i 3 uger og dem, der brugte mælk uden probiotika. De fandt dog, at de, der var i dårligt humør ved baseline, blev bedre efter at have brugt probiotikaholdig mælk (Benton et al. 2007). Mohammadi et al. viste også, at deltagere brugte probiotisk yoghurt (indeholdende Lactobacillus acidophilus LA5 og Bifidobacterium lactis BB12) eller probiotisk kapsel (indeholdende Actobacillus casei, L. acidophilus, L. rhamnosus, L. bulgaricus, .B. breve, B. thermophilum long) i 6 uger havde signifikant forbedring i humøret, målt ved GHQ og Depression Angst og Stress Scale, men dem, der brugte konventionel yoghurt, havde ingen signifikant ændring i disse målinger. Der var ingen forskelle i HPA-akseindekser, såsom cortisol og ACTH, blandt disse tre grupper (Mohammadi et al. 2016). Messaoudis undersøgelse, hvor deltagerne var raske frivillige, viste, at administration af probiotika (indeholdende L. helveticus R0052 og B. longum R0175) kunne forbedre deltagernes humørsymptomer, målt ved Hopkins Symptom Checklist-90 og Hospital Anxiety and Depression Scale sammenlignet med dem. brugt placebo (Messaoudi et al. 2011). Øget kognitiv reaktivitet over for normale, forbigående ændringer i trist humør er en etableret markør for sårbarhed over for depression og betragtes som et vigtigt mål for interventioner (Kruijt et al. 2013). Steenbergen et al. fandt, at den samlede kognitive reaktivitet var signifikant reduceret, hvilket i vid udstrækning skyldtes reducerede drøvtygnings- og aggressionssubskalaer, hos deltagere uden aktuelle humørsygdomme efter 4 ugers administration af flere arter af probiotika. Fordi de brugte ikke-deprimerede deltagere, ændrede BDI og BAI sig ikke signifikant efter intervention (Steenbergen et al. 2015). Effektiviteten af ​​probiotika i humørsymptomer er ikke kun vist hos raske frivillige, men også hos kliniske forsøgspersoner. Hos patienter med kronisk træthedssyndrom, Rao et al. fandt, at administration af Lactobacillus casei i 2 måneder kunne forbedre BAI, men ikke BDI, sammenlignet med placebo. Samtidig steg fækale Lactobacillus og Bifidobacteria efter 2-måneders L. casei-intervention (Rao et al. 2009). Akkasheh et al. gav multi-arts probiotika, indeholdende Lactobacillus acidophilum, Lactobacillus casei og Bifidobacterium bifidum, eller placebo til patienter med MDD i 8 uger. De fandt ud af, at multi-species probiotika signifikant kunne reducere BDI-score hos patienter med svær depressiv lidelse (Akkasheh et al. 2016), men hvilken stamme af probiotika der udøver den gavnlige effekt er ikke klart.

1.5 Barndomstraumer, inflammation og tarmgennemtrængelighed ved depression I dyreforsøg viste tidlig livsstress, såsom moderadskillelse, forhøjet IL-6-niveau og øget depressiv-lignende adfærd (øget immobilitetstid i FST) (Liu YW et al. 2016) . En nylig metaanalyse viste, at barndomstraumer bidrager til en pro-inflammatorisk tilstand i voksenalderen (Baumeister et al. 2016). Derudover øgede barndomstraumer også risikoen for depressive lidelser (Norman et al. 2012). Metaanalyser har vist, at patienter med MDD har forhøjede seruminflammatoriske cytokiner (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). En mulig mekanisme, der bidrager til systemisk inflammation hos patienter med MDD, er bakteriel translokation på grund af øget tarmpermeabilitet (utæt tarm). Figur 2 viser sammenhængen mellem barndomstraumer, tarmgennemtrængelighed, inflammation og depression.

Hver mikrobe har et mikrobe-associeret molekylært mønster (MAMP) eller patogen-associeret molekylært mønster (PAMP). Mikrober, der lækker fra tarmen, aktiverer MAMP'erne og mønstergenkendelsesreceptorer, såsom Toll-like receptors (TLR'er). Proinflammatoriske cytokiner, såsom IL-6, TNF-alfa, frigives fra celler efter en række signaltransduktion.

Probiotika kan påvirke tarmens permeabilitet. HFD-afledt tarmmikrobiota øgede intestinal permeabilitet, systemisk inflammation og hjernebetændelse (Bruce-Keller et al. 2015). En in vitro undersøgelse viste, at Lactobacillus rhamnosus GG forbedrer tarmbarrieredysfunktion og inflammation gennem hæmning af NF-kappaB (Donato et al. 2010). Administration af Lactobacillus farciminis kunne lindre intestinal permeabilitet og inflammation hos rotter med delvis tilbageholdenhed (Ait-Belgnaoui et al. 2012).

Beviser for øget tarmpermeabilitet hos patienter med MDD blev afsløret af Maes' undersøgelser. Maes et al fandt, at medianværdierne for serum IgM og IgA mod LPS af gramnegative enterobakterier var signifikant større hos patienter med MDD end hos normale frivillige, hvilket tyder på, at øget tarmpermeabilitet resulterer i en øget translokation af gramnegativ mikrobiota (Maes et al. al. 2008; Maes et al. 2012). Hos patienter med alkoholafhængighed havde dem med øget tarmpermeabilitet, som blev målt med den radioaktive probe 51Cr-EDTA, højere depressions- og angstscore end dem med normal tarmpermeabilitet. Sammensætningen og aktiviteten af ​​mikrobiota blev ændret hos patienter med øget tarmpermeabilitet (Leclercq et al. 2014).

1.6 Begrundelse for den nuværende undersøgelse PS128 blev fundet i traditionel fermenteret mad, fu-tsai, af vores co-PI (Tsai YC), og dens genomarkitektur er blevet færdig og indikerede dens potentielle immunmodulerende effekt. (Chao et al. 2009). Lactobacillus plantarum er generelt anerkendt som sikker (GRAS). PS128 kan reducere IL-6-niveauer og øget IL-10-niveau, som ledsaget af forbedret depressionslignende adfærd, hos MS-mus (Liu YW et al. 2016). I det aktuelle studie vil vi gerne undersøge effekten af ​​PS128 på psykofysiologi, herunder sammensætning af tarmmikrobiota, tarmpermeabilitet og inflammation, TLR-ekspression, serumcytokinniveauer og depressive symptomer hos patienter med MDD.

Metaanalyser har vist, at patienter med MDD har højere inflammatoriske cytokiner (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009), men kun en undergruppe af patienter med MDD har et højere niveau af inflammation. Ifølge definitionen af ​​høj inflammation af hs-CRP > 3 mg/l (Pearson et al. 2003) var andelen af ​​patienter med høj inflammation 24 % hos patienter med MDD (Rapaport et al. 2016) og 45 % hos patienter med behandlingsresistent depression (Raison et al. 2011). Baseline inflammatorisk niveau kan påvirke behandlingsrespons. For eksempel havde patienter med høj baseline-inflammation bedre behandlingsrespons på infliximab (tumornekrosefaktorantagonist) (Raison et al. 2013) og omega-3 fedtsyrer (Rapaport et al. 2016) sammenlignet med dem med lav baseline-inflammation. I Raisons undersøgelse var effekten af ​​infliximab på depressionssymptomer værre end placebo hos dem med lavere inflammatorisk niveau ved baseline (Raison et al. 2013). Derfor vil vi rekruttere patienter med MDD og højt inflammatorisk niveau til vores PS128 interventionsstudie.

Vi antager, at PS128 kan (1) ændre sammensætningen af ​​tarmmikrobiota; (2) forbedre tarmpermeabiliteten, som måles ved fækalt zonulinniveau, og inflammation, som måles ved fækalt calprotectinniveau; (3) reducere translokationen af ​​patogen til cirkulationssystemet, hvilket vil blive demonstreret ved reduceret TLR-ekspression, (4) reducere IL-6 og TNF-alfa og hs-CRP og øge IL-10-niveauet. Vi håber, at forbedringen af ​​inflammationsniveauet også kan have en gavnlig effekt på depressive symptomer.