Lactobacillus Plantarum PS128 hos pasienter med alvorlig depressiv lidelse og høyt nivå av betennelse

1. Bakgrunn Major depressive lidelse (MDD) er en kompleks og langvarig sykdom som involverer markerte funksjonshemninger hos berørte pasienter. Det har vært en av de viktigste årsakene til global sykdomsbyrde, spesielt i middelaldergruppene (GBD Lancet 2016; 388:1603-58). Det er også en vanlig komorbiditet hos pasienter med irritabel tarm, kardiovaskulær sykdom og kreft (Musselman et al. 1998; Spiegel et al. 2003; Whitehead et al. 2002). Mekanismene som er ansvarlige for depresjon og dens komorbiditet er ikke klare, men inflammatoriske prosesser kan være involvert. Meta-analyse har vist at pasienter med depresjon har høyere nivåer av inflammatoriske markører, som 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 høyere inflammatoriske cytokiner hos pasienter med MDD. Akkumulerende data indikerer nå at tarmmikrobiotaen kan kommunisere med sentralnervesystemet – muligens gjennom immune, nevrale og endokrine veier – og dermed påvirke hjernens funksjon og atferd (Cryan et al. 2012; Forsythe et al. 2016; Rogers et al. 2016). Probiotika, som er definert som en levende organisme som ved inntak i tilstrekkelig mengde utøver en helsegevinst, kan påvirke tarmmikrobiota, hjernenevrokjemi, HPA-aksen og betennelse, og kan være en ny klasse av psykotrope stoffer (Dinan et al. 2013).

1.1 Mikrobiota-tarm-hjerne-aksen Den nedre mage-tarmkanalen inneholder nesten 100 billioner mikroorganismer, hvorav de fleste er bakterier. Mikrobiotaen koder samlet for mer enn 3,3 millioner ikke-redundante gener, og overskrider antallet som kodes av det menneskelige vertsgenomet med 150 ganger (Qin et al. 2010). Mange mikrobielle genprodukter har viktige effekter på stoffskiftet og helsen til verten.

Det har vært en rekke studier som støtter kommunikasjonen mellom tarmmikrobiota og hjerne. Studier med bakteriefrie (GF) dyr er en god modell for å vise forholdet mellom mikrobiota og hjerne. Sammenlignet med spesifikke patogenfrie (SPF) mus med en normal tarmmikrobiota, viser GF-mus økt motorisk aktivitet og redusert angstadferd. En økt omsetning av dopaminerge og serotonerge nevrotransmittere i striatum ble observert hos GF-mus (Diaz Heijtz et al. 2011). I tillegg viste GF-mus høyere adrenokortikotropisk hormon (ACTH) og kortikosteronøkning som respons på tilbakeholdenhetsstimulus enn SPF-mus gjorde (Sudo et al. 2004). Det antyder at tarmmikrobiota kan påvirke vertens respons på stress.

Flere studier har vist at manipulering av tarmmikrobiota kan påvirke presentasjonen av vertens psykofysiologi. For eksempel er inntak av høyfettdiett (HFD) assosiert med endret mikrobiell mangfold (Daniel et al. 2014) og redusert synaptisk plastisitet (Liu et al. 2015). HFD økte også angstlignende atferd (Sharma et al. 2013). Voksne C57BL/6-hannmus gitt HFD-mikrobiota hadde signifikante og selektive forstyrrelser i utforskende, kognitiv og stereotyp atferd sammenlignet med mus med kontrolldiettmikrobiota. Ingen signifikante forskjeller i kroppsvekt ble notert. Forskjellen i sammensetning av tarmmikrobiota mellom grupper med HFD og normal diett ble notert (Bruce-Keller et al. 2015).

Administrering av antibiotika er en annen måte å påvirke sammensetningen av tarmmikrobiota og endre vertens psykofysiologi. Oral administrering av ikke-absorberbare antimikrobielle midler endret tarmmikrobiota-sammensetningen forbigående og økte utforskende atferd og hippocampus ekspresjon av BDNF mRNA hos mus, men intraperitoneal administrering hadde ingen effekt på atferd (Bercik et al. 2011). Økt antibiotikaeksponering var assosiert med risiko for depresjon og angst i en befolkningsstudie (Lurie et al. 2015). Derfor kan administrering av probiotika være en direkte måte å endre miljøet og sammensetningen av tarmmikrobiota, og observere dens fysiologiske effekter på verten.

1.2 Administrering av probiotika i dyrestudier Dyrestudier har vist at probiotika påvirker psykofysiologiske markører for angst og depresjon. Desbonnet et al. fant ingen signifikant effekt av behandling med Bifidobacteria infantis på svømmeatferd på dag 3 eller dag 14 hos naive rotter. Imidlertid svekket Bifidobacteria infantis-behandling pro-inflammatoriske immunresponser og forhøyet tryptofan, noe som tyder på at dette probiotikumet kan ha antidepressive egenskaper (Desbonnet et al. 2008). I deres påfølgende studie brukte de maternal separasjon (MS) rotter som studiedyr. De fant MS-rotter reduserte svømmeatferd og økt immobilitet i tvungen svømmetest (FST), redusert noradrenalin (NA)-innhold i hjernen og forbedret perifer IL-6-frigjøring og amygdala corticotrophin-releasing factor (CRF) mRNA-nivåer sammenlignet med kontroll rotter (Desbonnet et al. 2010). Behandling med Bifidobacteria infantis resulterte i normalisering av immunresponsen, reversering av atferdssvikt og gjenoppretting av basale NA-konsentrasjoner i hjernestammen. Disse endringene var sammenlignbare med de som ble observert i citalopram-gruppen, noe som tyder på at noen probiotiske fordeler ligner på antidepressive effekter (Desbonnet et al. 2010). Liu et al fant at Lactobacillus plantarum PS128 (PS128) kunne lindre angstlignende, men ikke depresjonslignende oppførsel hos GF-mus, og betydelig økte nivåer av både serotonin og dopamin i striatum, men ikke i prefrontal cortex og hippocampus (Liu WH et al. al. 2016). I MS-modellen reduserte imidlertid PS128 signifikant depresjonslignende, men ikke angstlignende atferd. PS128 reduserte betydelig angstlignende, men ikke depresjonslignende oppførsel hos naive mus. Det reduserte også nivåene av inflammatorisk cytokin, IL-6, og økte nivået av antiinflammatorisk cytokin, IL-10, hos MS-mus (Liu YW et al. 2016). PS128 hadde mer åpenbar effekt på psykofysiologi hos MS-mus enn hos naive mus, antyder at probiotisk administrering kan ha mer robust effekt på modifikasjon i atferd, nevrokjemi og HPA hos de som lider av høyere stress.

1.3 Mikrobiotasammensetning hos pasienter med MDD Siden sammensetninger av tarmmikrobiota endrer betennelse, nevrokjemi og atferd i dyrestudier, sammenlignet flere menneskelige studier tarmmikrobiota mellom pasienter med MDD og friske kontroller. Naseribafrouei et al. sammenlignet sammensetninger av tarmmikrobiota hos 37 deprimerte og 18 ikke-deprimerte deltakere. Resultatene viste Bacteroidales overpresentasjon, mens Lachnospiraceae underrepresentasjon, hos deprimerte deltakere. Ved lave taksonomiske nivåer var Oscillibacter og Alistipes assosiert med depresjon (Naseribafrouei et al. 2014). Jiang et al rekrutterte 29 aktive MDD (A-MDD), 17 responderte MDD (R-MDD) og 30 friske kontroller (HC) og sammenlignet deres tarmmikrobiota. De fant at økt fekal bakteriell alfa-diversitet i A-MDD vs. HC-gruppen, men ikke i R-MDD vs. HC-gruppen. Bacteroidetes, Proteobacteria og Actinobacteria økte betydelig, mens den for Firmicutes ble betydelig redusert i A-MDD- og R-MDD-gruppene sammenlignet med HC-gruppen. MDD-grupper hadde økte nivåer av Enterobacteriaceae og Alistipes, men reduserte nivåer av Faecalibacterium (Jiang et al. 2015). Ikke bare forskjeller i sammensetning av tarmmikrobiota mellom pasienter med MDD og sunn kontroll, transplantasjon av fekal prøve fra MDD-pasienter til mus kan indusere depressiv-lignende oppførsel hos mottakermus. Sammensetningen av tarmmikrobiota hos mottakermus var lik den hos menneskelig vert (Zheng et al. 2016). Denne studien støtter at tarmmikrobiom kan ha en årsaksrolle i utviklingen av depressiv-lignende atferd.

1.4 Effekter av probiotika på humør i humanstudier I tillegg til forskjellene i fordeling av tarmmikrobiota mellom deprimerte og ikke-deprimerte forsøkspersoner, har flere humanstudier vist at probiotika kan ha gunstig effekt på humøret. Benton et al. viste at ingen signifikant forskjell i humørskifte, målt ved Profile of Mood State, mellom friske deltakere som brukte probiotisk (inneholdende Lactobacillus casei) melk i 3 uker og de som brukte melk uten probiotika. De fant imidlertid at de som var i dårlig humør ved baseline ble bedre etter å ha brukt melk som inneholder probiotika (Benton et al. 2007). Mohammadi et al. viste også at deltakerne brukte probiotisk yoghurt (som inneholder Lactobacillus acidophilus LA5 og Bifidobacterium lactis BB12) eller probiotisk kapsel (inneholder Actobacillus casei, L. acidophilus, L. rhamnosus, L. bulgaricus, .B. breve, B. thermophilum long), S. B. thermophilum. i 6 uker hadde signifikant bedring i humøret, målt ved GHQ og Depression Anxiety and Stress Scale, men de som brukte konvensjonell yoghurt hadde ingen signifikant endring i disse målingene. Det var ingen forskjeller i HPA-akseindekser, som kortisol og ACTH, blant disse tre gruppene (Mohammadi et al. 2016). Messaoudis studie, der deltakerne var friske frivillige, viste at probiotika (som inneholder L. helveticus R0052 og B. longum R0175) kan forbedre deltakernes humørsymptomer, målt ved Hopkins Symptom Checklist-90 og Hospital Anxiety and Depression Scale, sammenlignet med de brukte placebo (Messaoudi et al. 2011). Økt kognitiv reaktivitet til normale, forbigående endringer i trist humør er en etablert markør for sårbarhet for depresjon og anses som et viktig mål for intervensjoner (Kruijt et al. 2013). Steenbergen et al. fant at den generelle kognitive reaktiviteten ble betydelig redusert, noe som i stor grad skyldtes reduserte subskalaer for drøvtygging og aggresjon, hos deltakere uten aktuelle stemningslidelser etter 4 ukers administrering av flere arter av probiotika. Fordi de brukte ikke-deprimerte deltakere, endret ikke BDI og BAI seg signifikant etter intervensjon (Steenbergen et al. 2015). Effekten av probiotika i humørsymptomer er ikke bare vist hos friske frivillige, men også hos kliniske personer. Hos pasienter med kronisk utmattelsessyndrom, Rao et al. fant at administrering av Lactobacillus casei i 2 måneder kunne forbedre BAI, men ikke BDI, sammenlignet med placebo. Samtidig økte fecal Lactobacillus og Bifidobacteria etter 2-måneders L. casei intervensjon (Rao et al. 2009). Akkasheh et al. ga multi-arts probiotika, inneholdende Lactobacillus acidophilum, Lactobacillus casei og Bifidobacterium bifidum, eller placebo til pasienter med MDD i 8 uker. De fant at probiotika av flere arter kunne redusere BDI-skårene betydelig hos pasienter med alvorlig depressiv lidelse (Akkasheh et al. 2016), men hvilken stamme av probiotika som utøver den gunstige effekten er ikke klart.

1.5 Barndomstraumer, betennelse og tarmgjennomtrengelighet ved depresjon I dyrestudier, stress tidlig i livet, som mors separasjon, forhøyet IL-6-nivå og økt depressiv-lignende atferd (økt immobilitetstid i FST) (Liu YW et al. 2016) . En fersk metaanalyse viste at barndomstraumer bidrar til en pro-inflammatorisk tilstand i voksen alder (Baumeister et al. 2016). I tillegg økte barndomstraumer også risikoen for depressive lidelser (Norman et al. 2012). Metaanalyser har vist at pasienter med MDD har forhøyede seruminflammatoriske cytokiner (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). En mulig mekanisme som bidrar til systemisk betennelse hos pasienter med MDD er bakteriell translokasjon på grunn av økt tarmpermeabilitet (lekk tarm). Figur 2 viser sammenhengen mellom barndomstraumer, tarmpermeabilitet, betennelse og depresjon.

Hver mikrobe har et mikrobeassosiert molekylært mønster (MAMP) eller patogenassosiert molekylært mønster (PAMP). Mikrober som lekker fra tarmen aktiverer MAMP-ene og mønstergjenkjenningsreseptorene, for eksempel Toll-like reseptorer (TLR). Proinflammatoriske cytokiner, slik som IL-6, TNF-alfa, frigjøres fra celler etter en serie med signaloverføring.

Probiotika kan påvirke tarmens permeabilitet. HFD-avledet tarmmikrobiota økte intestinal permeabilitet, systemisk betennelse og hjernebetennelse (Bruce-Keller et al. 2015). En in vitro-studie viste at Lactobacillus rhamnosus GG forbedrer tarmbarrieredysfunksjon og betennelse gjennom hemming av NF-kappaB (Donato et al. 2010). Administrering av Lactobacillus farciminis kan lindre intestinal permeabilitet og betennelse hos delvis tilbakeholdne rotter (Ait-Belgnaoui et al. 2012).

Bevis på økt tarmpermeabilitet hos pasienter med MDD ble avslørt av Maes' studier. Maes et al fant at medianverdiene for serum IgM og IgA mot LPS av gramnegative enterobakterier var signifikant høyere hos pasienter med MDD enn hos normale frivillige, noe som tyder på at økt tarmpermeabilitet resulterer i økt translokasjon av gramnegativ mikrobiota (Maes et al. al. 2008; Maes et al. 2012). Hos pasienter med alkoholavhengighet hadde de med økt tarmpermeabilitet, som ble målt med den radioaktive sonden 51Cr-EDTA, høyere depresjons- og angstskår enn de med normal tarmpermeabilitet. Sammensetningen og aktiviteten til mikrobiota ble endret hos pasienter med økt tarmpermeabilitet (Leclercq et al. 2014).

1.6 Begrunnelse for gjeldende studie PS128 ble funnet i tradisjonell fermentert mat, fu-tsai, av vår co-PI (Tsai YC), og dens genomarkitektur er ferdig og indikerte dens potensielle immunmodulerende effekt. (Chao et al. 2009). Lactobacillus plantarum er generelt anerkjent som trygg (GRAS). PS128 kan redusere IL-6-nivåer og økt IL-10-nivå, som ledsaget av forbedret depresjonslignende oppførsel, hos MS-mus (Liu YW et al. 2016). I den nåværende studien ønsker vi å undersøke effekten av PS128 på psykofysiologi, inkludert sammensetning av tarmmikrobiota, tarmpermeabilitet og inflammasjon, TLR-uttrykk, serumcytokinnivåer og depressive symptomer hos pasienter med MDD.

Metaanalyser har vist at pasienter med MDD har høyere inflammatoriske cytokiner (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009), men kun en undergruppe av pasienter med MDD har et høyere nivå av inflammasjon. For eksempel, i henhold til definisjonen av høy betennelse av hs-CRP > 3 mg/l (Pearson et al. 2003), var andelen pasienter med høy betennelse 24 % hos pasienter med MDD (Rapaport et al. 2016) og 45 % hos pasienter med behandlingsresistent depresjon (Raison et al. 2011). Baseline inflammatorisk nivå kan påvirke behandlingsresponsen. For eksempel hadde pasienter med høy baseline betennelse bedre behandlingsrespons på infliksimab (tumor nekrose faktor antagonist) (Raison et al. 2013) og omega-3 fettsyrer (Rapaport et al. 2016) sammenlignet med de med lav baseline betennelse. I Raisons studie var effekten av infliksimab på depresjonssymptomer verre enn placebo hos de med lavere inflammatorisk nivå ved baseline (Raison et al. 2013). Derfor vil vi rekruttere pasienter med MDD og høyt inflammatorisk nivå inn i vår PS128 intervensjonsstudie.

Vi antar at PS128 kan (1) endre sammensetningen av tarmmikrobiota; (2) forbedre tarmpermeabiliteten, som måles ved fekalt zonulinnivå, og betennelse, som måles ved fekalt kalprotektinnivå; (3) redusere translokasjonen av patogen til sirkulasjonssystemet, noe som vil bli demonstrert ved redusert TLR-ekspresjon, (4) redusere IL-6 og TNF-alfa, og hs-CRP, og øke IL-10-nivået. Vi håper forbedringen i betennelsesnivået også kan ha en gunstig effekt på depressive symptomer.