Lactobacillus Plantarum PS128 in pazienti con disturbo depressivo maggiore e alto livello di infiammazione

1. Contesto Il disturbo depressivo maggiore (MDD) è una malattia complessa ea lungo termine che comporta disabilità marcate nei pazienti affetti. È stata una delle principali cause del carico globale di malattia, specialmente nei gruppi di mezza età (GBD Lancet 2016; 388:1603-58). È anche una comorbilità comune nei pazienti con sindrome dell'intestino irritabile, malattie cardiovascolari e cancro (Musselman et al. 1998; Spiegel et al. 2003; Whitehead et al. 2002). I meccanismi responsabili della depressione e della sua comorbilità non sono chiari, ma possono essere implicati processi infiammatori. La meta-analisi ha dimostrato che i pazienti con depressione hanno livelli più elevati di marcatori infiammatori, come la proteina C-reattiva (CRP), l'interleuchina-1 (IL-1), l'interleuchina-6 (IL-6) e il fattore di necrosi tumorale (TNF). )-alfa (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). L'asse microbiota-intestino-cervello può spiegare citochine infiammatorie più elevate nei pazienti con MDD. I dati accumulati ora indicano che il microbiota intestinale può comunicare con il sistema nervoso centrale, possibilmente attraverso percorsi immunitari, neurali ed endocrini, e quindi influenzare la funzione e il comportamento del cervello (Cryan et al. 2012; Forsythe et al. 2016; Rogers et al. 2016). I probiotici, che sono definiti come un organismo vivo che, se ingerito in quantità adeguate, esercita un beneficio per la salute, può influenzare il microbiota intestinale, la neurochimica cerebrale, l'asse HPA e l'infiammazione e può essere una nuova classe di psicotropi (Dinan et al. 2013).

1.1 Asse microbiota-intestino-cervello Il tratto gastrointestinale inferiore contiene quasi 100 trilioni di microrganismi, la maggior parte dei quali sono batteri. Il microbiota codifica collettivamente più di 3,3 milioni di geni non ridondanti, superando di 150 volte il numero codificato dal genoma dell'ospite umano (Qin et al. 2010). Molti prodotti genici microbici hanno effetti importanti sul metabolismo e sulla salute dell'ospite.

Ci sono stati numerosi studi a sostegno delle comunicazioni tra il microbiota intestinale e il cervello. Lo studio che utilizza animali privi di germi (GF) è un buon modello per mostrare la relazione tra microbiota e cervello. Rispetto ai topi privi di patogeni specifici (SPF) con un normale microbiota intestinale, i topi GF mostrano una maggiore attività motoria e un comportamento ansioso ridotto. Nei topi GF è stato osservato un aumento del turnover dei neurotrasmettitori dopaminergici e serotoninergici nello striato (Diaz Heijtz et al. 2011). Inoltre, i topi GF hanno mostrato un aumento dell'ormone adrenocorticotropo (ACTH) e del corticosterone più elevati in risposta allo stimolo di contenzione rispetto ai topi SPF (Sudo et al. 2004). Suggerisce che il microbiota intestinale può influenzare la risposta dell'ospite allo stress.

Diversi studi hanno dimostrato che la manipolazione del microbiota intestinale può influenzare la presentazione della psicofisiologia dell'ospite. Ad esempio, il consumo di una dieta ricca di grassi (HFD) è associato a diversità microbica alterata (Daniel et al. 2014) e ridotta plasticità sinaptica (Liu et al. 2015). L'HFD ha anche aumentato il comportamento ansioso (Sharma et al. 2013). I topi C57BL/6 maschi adulti a cui è stato somministrato il microbiota HFD hanno avuto interruzioni significative e selettive nel comportamento esplorativo, cognitivo e stereotipato rispetto ai topi con microbiota dietetico di controllo. Non sono state notate differenze significative nel peso corporeo. È stata notata la differenza nella composizione del microbiota intestinale tra HFD e gruppi a dieta normale (Bruce-Keller et al. 2015).

La somministrazione di antibiotici è un altro modo per influenzare la composizione del microbiota intestinale e modificare la psicofisiologia dell'ospite. La somministrazione orale di antimicrobici non assorbibili ha alterato transitoriamente la composizione del microbiota intestinale e aumentato il comportamento esplorativo e l'espressione ippocampale dell'mRNA del BDNF nei topi, ma la somministrazione intraperitoneale non ha avuto alcun effetto sul comportamento (Bercik et al. 2011). L'aumento delle esposizioni agli antibiotici è stato associato al rischio di depressione e ansia in uno studio di popolazione (Lurie et al. 2015). Pertanto, la somministrazione di probiotici può essere un modo diretto per modificare l'ambiente e la composizione del microbiota intestinale e osservare i suoi effetti fisiologici sull'ospite.

1.2 Somministrazione di probiotici negli studi sugli animali Gli studi sugli animali hanno dimostrato che i probiotici influenzano i marcatori psicofisiologici di ansia e depressione. Debonnet et al. non ha trovato un effetto significativo del trattamento con Bifidobacteria infantis sui comportamenti di nuoto al giorno 3 o al giorno 14 nei ratti naïve. Tuttavia, il trattamento con Bifidobacteria infantis ha attenuato le risposte immunitarie pro-infiammatorie e aumentato il triptofano, suggerendo che questo probiotico potrebbe possedere proprietà antidepressive (Desbonnet et al. 2008). Nel loro studio successivo, hanno utilizzato ratti di separazione materna (SM) come animali da studio. Hanno scoperto che i ratti con SM hanno ridotto il comportamento del nuoto e aumentato l'immobilità nel test di nuoto forzato (FST), diminuito il contenuto di noradrenalina (NA) nel cervello e migliorato il rilascio periferico di IL-6 e i livelli di mRNA del fattore di rilascio della corticotropina (CRF) dell'amigdala rispetto al controllo ratti (Desbonnet et al. 2010). Il trattamento con Bifidobacteria infantis ha portato alla normalizzazione della risposta immunitaria, all'inversione dei deficit comportamentali e al ripristino delle concentrazioni basali di NA nel tronco encefalico. Questi cambiamenti erano paragonabili a quelli osservati nel gruppo citalopram, suggerendo che alcuni benefici probiotici sono simili agli effetti antidepressivi (Desbonnet et al. 2010). Liu et al hanno scoperto che il Lactobacillus plantarum PS128 (PS128) potrebbe migliorare il comportamento ansioso, ma non quello depressivo nei topi GF, e aumentare significativamente i livelli di serotonina e dopamina nello striato, ma non nella corteccia prefrontale e nell'ippocampo (Liu WH et al. al.2016). Nel modello MS, tuttavia, PS128 ha ridotto significativamente i comportamenti simili alla depressione, ma non quelli ansiosi. PS128 ha ridotto significativamente il comportamento ansioso, ma non quello depressivo nei topi naïve. Ha anche ridotto i livelli di citochina infiammatoria, IL-6, e aumentato il livello di citochina antinfiammatoria, IL-10, nei topi con SM (Liu YW et al. 2016). PS128 ha avuto un effetto più evidente sulla psicofisiologia nei topi con SM rispetto a quello nei topi ingenui, suggerisce che la somministrazione di probiotici può avere un effetto più robusto sulla modificazione dei comportamenti, della neurochimica e dell'HPA in coloro che soffrono di stress più elevato.

1.3 Composizione del microbiota nei pazienti con MDD Poiché la composizione del microbiota intestinale altera l'infiammazione, la neurochimica e il comportamento negli studi sugli animali, diversi studi sull'uomo hanno confrontato il microbiota intestinale tra pazienti con MDD e controlli sani. Naseribafrouei et al. hanno confrontato le composizioni del microbiota intestinale in 37 partecipanti depressi e 18 non depressi. I risultati hanno mostrato la sovrarappresentazione di Bacteroidales, mentre la sottorappresentazione di Lachnospiraceae, nei partecipanti depressi. A bassi livelli tassonomici, Oscillibacter e Alistipes sono stati associati alla depressione (Naseribafrouei et al. 2014). Jiang et al. hanno reclutato 29 MDD attivi (A-MDD), 17 hanno risposto MDD (R-MDD) e 30 controlli sani (HC) e hanno confrontato il loro microbiota intestinale. Hanno scoperto che aumentava la diversità alfa batterica fecale nel gruppo A-MDD rispetto al gruppo HC ma non nel gruppo R-MDD rispetto al gruppo HC. Bacteroidetes, Proteobacteria e Actinobacteria sono aumentati significativamente, mentre quello di Firmicutes è stato significativamente ridotto nei gruppi A-MDD e R-MDD rispetto al gruppo HC. I gruppi MDD avevano livelli aumentati di Enterobacteriaceae e Alistipes, ma livelli ridotti di Faecalibacterium (Jiang et al. 2015). Non solo le differenze nella composizione del microbiota intestinale tra i pazienti con MDD e il controllo sano, il trapianto di campioni fecali dai pazienti con MDD nei topi può indurre comportamenti depressivi nei topi riceventi. La composizione del microbiota intestinale nei topi riceventi era simile a quella dell'ospite umano (Zheng et al. 2016). Questo studio sostiene che il microbioma intestinale può avere un ruolo causale nello sviluppo di comportamenti di tipo depressivo.

1.4 Effetti dei probiotici sull'umore negli studi sull'uomo Oltre alle differenze nella distribuzione del microbiota intestinale tra soggetti depressi e soggetti non depressi, diversi studi sull'uomo hanno dimostrato che i probiotici possono avere effetti benefici sull'umore. Benton et al. dimostrato che nessuna differenza significativa nel cambiamento dell'umore, misurata dal profilo dello stato dell'umore, tra i partecipanti sani che usavano latte probiotico (contenente Lactobacillus casei) per 3 settimane e quelli che usavano latte senza probiotico. Tuttavia, hanno scoperto che coloro che erano di cattivo umore al basale sono migliorati dopo aver utilizzato latte contenente probiotici (Benton et al. 2007). Mohammed et al. ha anche mostrato che i partecipanti che utilizzavano yogurt probiotico (contenente Lactobacillus acidophilus LA5 e Bifidobacterium lactis BB12) o capsula probiotica (contenente Actobacillus casei, L. acidophilus, L. rhamnosus, L. bulgaricus, .B. breve, B. longum, S. thermophiles) per 6 settimane ha avuto un significativo miglioramento dell'umore, misurato da GHQ e Depression Anxiety and Stress Scale, ma quelli che hanno usato yogurt convenzionale non hanno avuto cambiamenti significativi in ​​queste misurazioni. Non c'erano differenze negli indici dell'asse HPA, come cortisolo e ACTH, tra questi tre gruppi (Mohammadi et al. 2016). Lo studio di Messaoudi, in cui i partecipanti erano volontari sani, ha mostrato che la somministrazione di probiotici (contenenti L. helveticus R0052 e B. longum R0175) potrebbe migliorare i sintomi dell'umore dei partecipanti, misurati da Hopkins Symptom Checklist-90 e Hospital Anxiety and Depression Scale, rispetto a quelli placebo utilizzato (Messaoudi et al. 2011). L'accresciuta reattività cognitiva ai cambiamenti normali e transitori dell'umore triste è un marcatore consolidato di vulnerabilità alla depressione ed è considerato un obiettivo importante per gli interventi (Kruijt et al. 2013). Steenbergen et al. hanno scoperto che la reattività cognitiva complessiva si è ridotta significativamente, il che è stato ampiamente spiegato dalla riduzione delle sottoscale di ruminazione e aggressività, nei partecipanti senza disturbi dell'umore attuali dopo 4 settimane di somministrazione di probiotici multispecie. Poiché hanno utilizzato partecipanti non depressi, BDI e BAI non sono cambiati in modo significativo dopo l'intervento (Steenbergen et al. 2015). L'efficacia dei probiotici nei sintomi dell'umore non è dimostrata solo nei volontari sani, ma anche nei soggetti clinici. Nei pazienti con sindrome da stanchezza cronica, Rao et al. hanno scoperto che la somministrazione di Lactobacillus casei per 2 mesi potrebbe migliorare il BAI, ma non il BDI, rispetto al placebo. Allo stesso tempo, il Lactobacillus ei Bifidobacteria fecali sono aumentati dopo 2 mesi di intervento con L. casei (Rao et al. 2009). Akkasheh et al. ha somministrato probiotici multispecie, contenenti Lactobacillus acidophilum, Lactobacillus casei e Bifidobacterium bifidum, o placebo a pazienti con disturbo depressivo maggiore per 8 settimane. Hanno scoperto che i probiotici multispecie potrebbero ridurre significativamente i punteggi BDI nei pazienti con disturbo depressivo maggiore (Akkasheh et al. 2016), ma non è chiaro quale ceppo di probiotici eserciti l'effetto benefico.

1.5 Trauma infantile, infiammazione e permeabilità intestinale nella depressione Nello studio sugli animali, stress precoce della vita, come separazione materna, livello elevato di IL-6 e aumento del comportamento di tipo depressivo (aumento del tempo di immobilità nel FST) (Liu YW et al. 2016) . Una recente metanalisi ha dimostrato che il trauma infantile contribuisce a uno stato pro-infiammatorio in età adulta (Baumeister et al. 2016). Inoltre, anche i traumi infantili hanno aumentato il rischio di disturbi depressivi (Norman et al. 2012). Le metanalisi hanno dimostrato che i pazienti con MDD hanno elevate citochine infiammatorie sieriche (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). Un possibile meccanismo che contribuisce all'infiammazione sistemica nei pazienti con disturbo depressivo maggiore è la traslocazione batterica dovuta all'aumento della permeabilità intestinale (leaky gut). La figura 2 mostra la relazione tra trauma infantile, permeabilità intestinale, infiammazione e depressione.

Ogni microbo possiede un modello molecolare associato al microbo (MAMP) o un modello molecolare associato al patogeno (PAMP). I microbi che fuoriescono dall'intestino attivano i MAMP e i recettori di riconoscimento del modello, come i recettori Toll-like (TLR). Le citochine proinfiammatorie, come IL-6, TNF-alfa, vengono rilasciate dalle cellule dopo una serie di trasduzione del segnale.

I probiotici possono influenzare la permeabilità intestinale. Il microbiota intestinale derivato da HFD ha aumentato la permeabilità intestinale, l'infiammazione sistemica e l'infiammazione cerebrale (Bruce-Keller et al. 2015). Uno studio in vitro ha dimostrato che il Lactobacillus rhamnosus GG migliora la disfunzione e l'infiammazione della barriera intestinale attraverso l'inibizione di NF-kappaB (Donato et al. 2010). La somministrazione di Lactobacillus farciminis potrebbe alleviare la permeabilità intestinale e l'infiammazione nei ratti con contenzione parziale (Ait-Belgnaoui et al. 2012).

La prova di una maggiore permeabilità intestinale nei pazienti con MDD è stata rivelata dagli studi di Maes. Maes et al hanno scoperto che i valori mediani di IgM e IgA sieriche contro LPS di enterobatteri gram-negativi erano significativamente maggiori nei pazienti con MDD rispetto ai volontari normali, suggerendo che l'aumento della permeabilità intestinale si traduce in una maggiore traslocazione del microbiota gram-negativo (Maes et al. al.2008; Maes et al.2012). Nei pazienti con dipendenza da alcol, quelli con una maggiore permeabilità intestinale, misurata dalla sonda radioattiva 51Cr-EDTA, avevano punteggi di depressione e ansia più alti rispetto a quelli con normale permeabilità intestinale. La composizione e l'attività del microbiota sono risultate alterate nei pazienti con aumentata permeabilità intestinale (Leclercq et al. 2014).

1.6 Razionale dello studio in corso PS128 è stato trovato nel cibo fermentato tradizionale, fu-tsai, dal nostro co-PI (Tsai YC) e la sua architettura del genoma è stata completata e ha indicato il suo potenziale effetto immunomodulatore. (Chao et al. 2009). Il Lactobacillus plantarum è generalmente riconosciuto come sicuro (GRAS). PS128 può ridurre i livelli di IL-6 e aumentare il livello di IL-10, che si è accompagnato a un miglioramento del comportamento simile alla depressione, nei topi con SM (Liu YW et al. 2016). Nel presente studio, vorremmo indagare l'effetto di PS128 sulla psicofisiologia, inclusa la composizione del microbiota intestinale, la permeabilità e l'infiammazione intestinale, l'espressione di TLR, i livelli di citochine sieriche e i sintomi depressivi nei pazienti con disturbo depressivo maggiore.

Meta-analisi hanno dimostrato che i pazienti con disturbo depressivo maggiore hanno citochine infiammatorie più elevate (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009), ma solo un sottogruppo di pazienti con disturbo depressivo maggiore ha un livello di infiammazione più elevato. Ad esempio, secondo la definizione di elevata infiammazione di hs-CRP > 3 mg/l (Pearson et al. 2003), la percentuale di pazienti con elevata infiammazione era del 24% nei pazienti con MDD (Rapaport et al. 2016) e 45 % in pazienti con depressione resistente al trattamento (Raison et al. 2011). Il livello infiammatorio basale può influenzare la risposta al trattamento. Ad esempio, i pazienti con elevata infiammazione al basale hanno avuto una migliore risposta al trattamento con infliximab (antagonista del fattore di necrosi tumorale) (Raison et al. 2013) e acidi grassi omega-3 (Rapaport et al. 2016) rispetto a quelli con bassa infiammazione al basale. Nello studio di Raison, l'effetto di infliximab sui sintomi della depressione era peggiore del placebo nei soggetti con un livello infiammatorio inferiore al basale (Raison et al. 2013). Pertanto, recluteremo pazienti con MDD e alto livello infiammatorio nel nostro studio di intervento PS128.

Ipotizziamo che PS128 possa (1) modificare la composizione del microbiota intestinale; (2) migliorare la permeabilità intestinale, misurata dal livello di zonulina fecale, e l'infiammazione, misurata dal livello di calprotectina fecale; (3) ridurre la traslocazione del patogeno nel sistema circolatorio, che sarà dimostrato dalla ridotta espressione di TLR, (4) ridurre IL-6 e TNF-alfa e hs-CRP e aumentare il livello di IL-10. Ci auguriamo che il miglioramento del livello di infiammazione possa avere anche un effetto benefico sui sintomi depressivi.