Objective: Neuropsychiatric manifestations like depression and cognitive dysfunction commonly occur in inflammatory bowel disease (IBD). In the context of the brain-gut axis model, colitis can lead to alteration of brain function in a bottom-up manner. Here, the changes in the response of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis and inflammation-related markers in the brain in colitis were studied. Methods: Dextran sodium sulfate (DSS) was used to generate a mouse model of colitis. Mice were treated with DSS for 3 or 7 days and sacrificed. We analyzed the gene expression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), cyclooxygenase 2 (COX-2), and glial fibrillary acidic protein (GFAP), and the expression of GFAP, in the hippocampus, hypothalamus, and amygdala. Additionally, the levels of C-reactive protein (CRP) and serum cortisol/corticosterone were measured. Results: Alteration of inflammatory-related markers varied depending on the brain region and exposure time. In the hippocampus, COX-2 mRNA, GFAP mRNA, and GFAP expression were upregulated during exposure to DSS. However, in the hypothalamus, COX-2 mRNA was upregulated only 3 days after treatment. In the amygdala, BDNF and COX-2 mRNAs were downregulated. CRP and corticosterone expression increased with DSS treatment at day 7. Conclusion: IBD could lead to neuroinflammation in a bottom-up manner, and this effect varied according to brain region. Stress-related hormones and serum inflammatory markers, such as CRP, were upregulated from the third day of DSS treatment. Therefore, early and active intervention is required to prevent psychological and behavioral changes caused by IBD, and region-specific studies can help understand the precise mechanisms by which IBD affects the brain.
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.
This study proposed to demonstrate the neuroprotective effects of heat-killed Levilactobacillus brevis KU15152. Heat-killed L. brevis KU15152 showed antioxidant activity similar to that of Lacticaseibacillus rhamnosus GG, in terms of radical scavenging activity. To evaluate the neuroprotective effects, conditioned medium (CM) obtained by incubating heat-killed bacteria in intestinal cells (HT-29) was used through gut-brain axis. CM from L. brevis KU15152 protected neuroblastoma cells (SH-SY5Y) against H2O2-induced oxidative stress. Pretreatment with CM significantly alleviated the morphological changes induced by H2O2. Heat-killed L. brevis KU15152 showed an increased brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in HT-29 cells. L. brevis KU15152-CM remarkably downregulated the Bax/Bcl-2 ratio, while upregulating the expression of BDNF and tyrosine hydroxylase (TH) in SH-SY5Y cells. Furthermore, L. brevis KU15152-CM reduced caspase-3 activity following H2O2 treatment. In conclusion, L. brevis KU15152 can be potentially used as food materials to avoid neurodegenerative diseases.
Kim, Binna;Hong, Veronica Minsu;Yang, Jeongwon;Hyun, Heejung;Im, Jooyeon Jamie;Hwang, Jaeuk;Yoon, Sujung;Kim, Jieun E.
Preventive Nutrition and Food Science
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v.21
no.4
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pp.297-309
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2016
Around the world, fermentation of foods has been adopted over many generations, primarily due to their commercial significance with enriched flavors and high-profile nutrients. The increasing application of fermented foods is further promoted by recent evidence on their health benefits, beyond the traditionally recognized effects on the digestive system. With recent advances in the understanding of gut-brain interactions, there have also been reports suggesting the fermented food's efficacy, particularly for cognitive function improvements. These results are strengthened by the proposed biological effects of fermented foods, including neuroprotection against neurotoxicity and reactive oxygen species. This paper reviews the beneficial health effects of fermented foods with particular emphasis on cognitive enhancement and neuroprotective effects. With an extensive review of fermented foods and their potential cognitive benefits, this paper may promote commercially feasible applications of fermented foods as natural remedies to cognitive problems.
Recently, decades of robust researches on degenerative brain disorder have been highlighted on the interactive connection of gut and brain. In terms of inflammatory cytokine production, others have shown that Nucleotide-Binding Oligomerization Domain Containing 2 (NOD2) is involved with Leucine-Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2). HEK293T cells were transiently co-transfected with Myc-tagged LRRK2 and Flag-tagged NOD2 and then followed by co-immunoprecipitation assay. In this study, we provide the novel finding of physical protein-protein interaction between NOD2 and LRRK2. G2019S variant has shown stronger interactions against NOD2 than those of wild type LRRK2. In an axis of NOD2-LRRK2 communication, it is believed to pave a new way in the understanding of the bidirectional molecular mechanism of brain disorder, including Parkinson's disease into gut inflammatory disease, including Crohn's disease.
Oh Wook Kwon;Youngja Hwang Park;Dalnim Kim;Hyog Young Kwon;Hyun-Jeong Yang
Journal of Ginseng Research
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v.48
no.5
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pp.481-493
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2024
Background: Post-weaning social isolation (SI) reduces sociability, gene expressions including myelin genes in the medial prefrontal cortex (mPFC), and alters microbiome compositions in rodent models. Korean Red Ginseng (KRG) and its major ginsenoside Rb1 have been reported to affect myelin formation and gut metabolites. However, their effects under post-weaning SI have not been investigated. This study investigated the effects of KRG and Rb1 on sociability, gene expressions in the mPFC, and gut metabolites under post-weaning SI. Methods: C57BL/6J mice were administered with water or KRG (150, 400 mg/kg) or Rb1 (0.1 mg/kg) under SI or regular environment (RE) for 2 weeks during the post-weaning period (P21-P35). After this period, mice underwent a sociability test, and then brains and ceca were collected for qPCR/immunohistochemistry and nontargeted metabolomics, respectively. Results: SI reduced sociability compared to RE; however, KRG (400 mg/kg) and Rb1 significantly restored sociability under SI. In the mPFC, expressions of genes related to myelin, neurotransmitter, and oxidative stress were significantly reduced in mice under SI compared to RE conditions. Under SI, KRG and Rb1 recovered the altered expressions of several genes in the mPFC. In gut metabolomics, 313 metabolites were identified as significant among 3027 detected metabolites. Among the significantly changed metabolites in SI, some were recovered by KRG or Rb1, including metabolites related to stress axis, inflammation, and DNA damage. Conclusion: Altered sociability, gene expression levels in the mPFC, and gut metabolites induced by two weeks of post-weaning SI were at least partially recovered by KRG and Rb1.
Cognitive dysfunction is a common symptom of neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and Huntington's disease, and is known to be caused by the structural and functional loss of neurons. Many natural agents that can improve cognitive function have been developed and assessed for efficacy using various cognitive deficit animal models. As the gut environment is known to be closely connected to brain function, probiotics are attracting attention as an effective treatment target that can prevent and mitigate cognitive deficits as a result of neurodegenerative diseases. Thus, the objective of this review is to provide useful information about the types and characteristics of cognitive deficit animal models, which can be used to evaluate the anti-cognitive effects of probiotics. In addition, this work reviewed recent studies describing the effects and treatment conditions of probiotics on cognitive deficit animal models. Collectively, this review shows the potential of probiotics as edible natural agents that can mitigate cognitive impairment. It also provides useful information for the design of probiotic treatments for cognitive deficit patients in future clinical studies.
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.
Shinhui Lee;Sanung Eom;Jiwon Lee;Minsu Pyeon;Kieup Kim;Kyu Yeong Choi;Jung Hee Lee;Da Jeong Shin;Kun Ho Lee;Sejong Oh;Junho H Lee
Food Science of Animal Resources
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v.43
no.4
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pp.612-624
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2023
The gut-brain axis encompasses a bidirectional communication pathway between the gastrointestinal microbiota and the central nervous system. There is some evidence to suggest that probiotics may have a positive effect on cognitive function, but more research is needed before any definitive conclusions can be drawn. Inflammation-induced by lipopolysaccharide (LPS) may affect cognitive function. To confirm the effect of probiotics on oxidative stress induced by LPS, the relative expression of antioxidant factors was confirmed, and it was revealed that the administration of probiotics had a positive effect on the expression of antioxidant-related factors. After oral administration of probiotics to mice, an intentional inflammatory response was induced through LPS i.p., and the effect on cognition was confirmed by the Morris water maze test, nitric oxide (NO) assay, and interleukin (IL)-1β enzyme-linked immunosorbent assay performed. Experimental results, levels of NO and IL-1β in the blood of LPS i.p. mice were significantly decreased, and cognitive evaluation using the Morris water maze test showed significant values in the latency and target quadrant percentages in the group that received probiotics. This proves that intake of these probiotics improves cognitive impairment and memory loss through anti-inflammatory and antioxidant mechanisms.
After birth, animals are colonized by a diverse community of microorganisms. The digestive tract is known to contain the largest number of microbiome in the body. With emergence of the gut-brain axis, the importance of gut microbiome and its metabolites in host health has been extensively studied in recent years. The establishment of organoid culture systems has contributed to studying intestinal pathophysiology by replacing current limited models. Owing to their architectural and functional complexity similar to a real organ, co-culture of intestinal organoids with gut microbiome can provide mechanistic insights into the detrimental role of pathobiont and the homeostatic function of commensal symbiont. Here organoid-based bacterial co-culture techniques for modeling host-microbe interactions are reviewed. This review also summarizes representative studies that explore impact of enteric microorganisms on intestinal organoids to provide a better understanding of host-microbe interaction in the context of homeostasis and disease.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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