Interferentie van luminale componenten aanwezig in het colon met het mucosaal boterzuurmetabolisme in colitis ulcerosa

Colitis ulcerosa (CU) is een inflammatoire darmziekte die gekarakteriseerd wordt door chronische ontsteking van de mucosa in het colon. De meest voorkomende klinische symptomen zijn bloederige diarree, buikpijn, vermoeidheid en gewichtsverlies. De gebruikelijke therapeutische opties zijn voornamelijk gericht op het verminderen van het ontstekingsproces maar zijn maar gedeeltelijk succesvol en vertonen verschillende bijwerkingen. De exacte pathofysiologische processen die aan de basis van de ziekte liggen, zijn niet gekend. Algemeen wordt aanvaard dat er ontstekingsreacties plaatsvinden als reactie op omgevingsfactoren of bacteriële stimuli in genetisch voorbeschikte personen. De samenstelling van de microbiota in het colon is afwijkend bij patiënten met CU en vermoedelijk speelt die een belangrijke rol in de initiatie en progressie van de ziekteactiviteit. Door bacteriële fermentatie wordt een uitgebreid gamma van luminale colon componenten geproduceerd die in nauw contact staan met de colon mucosa en zo de darmgezondheid kunnen beïnvloeden.

In dit PhD project hebben we de rol van de colon componenten in de pathofysiologie van CU bestudeerd. Hun samenstelling werd gekarakteriseerd in fecale stalen van CU patiënten en werd vergeleken met die van gezonde controles. Daarnaast werd hun capaciteit om verschillende darmfunctieparameters te beïnvloeden onderzocht en werden discriminerende fecale componenten geïdentificeerd. Tenslotte werd de veiligheid van een nieuwe, boterzuur-producerende stam onderzocht in gezonde vrijwilligers.

In het eerste deel van dit project toonden we aan dat inductie van inflammatie in een epitheliale cellijn de opname en oxidatie van boterzuur verminderde, wat in colonocyten het voornaamste energieproducerend proces is (Hoofdstuk 3). Dit bevestigt de hypothese dat het verstoord boterzuurmetabolisme in het colon van CU patiënten het gevolg is van inflammatie. Gelijktijdige incubatie met boterzuur verhinderde de gedaalde boterzuuroxidatie. Dit geeft aan dat het verhogen van de luminale boterzuurconcentratie therapeutisch potentieel kan hebben in CU patiënten.

In het tweede deel karakteriseerden we de microbiële dysbiose in CU, die gekenmerkt werd door een gedaalde biodiversiteit, verlaagde hoeveelheden van boterzuur-producerende species en een verhoogde aanwezigheid van enkele opportunistische pathogenen zoals Helicobacter en Escherichia/Shigella. Analyse van het fecale metaboloom toonde een afwijkende samenstelling van de colon componenten in vergelijking met gezonde controles. Met name de hoeveelheden korte-, middellange- en langeketen vetzuren (KKVZ, MKVZ en LKVZ) waren lager terwijl sommige aminozuren en galzuren gestegen waren in CU (Hoofdstuk 4).
Vervolgens onderzochten we de functionele impact van deze microbiële dysbiose door na te gaan of het fecaal water van CU patiënten fysiologische processes, die relevant zijn voor de pathogenese van CU, konden beïnvloeden. Fecaal water van CU patiënten verlaagde de genexpressie van het eerste enzyme van de boterzuuroxidatie in colon cellen (Hoofdstuk 5), verhoogde de epitheliale cytotoxiciteit (Hoofdstuk 6), verminderde de weerstand van de epitheliale barrière (Hoofdstuk 7) en verhoogde de productie van inflammatoire cytokines in humane perifere bloed mononucleaire cellen (Hoofdstuk 8) in vergelijking met fecaal water van gezonde personen. Dit toont aan dat de veranderde samenstelling van fecaal water in CU patiënten een meer uitgesproken nadelig effect heeft op de darmfunctie vergeleken met die van gezonde personen, en suggereert dat de colon componenten mogelijks rechtstreeks darminflammatie kunnen uitlokken, onderhouden of verergeren. Colon componenten die consistent geassocieerd waren met verbeteringen in deze darmfunctieparameters waren de KKVZ, MKVZ en LKVZ terwijl ethanol, dimethyl disulfide en aminozuren geassocieerd waren met een nadelig effect. Dieetinterventies die koolhydraatfermentatie promoten, kunnen de luminale concentraties van deze componenten beïnvloeden en normaliseren en kunnen bijgevolg een veelbelovende strategie zijn om de darmgezondheid in CU te verbeteren.

Een alternatieve strategie om de luminale boterzuurconcentraties te verhogen en microbiële dysbiose aan te pakken is het gebruik van boterzuur-producerende bacteriën. In het derde deel van dit project voerden we een explorerende fase 1 studie uit met boterzuur-produceerder Butyricicoccus (B.) pullicaecorum 25-3T in een placebo-gecontroleerde, cross-over opstelling in 30 gezonde vrijwilligers. De interventie werd veilig bevonden en goed getolereerd, wat de weg vrijmaakt voor klinisch gebruik van deze stam en het nagaan van zijn mogelijke therapeutische effecten (Hoofdstuk 9). Daarenboven verhoogde de B. pullicaecorum interventie de totale microbiële diversiteit, wat de promotie van een stabiel en veerkrachtig intestinaal ecosysteem aangeeft.

De resultaten verkregen in dit PhD project dragen bij aan de huidige kennis over de pathofysiologie van CU. Microbiële dysbiose leidt tot een gewijzigde productie van componenten in het colon, die de darmgezondheid nadelig beïnvloeden en zo kunnen bijdragen aan de initiatie, het behoud en de progressie van het ontstekingsproces. Veranderingen in het dieet die de ratio van koolhydraat- over proteïnefermentatie promoten, en zo een verhoogde microbiële KKVZ productie induceren, en het beperken van alcoholinname kunnen de darmgezondheid in CU patiënten mogelijks verbeteren.