Recently, the term metabiotics has emerged as a new concept of probiotics. This concept entails combining existing probiotic components with metabolic by-products improve specific physiological functionalities. Representative ingredients of these metabiotics include short-chain fatty acids (SCFAs), bacteriocins, polysaccharides, and peptides. The new concept is highly regarded as it complements the side effects of existing probiotics and is safe and easy to administer. Known health functions of metabiotics are mainly immune regulation, anti-inflammatory, anticancer, and brain-neurological health. Research has been actively conducted on the health benefits related to the composition of intestinal microorganisms. Among them, the focus has been on brain neurological health, which requires extensive research. This study showed that neurological disorders, such as depression, anxiety, autism spectrum disorder, Alzheimer's disease, and Parkinson's disease, can be treated and prevented according to the gut-brain axis theory by changing the intestinal microflora. In addition, various studies are being conducted on the immunomodulatory and anticancer effects of substances related to metabiotics of the microbiome. In particular, its efficacy is expected to be confirmed through human studies on various cancers. Therefore, developing various health functional effects of the next-generation probiotics such as metabiotics to prevent or treatment of various diseases is anticipated.
Hyeon-Ji Lim;In-Sun Park;Ji Won Seo;Gwangsu Ha;Hee-Jong Yang;Do-Youn Jeong;Seon-Young Kim;Chan-Hun Jung
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.34
no.7
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pp.1501-1510
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2024
Inflammatory bowel disease (IBD), characterized by chronic inflammation of the gut, is caused by several factors. Among these factors, microbial factors are correlated with the gut microbiota, which produces short-chain fatty acids (SCFAs) via anaerobic fermentation. Fermented foods are known to regulate the gut microbiota composition. Ganjang (GJ), a traditional fermented Korean soy sauce consumed worldwide, has been shown to exhibit antioxidant, anticancer, anti-colitis, and antihypertensive activities. However, its effects on the gut microbiota remain unknown. In the present study, we aimed to compare the anti-inflammatory effects of GJ manufactured using different methods and investigate its effect on SCFA production in the gut. To evaluate the anti-inflammatory effects of GJ in the gut, we performed animal experiments using a mouse model of dextran sulfate sodium (DSS)-induced colitis. All GJ samples attenuated DSS-induced colitis symptoms, including reduced colonic length, by suppressing the expression of inflammatory cytokines. In addition, GJ administration modulated SCFA production in the DSS-induced colitis model. Overall, GJ exerted anti-inflammatory effects by reducing DSS-induced symptoms via regulation of inflammation and modulation of SCFA levels in a DSS-induced colitis model. Thus, GJ is a promising fermented food with the potential to prevent IBD.
Inflammatory bowel disease (IBD) is an increasing global burden and a predisposing factor to colorectal cancer. Although a number of treatment options are available, the side effects could be considerable. Studies on fecal microbiota transplantation (FMT) as an IBD intervention protocol require further validation as the underlying mechanisms for its attenuating effects remain unclear. This study aims to demonstrate the ameliorative role of FMT in an ulcerative colitis (UC) model induced by dextran sulfate sodium (DSS) and elucidate its relative mechanisms in a mouse model. It was shown that FMT intervention decreased disease activity index (DAI) levels and increased the body weight, colon weight and colon length of experimental animals. It also alleviated histopathological changes, reduced key cytokine expression and oxidative status in the colon. A down-regulated expression level of genes associated with NF-κB signaling pathway was also observed. The results of 16S rRNA gene sequencing showed that FMT intervention restored the gut microbiota to the pattern of the control group by increasing the relative abundance of Firmicutes and decreasing the abundances of Bacteroidetes and Proteobacteria. The relative abundances of the genera Lactobacillus, Butyricicoccus, Lachnoclostridium, Olsenella and Odoribacter were upregulated but Helicobacter, Bacteroides and Clostridium were reduced after FMT administration. Furthermore, FMT administration elevated the concentrations of SCFAs in the colon. In conclusion, FMT intervention could be suitable for UC control, but further validations via clinical trials are recommended.
In this study, the effects of processed small black soybeans on the intestinal morphological characteristics of rats were examined. Adult male rats were fed diets containing raw, cooked, or acidified small black soybean powders for 4 weeks. The total short chain fatty acid (SCFA) level was significantly higher in the acidified small black soybean supplemented group than in the raw and cooked soybean diet groups. The major SCFAs found in the experimental groups were acetate, followed by propionate and butyrate. The duodenal villus height and colonic mucosal thickness were also significantly higher in the acidified small black soybean supplemented group than in the raw and cooked soybean diet groups. The acidified small black soybean supplemented group showed the densest colonic mucosa by staining with alcian blue (AB), as compared to the raw and cooked soybean diet groups. The acidified small black soybean supplemented group exhibited strongly stained $CD4^+$ in the mucosal lamina propria, while cooked and acidified diet groups were more strongly stained $CD8^+$ in the submucosal lamina propria than the raw diet group. These results suggest that acidified small black soybeans may help improve intestinal function.
We investigated the effects of fructooligosaccharides and chicory inulin on the profiles of cecal and fecal short-chain fatty acids (SCFAs) and fecal bile acids in rats. Thirty-six Sprague Dawley male rats weighing about 190 g were randomly divided among four treatments; control diet, control diet +6%(w/w) fructooligosaccharide (POS), control diet +6% chicory inulin oligosaccharide(CIOS), and control diet +6% chicory inulin(CI). The rats were pair-fed and experimental diets were maintained for 5 weeks. Cecal and fecal pH was significantly decreased in rats that were fed fructooligosaccharides and chicory inulin. Cecal propionate was significantly elevated in rats fed CIOS diets, and butyrate was lower in rats fed FOS and CI than control values. Cecal lactate was significantly higher in the FOS group than in the control group. The fecal excretions of acetate and total SCFA were 200-300% higher in rats that were fed fructooligosaccharides and chicory inulin than in the control group. Lactate excretion was highest in rats that were fed FOS, followed by those fed CIOS and CI. The cholic acid and total bile acid concentrations in feces were significantly lower in the rats that were fed fructooligosaccharides and chicory inulin. The deoxycholic acid concentrations in wet feces were significantly lower in the groups of rats that ate CIOS (0.186 mM), FOS (0.274 mM), and CI (0.362 mM) than in the control group (0.595 mM). Among the fructans, short-chain fructooligosaccharide was more effective at decreasing colonic pH and lactate production, but medium-chain chicory inulin oligosaccharide was more effective at increasing fecal butyrate and lowering the fecal secondary bile acid concentration.
Park, Bi-Oh;Kang, Jong Soon;Paudel, Suresh;Park, Sung Goo;Park, Byoung Chul;Han, Sang-Bae;Kwak, Young-Shin;Kim, Jeong-Hoon;Kim, Sunhong
Biomolecules & Therapeutics
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v.30
no.1
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pp.48-54
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2022
GPR43 (also known as FFAR2), a metabolite-sensing G-protein-coupled receptor stimulated by short-chain fatty acid (SCFA) ligands is involved in innate immunity and metabolism. GPR43 couples with Gαi/o and Gαq/11 heterotrimeric proteins and is capable of decreasing cyclic AMP and inducing Ca2+ flux. The GPR43 receptor has additionally been shown to bind β-arrestin 2 and inhibit inflammatory pathways, such as NF-κB. However, GPR43 shares the same ligands as GPR41, including acetate, propionate, and butyrate, and determination of its precise functions in association with endogenous ligands, such as SCFAs alone, therefore remains a considerable challenge. In this study, we generated novel synthetic agonists that display allosteric modulatory effects on GPR43 and downregulate NF-κB activity. In particular, the potency of compound 187 was significantly superior to that of pre-existing compounds in vitro. However, in the colitis model in vivo, compound 110 induced more potent attenuation of inflammation. These novel allosteric agonists of GPR43 clearly display anti-inflammatory potential, supporting their clinical utility as therapeutic drugs.
The aim of this study was to evaluate the effect of replacing corn grain for sugar cane molasses (MO) or glucose syrup (GS) in the starter concentrate on performance and metabolism of dairy calves. Thirty-six individually housed Holstein male calves were blocked according to weight and date of birth and assigned to one of the starter feed treatments, during an 8 week study: i) starter containing 65% corn with no MO or GS (0MO); ii) starter containing 60% corn and 5% MO (5MO); iii) starter containing 55% corn and 10% MO (10MO); and iv) starter containing 60% corn and 5% GS (5GS). Animals received 4 L of milk replacer daily (20 crude protein, 16 ether extract, 12.5% solids), divided in two meals (0700 and 1700 h). Starter and water were provided ad libitum. Starter intake and fecal score were monitored daily until animals were eight weeks old. Body weight and measurements (withers height, hip width and heart girth) were measured weekly before the morning feeding. From the second week of age, blood samples were collected weekly, 2 h after the morning feeding, for glucose, ${\beta}$-hydroxybutyrate and lactate determination. Ruminal fluid was collected at 4, 6, and 8 weeks of age using an oro-ruminal probe and a suction pump for determination of pH and short-chain fatty acids (SCFA). At the end of the eighth week, animals were harvested to evaluate development of the proximal digestive tract. The composition of the starter did not affect (p>0.05) concentrate intake, weight gain, fecal score, blood parameters, and rumen development. However, treatment 5MO showed higher (p<0.05) total concentration of SCFAs, acetate and propionate than 0MO, and these treatments did not differ from 10MO and 5GS (p>0.05). Thus, it can be concluded that the replacement of corn by 5% or 10% sugar cane molasses or 5% GS on starter concentrate did not impact performance, however it has some positive effects on rumen fermentation which may be beneficial for calves with a developing rumen.
Lipid-lowering effects of the inulin have been demonstrated in animal, yet attempts to reproduce similar effects in humans have generated conflicting results. In this study, the lipid-lowering potential of inulin and especially its effect on bile acid and neutral sterol excretion were investigated in Korean postmenopausal women. Nineteen postmenopausal women were randomly divided into two groups in a double-blind parallel design and consumed one of two supplements for 12 weeks; placebo of 8g maltodextrins/sucrose mixture (placebo group) or 8g inulin (inulin group). There were no significant changes in body weight during the supplementation period in either inulin or placebo group. Dietary consumption of animal fat in both group tended to decrease after 12 weeks of experiment. Intake of cholesterol was lower in placebo group, whereas the decrease of cholesterol intake in inulin group did not reach statistical significance after 12 weeks. The levels of serum total cholesterol (TC) and LDL-cholesterol (LDL-C) were significantly decreased in both placebo (p<0.05) and inulin group (p<0.01) after supplementation for 12 weeks compared with the baseline. The levels of serum triglyceride (TG) and HDL-cholesterol (HDL-C) were not significantly affected by inulin supplements, but atherogenic index (AI) and LDL-C/HDL-C ratio (LHR) as a predictor for coronary heart disease were improved (p<0.01) significantly after inulin supplementation. Therefore, inulin supplement may decrease the risk of cardiovascular disease via improving blood cholesterol level. Fecal weight and pH were not changed after 12 weeks of supplementation. There were no statistically significant changes for the fecal short-chain fatty acids (SCFAs). In inulin group, fecal deoxycholic acid (DCA) was significantly lowered compared with the baseline (p<0.05) whereas other bile acids were not changed. During the 12 weeks of intervention, no differences were found in fecal excretion of neutral sterol in the two groups. In summary, dietary inulin decreases serum TC, LDL-C, AI, LHR and lowers excretion of fecal DCA in the Korean postmenopausal women. These results support the use of inulin for reducing risk factors for hyperlipidemic postmenopausal women. However, the exact mechanism (s) responsible for the blood lipid lowering action of inulin including altered fecal bile acid remain to be elucidated.
On earth, there are about 5,400 kinds of mammals, of which about 1,000 kinds are herbivores. Among herbivores, about 250 kinds are known to be ruminants. As for cattle and sheep, which are ruminants, fermentation takes places mainly in their rumen; in contrast, for pigs and men, which are non-ruminants, fermentation takes place mainly in their caecum, colon, and rectum. As for the kind and dominance of rumen microorganisms, Bacteroidetes account for 51% and Firmicutes for 43%. As for the dominance of the large intestine microorganisms in men, Firmicutes account for 65% and Bacteroidetes for 25%. Cell wall components are decomposed by microorganisms, and short chain fatty acids (SCFAs) are generated through fermentation; the ratio of acetate, propionate, and butyrate generate is 60:25:15. Butyrate absorbed through the primary butyrate transporter MCT1 (mono carboxylate transports-1) in the intestines activates such SCFA receptors as GPR43 and GPR41. Butyrate has a strong anti-tumorigenic function. Butyrate is characterized by the fact that it has an effect on many cancer cells, contributes to the coordination of functions in the cells, and induces cancer apoptosis. Butyrate activates caspase but inhibits the activity of HDAC (histone deacetylase), so as to induce apoptosis. In addition, it increases p53 expression, so as to induce cell cycle arrest and apoptosis. Anti-inflammation actions of SCFA include the reduction of IL-8 expression in intestinal epithelial cells, the inhibition of NO synthesis, and the restraint of the activity of NF-${\kappa}B$ (nuclear factor ${\kappa}B$), so as to suppress the occurrence of cancers caused by inflammation. Butyrate plays an important role in maintaining physiological functions of intestinal mucous membranes and is used as a cure for inflammatory bowel disease (IBD).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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