Chronic gut inflammation promotes the development of metabolic diseases such as obesity. There is growing evidence which suggests that dysbiosis in gut microbiota and metabolites disrupt the integrity of the intestinal barrier and significantly impact the level of inflammation in various tissues, including the liver and adipose tissues. Moreover, dietary sources are connected to the development of leaky gut syndrome through their interaction with the gut microbiota. This review examines the effects of these factors on intestinal microorganisms and the communication pathways between the gut-liver and gut-brain axis. The consumption of diets rich in fats and carbohydrates has been found to weaken the adherence of tight junction proteins in the gastrointestinal tract. Consequently, this allows endotoxins, such as lipopolysaccharides produced by detrimental bacteria, to permeate through portal veins, leading to metabolic endotoxemia and alterations in the gut microbiome composition with reduced production of metabolites, such as short-chain fatty acids. However, the precise correlation between gut microbiota and alternative sweeteners remains uncertain, necessitating further investigation. This study highlights the significance of exploring the impact of diet on gut microbiota and the underlying mechanisms in the gut-liver and gut-brain axis. Nevertheless, limited research on the gut-liver axis poses challenges in comprehending the intricate connections between diet and the gut-brain axis. This underscores the need for comprehensive studies to elucidate the intricate gut-brain mechanisms underlying intestinal health and microbiota.
Journal of the Korean Academy of Child and Adolescent Psychiatry
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v.31
no.3
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pp.131-145
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2020
The microbiota-gut-brain axis, which refers to the bidirectional communication pathway between gut bacteria and the central nervous system, has a profound effect on important brain processes, from the synthesis of neurotransmitters to the modulation of complex behaviors such as sociability and anxiety. Previous studies have revealed that the gut microbiota is potentially related to not only gastrointestinal disturbances, but also social impairment and repetitive behavior-core symptoms of autism spectrum disorder (ASD). Although studies have been conducted to characterize the microbial composition in patients with ASD, the results are heterogeneous. Nevertheless, it is clear that there is a difference in the composition of the gut microbiota between ASD and typically developed individuals, and animal studies have repeatedly suggested that the gut microbiota plays an important role in ASD pathophysiology. This possibility is supported by abnormalities in metabolites produced by the gut microbiota and the association between altered immune responses and the gut microbiota observed in ASD patients. Based on these findings, various attempts have been made to use the microbiota in ASD treatment. The results reported to date suggest that microbiota-based therapies may be effective for ASD, but largescale, well-designed studies are needed to confirm this.
Background: Gut microbiota influence the central nervous system through gut-brain-axis. They also affect the neurological disorders. Gut microbiota differs in patients with Alzheimer's disease (AD), as a potential factor that leads to progression of AD. Oral intake of Korean Red Ginseng (KRG) improves the cognitive functions. Therefore, it can be proposed that KRG affect the microbiota on the gut-brain-axis to the brain. Methods: Tg2576 were used for the experimental model of AD. They were divided into four groups: wild type (n = 6), AD mice (n = 6), AD mice with 30 mg/kg/day (n = 6) or 100 mg/kg/day (n = 6) of KRG. Following two weeks, changes in gut microbiota were analyzed by Illumina HiSeq4000 platform 16S gene sequencing. Microglial activation were evaluated by quantitative Western blot analyses of Iba-1 protein. Claudin-5, occludin, laminin and CD13 assay were conducted for Blood-brain barrier (BBB) integrity. Amyloid beta (Aβ) accumulation demonstrated through Aβ 42/40 ratio was accessed by ELISA, and cognition were monitored by Novel object location test. Results: KRG improved the cognitive behavior of mice (30 mg/kg/day p < 0.05; 100 mg/kg/day p < 0.01), and decreased Aβ 42/40 ratio (p < 0.01) indicating reduced Aβ accumulation. Increased Iba-1 (p < 0.001) for reduced microglial activation, and upregulation of Claudin-5 (p < 0.05) for decreased BBB permeability were shown. In particular, diversity of gut microbiota was altered (30 mg/kg/day q-value<0.05), showing increased population of Lactobacillus species. (30 mg/kg/day 411%; 100 mg/kg/day 1040%). Conclusions: KRG administration showed the Lactobacillus dominance in the gut microbiota. Improvement of AD pathology by KRG can be medicated through gut-brain axis in mice model of AD.
The gut is an important organ with digestive and immune regulatory function which consistently harbors microbiome ecosystem. The gut microbiome cooperates with the host to regulate the development and function of the immune, metabolic, and nervous systems. It can influence disease processes in the gut as well as extra-intestinal organs, including the brain. The gut closely connects with the central nervous system through dynamic bidirectional communication along the gut-brain axis. The connection between gut environment and brain may affect host mood and behaviors. Disruptions in microbial communities have been implicated in several neurological disorders. A link between the gut microbiota and the brain has long been described, but recent studies have started to reveal the underlying mechanism of the impact of the gut microbiota and gut barrier integrity on the brain and behavior. Here, we summarized the gut barrier environment and the 4 main gut-brain axis pathways. We focused on the important function of gut barrier on neurological diseases such as stress responses and ischemic stroke. Finally, we described the impact of representative environmental sensors generated by gut bacteria on acute neurological disease via the gut-brain axis.
The human gastrointestinal (GI) tract houses a diverse microbial community, known as the gut microbiome comprising bacteria, viruses, fungi, and protozoa. The gut microbiome plays a crucial role in maintaining the body's equilibrium and has recently been discovered to influence the functioning of the central nervous system (CNS). The communication between the nervous system and the GI tract occurs through a two-way network called the gut-brain axis. The nervous system and the GI tract can modulate each other through activated neuronal cells, the immune system, and metabolites produced by the gut microbiome. Extensive research both in preclinical and clinical realms, has highlighted the complex relationship between the gut and diseases associated with the CNS, such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and amyotrophic lateral sclerosis. This review aims to delineate receptor and target enzymes linked with gut microbiota metabolites and explore their specific roles within the brain, particularly their impact on CNS-related diseases.
Yu, Seonhye;Chun, Eunho;Ji, Yeounjung;Lee, Young Joo;Jin, Mirim
Journal of Ginseng Research
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v.45
no.6
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pp.706-716
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2021
Background: Irritable bowel syndrome (IBS), the most common functional gastrointestinal disorder, is characterized by chronic abdominal pain and bowel habit changes. Although diverse complicated etiologies are involved in its pathogenesis, a dysregulated gut-brain axis may be an important factor. Red ginseng (RG), a traditional herbal medicine, is proven to have anti-inflammatory effects and improve brain function; however, these effects have not been investigated in IBS. Methods: Three-day intracolonic zymosan injections were used to induce post-infectious human IBS-like symptoms in mice. The animals were randomized to receive either phosphate-buffered saline (CG) or RG (30/100/300 mg/kg) for 10 days. Amitriptyline and sulfasalazine were used as positive controls. Macroscopic scoring was performed on day 4. Visceral pain and anxiety-like behaviors were assessed by colorectal distension and elevated plus maze and open field tests, respectively, on day 10. Next-generation sequencing of gut microbiota was performed, and biomarkers involved in gut-brain axis responses were analyzed. Results: Compared to CG, RG significantly decreased the macroscopic score, frequency of visceral pain, and anxiety-like behavior in the IBS mice. These effects were comparable to those after sulfasalazine and amitriptyline treatments. Moreover, RG significantly increased the proliferation of beneficial microbes, including Lactobacillus johnsonii, Lactobacillus reuteri, and Parabacteroides goldsteinii. RG significantly suppressed expression of IL-1β and c-fos in the gut and prefrontal cortex, respectively. Further, it restored the plasma levels of corticosterone to within the normal range, accompanied by an increase in adrenocorticotropic hormone. Conclusion: RG may be a potential therapeutic option for the management of human IBS.
Yoon-Jung Shin;Dong-Yun Lee;Joo Yun Kim;Keon Heo;Jae-Jung Shim;Jung-Lyoul Lee;Dong-Hyun Kim
Journal of Ginseng Research
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v.47
no.2
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pp.255-264
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2023
Background: Red ginseng (RG) alleviates psychiatric disorders. Fermented red ginseng (fRG) alleviates stress-induced gut inflammation. Gut dysbiosis causes psychiatric disorders with gut inflammation. To understand the gut microbiota-mediated action mechanism of RG and fRG against anxiety/depression (AD), we investigated the effects of RG, fRG, ginsenoside Rd, and 20(S)-β-D-glucopyranosyl protopanaxadiol (CK) on gut microbiota dysbiosis-induced AD and colitis in mice. Methods: Mice with AD and colitis were prepared by exposing to immobilization stress (IS) or transplanting the feces of patients with ulcerative colitis and depression (UCDF). AD-like behaviors were measured in the elevated plus maze, light/dark transition, forced swimming, and tail suspension tests. Results: Oral gavage of UCDF increased AD-like behaviors and induced neuroinflammation, gastrointestinal inflammation, and gut microbiota fluctuation in mice. Oral administration of fRG or RG treatment reduced UCDF-induced AD-like behaviors, hippocampal and hypothalamic IL-6 expression, and blood corticosterone level, whereas UCDF-suppressed hippocampal BDNF+NeuN+ cell population and dopamine and hypothalamic serotonin levels increased. Furthermore, their treatments suppressed UCDF-induced colonic inflammation and partially restored UCDF-induced gut microbiota fluctuation. Oral administration of fRG, RG, Rd, or CK also decreased IS-induced AD-like behaviors, blood IL-6 and corticosterone and colonic IL-6 and TNF-α levels, and gut dysbiosis, while IS-suppressed hypothalamic dopamine and serotonin levels increased. Conclusion: Oral gavage of UCDF caused AD, neuroinflammation, and gastrointestinal inflammation in mice. fRG mitigated AD and colitis in UCDF-exposed mice by the regulation of the microbiota-gut-brain axis and IS-exposed mice by the regulation of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis.
Park, Seon Kyeong;Kang, Jin Yong;Kim, Jong Min;Kim, Min Ji;Lee, Hyo Lim;Moon, Jong Hyun;Jeong, Hye Rin;Kim, Hyun-Jin;Heo, Ho Jin
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.32
no.7
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pp.927-937
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2022
To confirm the therapeutic effect of the water extract from Ecklonia cava (WEE) against PM2.5 induced systemic health damage, we evaluated gut health with a focus on the microbiota and metabolites. Systemic damage in mice was induced through PM2.5 exposure for 12 weeks in a whole-body chamber. After exposure for 12 weeks, body weight and food intake decreased, and WEE at 200 mg/kg body weight (mpk) alleviated these metabolic efficiency changes. In addition, PM2.5 induced changes in the length of the colon and fecal water content. The administration of the WEE at 200 mpk oral dose effectively reduced changes in the colon caused by PM2.5 exposure. We also attempted to confirm whether the effect of the WEE is mediated via regulation of the microbiota-gut-brain axis in mice with PM2.5 induced systemic damage. We examined changes in the fecal microbiota and gut metabolites such as short-chain fatty acids (SCFAs) and kynurenine metabolites. In the PM2.5 exposed group, a decrease in the abundance of Lactobacillus (Family: Lactobacillaceae) and an increase in the abundance of Alistipes (Family: Rikenellaceae) were observed, and the administration of the WEE showed a beneficial effect on the gut microbiota. In addition, the WEE effectively increased the levels of SCFAs (acetate, propionate, and butyrate). Furthermore, kynurenic acid (KYNA), which is a critical neuroprotective metabolite in the gut-brain axis, was increased by the administration of the WEE. Our findings suggest that the WEE could be used as a potential therapeutic against PM2.5 induced health damage by regulating gut function.
Recent studies have confirmed that gut microbiota differs according to race or country in many diseases, including mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer's disease. However, no study has analyzed the characteristics of Korean MCI patients. This study was performed to observe the association between gut microbiota and MCI in the Korean elderly and to identify potential markers for Korean MCI patients. For this purpose, we collected fecal samples from Korean subjects who were divided into an MCI group (n = 40) and control group (n = 40) for 16S rRNA gene amplicon sequencing. Although no significant difference was observed in the overall microbial community profile, the relative abundance of several genera, including Bacteroides, Prevotella, and Akkermansia, showed significant differences between the two groups. In addition, the relative abundance of Prevotella was negatively correlated with that of Bacteroides (r = 0.733). This study may provide Korean-specific basic data for comparing the characteristics of the gut microbiota between Korean and non-Korean MCI patients.
Over recent years, it has become evident that the central nervous system bidirectionally interacts with the gastrointestinal tract along the gut-brain axis. A series of preclinical studies indicate that the gut microbiota can modulate central nervous system function through a multitude of physiological functions. Polyphenols are ubiquitous plant chemicals included in foods such as fruits, vegetables, tea, coffee and wine, and their consumption is directly responsible for beneficial health effects due to antioxidant, anti-inflammatory, antimicrobial, immunomodulatory, anticancer, vasodilating, and prebiotic-like effects. There is increasing evidence that dietary polyphenol can contribute to beneficial effects in neuronal protection acting against oxidative stress and inflammatory injury as well as in cognitive functions. In this paper, we overview the neuroprotective role of dietary polyphenols especially focusing on the neuroinflammation and neurovascular function by interaction with the gut microbiome. Polyphenol metabolites could directly act as neurotransmitters crossing the blood-brain barrier and modulating the cerebrovascular system or indirectly modulating gut microbiota. In addition, evidence suggests that dietary polyphenols are effective in preventing and managing neurological disorders, such as age-related cognitive decline and neurodegeneration, through a multitude of physiological functions. Dietary polyphenols are increasingly envisaged as a potential nutraceuticals in the prevention and treatment of neurological disorders, because they possess the ability to reduce neuroinflammation, to improve memory and cognitive function and to modulate the gut microbiota.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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