老化した腸に対するプレバイオティクスガラクトオリゴ糖の多面的効果

背景：プレバイオティクスガラクトオリゴ糖（GOS）は、腸の健康に有益な影響を広く実証しています。この研究では、GOS食事が腸の老化の特徴に対する影響を決定しました：微生物叢の脱共生、炎症、および腸の障壁の欠陥（「漏れやすい腸」）。また、短期のGOS摂食が、クロストリディオイデスディフィシル感染のマウスモデルにおける抗生物質の課題に老化した腸がどのように反応したかに影響を与えたかどうかを評価しました。最後に、結腸オルガノイドがin vivoで観察されたGOSレスポンダー - 応答表現型を再現できるかどうかを評価しました。 結果：古い動物は、非鎮痛菌と節分解性菌の比率の増加を特徴とする明確な微生物叢を有し、それに対応して、若い動物と比較してβ-ガラクトシダーゼの存在量が少ない。GOSは全体的な多様性を低下させ、特定の聖た糖分解細菌（バクテロイドとラクトバチルスの種）の存在量を増加させ、幼い動物および古い動物のβ-ガラクトシダーゼの存在量を増加させ、非糖分分解生物を増加させました。ただし、堅牢で均一な二分形成効果は観察されませんでした。GOSは、古いマウスの年齢関連の腸透過性の増加とMUC2発現と粘液の厚さの増加を減少させました。クリンダミシンは、古いマウスでは、アクセルマンシア、クロストリジウム、コプロコッカス、バチルス、バクテロイド、およびルミノコッカスを増加させながら、存在量のビフィドバクテリウムを減少させました。抗生物質は、炎症の血清マーカーの調節にGOよりも衝撃的でした。IL-17およびIL-6のより高い血清レベルは、抗生物質グループの対照およびGOS食で観察され、それらのグループ内では、IL-6のレベルは、年齢に関係なくGOSグループで高く、コントロールダイエットグループの若い動物と比較して古い動物と比較して高くなりました。RTQPCRは、古いマウスの遠位結腸組織におけるTNFαの遺伝子発現が有意に増加し、GOS食によって減少したことを明らかにしました。GOSを与えられたマウスの結腸トランスクリプトーム分析では、小分子代謝プロセス、特に古い動物の応答性に関与する遺伝子の発現が増加し、酸化的代謝とエネルギー効率の増加を示す可能性があります。若いマウスでは、GOSは結合関連遺伝子の発現を誘導しました。ガレクチン遺伝子LGALS1は、糖部分によって分子をブリッジするβ-ガラクトシル結合レクチンであり、免疫応答の重要なモジュレーターであり、PI3K-AKTおよびECM受容体相互作用経路も若いマウスで誘導されました。プレバイオティクスの存在下で結腸オルガノイドに注入されたGOSに対するさまざまな生体形成反応を示すマウスからの便は、in vivoで観察された反応と非応答表現型を再現し、微生物叢の組成と機能性が表現型への主な貢献者であることを示唆しています。 結論：微生物叢の組成と宿主遺伝子発現の変化を促進することにより、食事のGOSが老化した腸の恒常性を調節しました。これは、腸の透過性の低下と粘液産生の増加に変換されました。年齢は、プレバイオティクスが腸上皮細胞の微生物叢と発現にどのように影響したかについての決定要因でした。これは、特に若いが古いマウスではないガレクチン-1の誘導から明らかです。ビデオ要約。

BACKGROUND: Prebiotic galacto-oligosaccharides (GOS) have an extensively demonstrated beneficial impact on intestinal health. In this study, we determined the impact of GOS diets on hallmarks of gut aging: microbiome dysbiosis, inflammation, and intestinal barrier defects ("leaky gut"). We also evaluated if short-term GOS feeding influenced how the aging gut responded to antibiotic challenges in a mouse model of Clostridioides difficile infection. Finally, we assessed if colonic organoids could reproduce the GOS responder-non-responder phenotypes observed in vivo. RESULTS: Old animals had a distinct microbiome characterized by increased ratios of non-saccharolytic versus saccharolytic bacteria and, correspondingly, a lower abundance of β-galactosidases compared to young animals. GOS reduced the overall diversity, increased the abundance of specific saccharolytic bacteria (species of Bacteroides and Lactobacillus), increased the abundance of β-galactosidases in young and old animals, and increased the non-saccharolytic organisms; however, a robust, homogeneous bifidogenic effect was not observed. GOS reduced age-associated increased intestinal permeability and increased MUC2 expression and mucus thickness in old mice. Clyndamicin reduced the abundance Bifidobacterium while increasing Akkermansia, Clostridium, Coprococcus, Bacillus, Bacteroides, and Ruminococcus in old mice. The antibiotics were more impactful than GOS on modulating serum markers of inflammation. Higher serum levels of IL-17 and IL-6 were observed in control and GOS diets in the antibiotic groups, and within those groups, levels of IL-6 were higher in the GOS groups, regardless of age, and higher in the old compared to young animals in the control diet groups. RTqPCR revealed significantly increased gene expression of TNFα in distal colon tissue of old mice, which was decreased by the GOS diet. Colon transcriptomics analysis of mice fed GOS showed increased expression of genes involved in small-molecule metabolic processes and specifically the respirasome in old animals, which could indicate an increased oxidative metabolism and energetic efficiency. In young mice, GOS induced the expression of binding-related genes. The galectin gene Lgals1, a β-galactosyl-binding lectin that bridges molecules by their sugar moieties and is an important modulator of the immune response, and the PI3K-Akt and ECM-receptor interaction pathways were also induced in young mice. Stools from mice exhibiting variable bifidogenic response to GOS injected into colon organoids in the presence of prebiotics reproduced the response and non-response phenotypes observed in vivo suggesting that the composition and functionality of the microbiota are the main contributors to the phenotype. CONCLUSIONS: Dietary GOS modulated homeostasis of the aging gut by promoting changes in microbiome composition and host gene expression, which was translated into decreased intestinal permeability and increased mucus production. Age was a determining factor on how prebiotics impacted the microbiome and expression of intestinal epithelial cells, especially apparent from the induction of galectin-1 in young but not old mice. Video abstract.