Lactobacillus Plantarum PS128 hos patienter med allvarlig depressiv sjukdom och hög nivå av inflammation

1. Bakgrund Major depressiv sjukdom (MDD) är en komplex och långvarig sjukdom som involverar markanta funktionsnedsättningar hos drabbade patienter. Det har varit en av de främsta orsakerna till global sjukdomsbörda, särskilt i medelåldersgrupperna (GBD Lancet 2016; 388:1603-58). Det är också en vanlig komorbiditet hos patienter med colon irritabile, hjärt-kärlsjukdom och cancer (Musselman et al. 1998; Spiegel et al. 2003; Whitehead et al. 2002). De mekanismer som är ansvariga för depression och dess samsjuklighet är inte klarlagda, men inflammatoriska processer kan vara inblandade. Metaanalys har visat att patienter med depression har högre nivåer av inflammatoriska markörer, såsom C-reaktivt protein (CRP), interleukin-1 (IL-1), interleukin-6 (IL-6) och tumörnekrosfaktor (TNF) )-alfa (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). Mikrobiota-tarm-hjärna-axeln kan förklara högre inflammatoriska cytokiner hos patienter med MDD. Ackumulerande data indikerar nu att tarmmikrobiotan kan kommunicera med CNS - möjligen genom immun-, neurala och endokrina vägar - och därigenom påverkar hjärnans funktion och beteende (Cryan et al. 2012; Forsythe et al. 2016; Rogers et al. 2016). Probiotika, som definieras som en levande organism som vid intag i tillräcklig mängd utövar en hälsofördel, kan påverka tarmmikrobiota, hjärnans neurokemi, HPA-axeln och inflammation, och kan vara en ny klass av psykotropa ämnen (Dinan et al. 2013).

1.1 Mikrobiota-tarm-hjärna-axeln Den nedre mag-tarmkanalen innehåller nästan 100 biljoner mikroorganismer, varav de flesta är bakterier. Mikrobiotan kodar tillsammans för mer än 3,3 miljoner icke-redundanta gener, vilket överstiger antalet som kodas av det mänskliga värdgenomet med 150 gånger (Qin et al. 2010). Många mikrobiella genprodukter har viktiga effekter på ämnesomsättningen och värdens hälsa.

Det har gjorts många studier som stöder kommunikationen mellan tarmmikrobiota och hjärna. Studier med hjälp av bakteriefria (GF) djur är en bra modell för att visa sambandet mellan mikrobiota och hjärna. Jämfört med specifika patogenfria (SPF) möss med en normal tarmmikrobiota, visar GF-möss ökad motorisk aktivitet och minskat ångestbeteende. En ökad omsättning av dopaminerga och serotonerga neurotransmittorer i striatum observerades hos GF-möss (Diaz Heijtz et al. 2011). Dessutom uppvisade GF-möss högre adrenokortikotropt hormon (ACTH) och kortikosteronhöjning som svar på återhållsamhetsstimulans än SPF-möss gjorde (Sudo et al. 2004). Det tyder på att tarmmikrobiota kan påverka värdens reaktion på stress.

Flera studier har visat att manipulation av tarmmikrobiota kan påverka presentationen av värdens psykofysiologi. Till exempel är konsumtion av fettrik kost (HFD) associerad med förändrad mikrobiell mångfald (Daniel et al. 2014) och minskad synaptisk plasticitet (Liu et al. 2015). HFD ökade också ångestliknande beteende (Sharma et al. 2013). Vuxna C57BL/6-möss av hankön som fick HFD-mikrobiota hade signifikanta och selektiva störningar i utforskande, kognitivt och stereotypt beteende jämfört med möss med kontrolldietmikrobiota. Inga signifikanta skillnader i kroppsvikt noterades. Skillnaden i sammansättning av tarmmikrobiota mellan HFD- och normaldietgrupper noterades (Bruce-Keller et al. 2015).

Administrering av antibiotika är ett annat sätt att påverka tarmmikrobiotans sammansättning och förändra värdens psykofysiologi. Oral administrering av icke-absorberbara antimikrobiella medel förändrade övergående tarmmikrobiotans sammansättning och ökade utforskande beteende och hippocampalt uttryck av BDNF-mRNA hos möss, men intraperitoneal administrering hade ingen effekt på beteendet (Bercik et al. 2011). Ökad antibiotikaexponering var associerad med risk för depression och ångest i en befolkningsstudie (Lurie et al. 2015). Därför kan administrering av probiotika vara ett direkt sätt att förändra miljön och sammansättningen av tarmmikrobiotan, och observera dess fysiologiska effekter på värden.

1.2 Administrering av probiotika i djurstudier Djurstudier har visat att probiotika påverkar psykofysiologiska markörer för ångest och depression. Desbonnet et al. fann ingen signifikant effekt av behandling med Bifidobacteria infantis på simbeteenden dag 3 eller dag 14 hos naiva råttor. Behandling med Bifidobacteria infantis dämpade dock pro-inflammatoriska immunsvar och förhöjda tryptofan, vilket tyder på att denna probiotika kan ha antidepressiva egenskaper (Desbonnet et al. 2008). I sin följande studie använde de råttor med maternal separation (MS) som studiedjur. De fann att MS-råttor minskade simbeteende och ökad orörlighet i det forcerade simtestet (FST), minskat noradrenalin (NA)-innehåll i hjärnan och förbättrad perifer IL-6-frisättning och amygdala corticotrophin-releasing factor (CRF) mRNA-nivåer jämfört med kontroll råttor (Desbonnet et al. 2010). Behandling med Bifidobacteria infantis resulterade i normalisering av immunsvaret, reversering av beteendestörningar och återställande av basala NA-koncentrationer i hjärnstammen. Dessa förändringar var jämförbara med de som observerades i citalopramgruppen, vilket tyder på att vissa probiotiska fördelar liknar antidepressiva effekter (Desbonnet et al. 2010). Liu et al fann att Lactobacillus plantarum PS128 (PS128) kunde förbättra ångestliknande, men inte depressionsliknande beteende hos GF-möss, och signifikant ökade nivåer av både serotonin och dopamin i striatum, men inte i prefrontal cortex och hippocampus (Liu WH et al. al. 2016). I MS-modellen minskade dock PS128 signifikant depressionsliknande, men inte ångestliknande beteenden. PS128 minskade signifikant ångestliknande, men inte depressionsliknande beteende hos naiva möss. Det minskade också nivåerna av inflammatoriskt cytokin, IL-6, och ökade nivån av antiinflammatoriskt cytokin, IL-10, hos MS-möss (Liu YW et al. 2016). PS128 hade mer uppenbar effekt på psykofysiologi hos MS-möss än hos naiva möss, vilket tyder på att probiotisk administrering kan ha mer robust effekt på modifiering av beteenden, neurokemi och HPA hos de som lider av högre stress.

1.3 Mikrobiotasammansättning hos patienter med MDD Eftersom sammansättningar av tarmmikrobiota förändrar inflammation, neurokemi och beteende i djurstudier, jämförde flera humanstudier tarmmikrobiota mellan patienter med MDD och friska kontroller. Naseribafrouei et al. jämförde tarmmikrobiotakompositioner hos 37 deprimerade och 18 icke-deprimerade deltagare. Resultaten visade Bacteroidales överpresentation, medan Lachnospiraceae underrepresentation, hos deprimerade deltagare. Vid låga taxonomiska nivåer var Oscillibacter och Alistipes associerade med depression (Naseribafrouei et al. 2014). Jiang et al rekryterade 29 aktiva MDD (A-MDD), 17 svarade MDD (R-MDD) och 30 friska kontroller (HC) och jämförde deras tarmmikrobiota. De fann att den ökade fekala bakteriella alfa-diversiteten i A-MDD vs. HC-gruppen men inte i R-MDD vs. HC-gruppen. Bacteroidetes, Proteobacteria och Actinobacteria ökade signifikant, medan den för Firmicutes var signifikant reducerad i A-MDD- och R-MDD-grupperna jämfört med HC-gruppen. MDD-grupper hade ökade nivåer av Enterobacteriaceae och Alistipes, men minskade nivåer av Faecalibacterium (Jiang et al. 2015). Inte bara skillnader i sammansättning av tarmmikrobiota mellan patienter med MDD och frisk kontroll, transplantation av fekalt prov från MDD-patienter till möss kan inducera depressivt beteende hos mottagarmöss. Sammansättningen av tarmmikrobiota hos mottagarmöss liknade den hos mänsklig värd (Zheng et al. 2016). Denna studie stöder att tarmmikrobiom kan ha en orsaksroll i utvecklingen av depressiva-liknande beteenden.

1.4 Effekter av probiotika på humör i humanstudier Förutom skillnaderna i fördelning av tarmmikrobiota mellan deprimerade och icke-deprimerade försökspersoner har flera humanstudier visat att probiotika kan ha en gynnsam effekt på humöret. Benton et al. visade att ingen signifikant skillnad i humörförändring, mätt med Profile of Mood State, mellan friska deltagare som använder probiotisk (innehållande Lactobacillus casei) mjölk i 3 veckor och de som använder mjölk utan probiotika. De fann dock att de som var i dåligt humör vid baslinjen blev bättre efter att ha använt probiotikainnehållande mjölk (Benton et al. 2007). Mohammadi et al. visade också att deltagarna använde probiotisk yoghurt (innehållande Lactobacillus acidophilus LA5 och Bifidobacterium lactis BB12) eller probiotisk kapsel (innehållande Actobacillus casei, L. acidophilus, L. rhamnosus, L. bulgaricus, .B. breve, B. thermophilum long) under 6 veckor hade signifikant förbättring av humöret, mätt med GHQ och Depression Anxiety and Stress Scale, men de som använde konventionell yoghurt hade ingen signifikant förändring i dessa mätningar. Det fanns inga skillnader i HPA-axelindex, såsom kortisol och ACTH, bland dessa tre grupper (Mohammadi et al. 2016). Messaoudis studie, där deltagarna var friska frivilliga, visade att administrering av probiotika (innehållande L. helveticus R0052 och B. longum R0175) kunde förbättra deltagarnas humörsymtom, mätt med Hopkins Symptom Checklist-90 och Hospital Anxiety and Depression Scale, jämfört med de använde placebo (Messaoudi et al. 2011). Ökad kognitiv reaktivitet på normala, övergående förändringar i ledset humör är en etablerad markör för sårbarhet för depression och anses vara ett viktigt mål för interventioner (Kruijt et al. 2013). Steenbergen et al. fann att den totala kognitiva reaktiviteten minskade signifikant, vilket till stor del berodde på minskade idisslande och aggressionssubskalor, hos deltagare utan nuvarande humörstörningar efter 4 veckors administrering av flera arter av probiotika. Eftersom de använde icke-deprimerade deltagare förändrades inte BDI och BAI signifikant efter intervention (Steenbergen et al. 2015). Effekten av probiotika vid humörsymtom visas inte bara hos friska frivilliga, utan även hos kliniska försökspersoner. Hos patienter med kroniskt trötthetssyndrom, Rao et al. fann att administrering av Lactobacillus casei under 2 månader kunde förbättra BAI, men inte BDI, jämfört med placebo. Samtidigt ökade fekal Lactobacillus och Bifidobacteria efter 2 månaders L. casei-intervention (Rao et al. 2009). Akkasheh et al. gav probiotika av flera arter, innehållande Lactobacillus acidophilum, Lactobacillus casei och Bifidobacterium bifidum, eller placebo till patienter med MDD under 8 veckor. De fann att probiotika av flera arter avsevärt kunde minska BDI-poängen hos patienter med egentlig depression (Akkasheh et al. 2016), men vilken stam av probiotika som utövar den gynnsamma effekten är inte klart.

1.5 Barndomstrauma, inflammation och tarmpermeabilitet vid depression I djurstudier, stress i tidigt liv, såsom mödraseparation, förhöjd IL-6-nivå och ökat depressivt beteende (ökad orörlighetstid i FST) (Liu YW et al. 2016) . En färsk metaanalys visade att barndomstrauma bidrar till ett pro-inflammatoriskt tillstånd i vuxen ålder (Baumeister et al. 2016). Dessutom ökade barndomstrauman också risken för depressiva besvär (Norman et al. 2012). Metaanalyser har visat att patienter med MDD har förhöjda seruminflammatoriska cytokiner (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009). En möjlig mekanism som bidrar till systemisk inflammation hos patienter med MDD är bakteriell translokation på grund av ökad tarmpermeabilitet (läckande tarm). Figur 2 visar sambandet mellan barndomstrauma, tarmpermeabilitet, inflammation och depression.

Varje mikrob har ett mikrobassocierat molekylmönster (MAMP) eller ett patogenassocierat molekylärt mönster (PAMP). Mikrober som läcker från tarmen aktiverar MAMP och mönsterigenkännande receptorer, såsom Toll-like receptors (TLR). Proinflammatoriska cytokiner, såsom IL-6, TNF-alfa, frisätts från celler efter en serie av signaltransduktion.

Probiotika kan påverka tarmpermeabiliteten. HFD-härledd tarmmikrobiota ökade intestinal permeabilitet, systemisk inflammation och hjärninflammation (Bruce-Keller et al. 2015). En in vitro-studie visade att Lactobacillus rhamnosus GG förbättrar tarmbarriärens dysfunktion och inflammation genom hämning av NF-kappaB (Donato et al. 2010). Administrering av Lactobacillus farciminis kan lindra intestinal permeabilitet och inflammation hos råttor med partiell fasthållning (Ait-Belgnaoui et al. 2012).

Bevis på ökad tarmpermeabilitet hos patienter med MDD avslöjades av Maes studier. Maes et al fann att medianvärdena för serum IgM och IgA mot LPS av gramnegativa enterobakterier var signifikant högre hos patienter med MDD än hos normala frivilliga, vilket tyder på att ökad tarmpermeabilitet resulterar i en ökad translokation av gramnegativ mikrobiota (Maes et al. al. 2008; Maes et al. 2012). Hos patienter med alkoholberoende hade de med ökad tarmpermeabilitet, som mättes med den radioaktiva sonden 51Cr-EDTA, högre poäng för depression och ångest än de med normal tarmpermeabilitet. Mikrobiotans sammansättning och aktivitet förändrades hos patienter med ökad tarmpermeabilitet (Leclercq et al. 2014).

1.6 Bakgrund till aktuell studie PS128 hittades i traditionell fermenterad mat, fu-tsai, av vår co-PI (Tsai YC) och dess genomarkitektur har avslutats och indikerade dess potentiella immunmodulerande effekt. (Chao et al. 2009). Lactobacillus plantarum är allmänt erkänt som säker (GRAS). PS128 kan minska IL-6-nivåer och ökad IL-10-nivå, vilket åtföljs av förbättrat depressionsliknande beteende, hos MS-möss (Liu YW et al. 2016). I den aktuella studien skulle vi vilja undersöka effekten av PS128 på psykofysiologi, inklusive sammansättning av tarmmikrobiota, tarmpermeabilitet och inflammation, TLR-uttryck, serumcytokiner och depressiva symtom hos patienter med MDD.

Metaanalyser har visat att patienter med MDD har högre inflammatoriska cytokiner (Dowlati et al. 2010; Howren et al. 2009), men endast en undergrupp av patienter med MDD har en högre nivå av inflammation. Till exempel, enligt definitionen av hög inflammation av hs-CRP > 3 mg/l (Pearson et al. 2003), var andelen patienter med hög inflammation 24 % hos patienter med MDD (Rapaport et al. 2016) och 45 % hos patienter med behandlingsresistent depression (Raison et al. 2011). Baslinjeinflammatorisk nivå kan påverka behandlingssvaret. Till exempel hade patienter med hög baslinjeinflammation bättre behandlingssvar på infliximab (tumörnekrosfaktorantagonist) (Raison et al. 2013) och omega-3-fettsyror (Rapaport et al. 2016) jämfört med de med låg baslinjeinflammation. I Raisons studie var effekten av infliximab på depressionssymtom sämre än placebo hos dem med lägre inflammatorisk nivå vid baslinjen (Raison et al. 2013). Därför kommer vi att rekrytera patienter med MDD och hög inflammatorisk nivå till vår PS128-interventionsstudie.

Vi antar att PS128 kan (1) ändra sammansättningen av tarmmikrobiotan; (2) förbättra tarmpermeabiliteten, som mäts med fekal zonulinnivå, och inflammation, som mäts med fekal kalprotektinnivå; (3) reducera translokationen av patogen till cirkulationssystemet, vilket kommer att demonstreras genom reducerat TLR-uttryck, (4) reducera IL-6 och TNF-alfa, och hs-CRP, och öka IL-10-nivån. Vi hoppas att förbättringen av inflammationsnivån också kan ha en gynnsam effekt på depressiva symtom.