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Mechanismen der diätinduzierten Störungen auf die Darmbarrierefunktion
(2024) Filipe Rosa, Louisa; Bischoff, Stephan C.
Störungen der Darmbarriere sind bei der Entstehung intestinaler und metabolischer Erkrankungen involviert. Dabei beeinflussen sowohl intrinsische als auch extrinsische Faktoren die Funktionalität der Darmbarriere. Obwohl dieser Zusammenhang generell akzeptiert ist, sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen nicht hinreichend aufgeklärt. Darüber hinaus gibt es kaum Konzepte, wie eine dysfunktionale Darmbarriere diagnostisch genutzt oder therapeutisch behandelt werden könnte. Im Rahmen des vorliegenden Promotionsprojektes wurden deshalb die molekularen Effekte extrinsischer Nahrungsfaktoren sowie intrinsischer neuronaler und immunologischer Faktoren auf die Darmbarriere untersucht. Darüber hinaus wurde ein therapeutischer Ansatz bei diätinduzierter Darmbarrierestörung evaluiert sowie die Bedeutung der Darmbarrierefunktion für die Diagnostik von Nahrungsmittelunverträglichkeiten (NMUs) geprüft. Sowohl Mangelernährung als auch Überernährung wirken sich negativ auf die Darmbarriere aus. In Vorarbeiten wurden Darmbarrierestörungen im Tiermodell für Adipositas untersucht und gezeigt, dass Präbiotika und kurzkettige Fettsäuren präventiv wirksam sind. Im Rahmen des ersten Promotionsprojektes wurden die Auswirkungen eines Vitamin A (VA)- und Vitamin D (VD)-Mangels auf die Darmbarrierefunktion untersucht. Dazu wurden 36 C57BL/6J Mäuse für 12 Wochen entweder mit einer Kontrolldiät, einer Vitamin A-defizienten oder einer Vitamin D-defizienten Diät gefüttert und die Rolle verschiedener Signalwege in einem Organoid- Zellmodell evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl ein VA- als auch ein VD-Mangel die immunologische Darmbarriere, insbesondere die antimikrobielle Peptidabwehr, im Ileum und Colon beeinträchtigten. Diese Veränderungen gingen mit Störungen des Wnt-Signalweges und vermehrten inflammatorischen Prozessen im Colon einher. Zudem regulierten VA und VD die Expression antimikrobieller Peptide durch den Jak/STAT5-Signalweg. Die Ergebnisse zeigen, dass VA und VD die Darmbarrierefunktion beeinflussen und dass bei Mangelernährung der Vitaminstatus überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden sollte. Im zweiten Promotionsprojekt wurde die Darmbarrierefunktion in einem Tiermodell für Adipositas untersucht. Insbesondere wurde die Rolle des intestinalen serotonergen Systems nach Barrierestörung durch eine Western-Style Diät (WSD) sowie die Darm-Leber-Achse analysiert. Dazu wurden 32 Mäuse, welche einen knock-out im Gen für den Serotonin- Wiederaufnahme-Transporter (SERT) aufweisen (SERT-/-) sowie 32 Wildtyp Mäuse (SERT+/+) für 12 Wochen entweder mit einer Kontrolldiät oder einer WSD mit oder ohne 30 %-iger Fruktoselösung (F) gefüttert. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen des intestinalen serotonergen Systems die Gen- und Proteinexpression von Tight Junctions (TJ) reduzierten, was mit einer erhöhten Dünndarmpermeabilität einherging. SERT-/- Mäuse wiesen eine Abnahme der Mukusproduktion sowie der antimikrobiellen Peptidabwehr auf. Dadurch kam es zu einer vermehrten bakteriellen Translokation und einer Zunahme von Leberentzündung und -steatose. Somit spielt das serotonerge System bei der Entwicklung von Darmbarrierestörungen, bakterieller Translokation sowie metabolischen Erkrankungen eine Rolle. Im dritten Promotionsprojekt wurden neue Therapieansätze zur Behandlung von Darmbarrierestörungen untersucht. Konkret wurde geprüft, ob antimikrobielle Peptide diätinduzierte Störungen der Darmbarriere sowie metabolische Folgeerkrankungen reduzieren. Dazu erhielten 84 C57BL/6J Mäuse für 18 Wochen entweder eine Kontrolldiät oder eine WSD±F. Ab der 13. Versuchswoche wurden die Mäuse zusätzlich entweder mit HD51-9, hBD2 oder einem Kontrollpeptid behandelt. Zudem wurden potenzielle Signalwege anhand des Organoid-Zellmodells evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine 6-wöchige Defensinbehandlung mit HD51-9 oder hBD2 den Grad der Lebersteatose sowie die Glukosetoleranz bei WSDF-gefütterten Mäusen verbesserte, die Expression ilealer TJ-Proteine erhöhte und die Darmpermeabilität reduzierte. Des Weiteren resultierte die therapeutische Intervention in einer Zunahme der intestinalen antimikrobiellen Peptidabwehr, wobei der Wnt-, TLR/Myd88-, p38 MAPK sowie der Jak/STAT-Signalweg in diese Defensinvermittelten Effekte involviert waren. Defensin-Peptide sind somit ein neuer, vielversprechender Therapieansatz für die Behandlung einer dysfunktionalen Darmbarriere. Im vierten Promotionsprojekt wurde untersucht, ob die Darmbarriere, das enterische Nervensystem (ENS) sowie das mukosale Immunsystem bei der Pathologie von Nicht- Zöliakie-Weizensensitivität (NCWS) involviert sind. Dazu wurden 142 Patienten rekrutiert und anhand einer Allergiediagnostik als betroffen (n = 94) oder nicht betroffen (n = 48) klassifiziert. Zudem wurden mittels einer oralen, doppelblinden, placebokontrollierten Weizenprovokation (DBPCFC) 15 Patienten mit NCWS sowie 19 Kontrollen identifiziert. Anschließend wurden 78 Patienten im Rahmen einer konfokalen Laserendoskopie (CLE) duodenal mit Nahrungsmittelallergenen provoziert. Die Untersuchungen von Gewebeproben mittels RNA-Sequenzierung sowie histologischer und immunhistochemischer Färbungen zeigen, dass Patienten mit NCWS eine Veränderung der Mastzellzahl, eine vermehrte Aktivierung des ENS und möglicherweise Veränderungen des Defensinsystems der Darmbarriere aufwiesen. Im Rahmen der Promotionsprojekte konnten Mechanismen, die diätinduzierten Darmbarrierestörungen zugrunde liegen, beschrieben und ein neuer Therapieansatz aufgezeigt werden. Die Daten unterstreichen die Bedeutung der Darmbarriere für die Pathophysiologie, Diagnostik und Therapie ernährungsassoziierter Erkrankungen.
Saccharomyces boulardii CNCM I-745 supernatant improves markers of gut barrier function and inflammatory response in small intestinal organoids
(2025) Filipe Rosa, Louisa; Gonda, Steffen; Roese, Nadine; Bischoff, Stephan C.; Lachowicz-Wiśniewska, Sabina
Objectives: Saccharomyces boulardii CNCM I-745, a probiotic yeast, is effectively used for the treatment of acute diarrhea as well as for the prevention and treatment of traveller‘s diarrhea and diarrhea under tube feeding. The underlying mechanisms are not fully elucidated. Both antitoxic and regulatory effects on the intestinal barrier, mediated either by the yeast or yeast-derived substrates, have been discussed. Methods: To examine the effects of Saccharomyces boulardii released substrates (S.b.S) on gastrointestinal (GI) barrier function, a murine small intestinal organoid cell model under stress was used. Stress was induced by lipopolysaccharide (LPS) exposure or withdrawal of growth factors from cell culture medium (GFRed). Stressed organoids were treated with S.b.S (200 µg/mL), and markers of GI barrier and inflammatory response were assessed. Results: GFRed-induced stress was characterized by disturbances in selected tight junction (TJ) (p < 0.05), adherent junction (AJ) (p < 0.001), and mucin (Muc) formation (p < 0.01), measured by gene expressions, whereby additional S.b.S treatment was found to reverse these effects by increasing Muc2 (from 0.22 to 0.97-fold change, p < 0.05), Occludin (Ocln) (from 0.37 to 3.5-fold change, p < 0.0001), and Claudin (Cldn)7 expression (from 0.13 ± 0.066-fold change, p < 0.05) and by decreasing Muc1, Cldn2, Cldn5, and junctional adhesion molecule A (JAM-A) expression (all p < 0.01). Further, S.b.S normalized expression of nucleotide binding oligomerization domain (Nod)2- (from 44.5 to 0.51, p < 0.0001) and matrix metalloproteinase (Mmp)7-dependent activation (from 28.3 to 0.02875 ± 0.0044 ** p < 0.01) of antimicrobial peptide defense and reduced the expression of several inflammatory markers, such as myeloid differentiation primary response 88 (Myd88) (p < 0.01), tumor necrosis factor α (Tnfα) (p < 0.01), interleukin (IL)-6 (p < 0.01), and IL-1β (p < 0.001). Conclusions: Our data provide new insights into the molecular mechanisms by which Saccharomyces boulardii CNCM I-745-derived secretome attenuates inflammatory responses and restores GI barrier function in small intestinal organoids.
Tannic acid and ethacridine lactate attenuate markers of stress-induced intestinal barrier dysfunctions in murine small intestinal organoids
(2025) Filipe Rosa, Louisa; Gonda, Steffen; Roese, Nadine; Bischoff, Stephan C.; Kwok, Hang Fai (Henry); Alaimo, Alessandro
(1) Background: Tannacomp® is a drug consisting of tannin albuminate, a complex of tannic acid (TA) and ethacridine lactate (Eta) used for treating acute and traveler’s diarrhea. TA is thought to modulate gastrointestinal barrier function, but the underlying mechanisms and whether Eta has similar effects remains unclear. (2) Methods: to investigate the effects of TA and Eta on the intestinal barrier, stress responses were induced in murine intestinal organoids by lipopolysaccharide (LPS) exposure or withdrawal of growth factors from cell culture medium (GFRed). Further, organoids were exposed to either TA (0.01 mg/mL) or Eta (0.002 mg/mL) and markers of inflammatory response and gut barrier function were assessed. (3) Results: TA and Eta reduced several inflammatory markers such as interleukin 6, interleukin 1β, tumor necrosis factor α, and myeloid differentiation primary response 88 in stressed organoids. In addition, TA and Eta attenuated LPS- and GFRed-mediated gut barrier dysfunctions, with normalization of tight junction, adherent junction and mucin gene expression and reduction of Nod2- and matrix metalloproteinase 7-dependent activation of antimicrobial peptides. (4) Conclusions: our data show that TA and Eta modulate markers of inflammation and the intestinal barrier and suggest novel mechanisms of action of this drug that could broaden its treatment indications.
Vitamin A- and D-deficient diets disrupt intestinal antimicrobial peptide defense involving Wnt and STAT5 signaling pathways in mice
(2023) Filipe Rosa, Louisa; Petersen, Patricia P.; Görtz, Lisa F.; Stolzer, Iris; Kaden-Volynets, Valentina; Günther, Claudia; Bischoff, Stephan C.
Vitamin A and D deficiencies are associated with immune modulatory effects and intestinal barrier impairment. However, the underlying mechanisms remain unclear. C57BL/6J mice were fed either a diet lacking in vitamin A (VAd), vitamin D (VDd) or a control diet (CD) for 12 weeks. Gut barrier function, antimicrobial peptide (AMP) defense and regulatory pathways were assessed. VAd mice compared to CD mice showed a reduced villus length in the ileum (p < 0.01) and decreased crypt depth in the colon (p < 0.05). In both VAd- and VDd-fed mice, ileal α-defensin 5 (p < 0.05/p < 0.0001 for VAd/VDd) and lysozyme protein levels (p < 0.001/p < 0.0001) were decreased. Moreover, mRNA expression of lysozyme (p < 0.05/p < 0.05) and total cryptdins (p < 0.001/p < 0.01) were reduced compared to controls. Furthermore, matrix metalloproteinase-7 (Mmp7) mRNA (p < 0.0001/p < 0.001) as well as components of the Wnt signaling pathway were decreased. VAd- and VDd-fed mice, compared to control mice, exhibited increased expression of pro-inflammatory markers and β-defensins in the colon. Organoid cell culture confirmed that vitamins A and D regulate AMP expression, likely through the Jak/STAT5 signaling pathway. In conclusion, our data show that vitamin A and D regulate intestinal antimicrobial peptide defense through Wnt and STAT5 signaling pathways.