Effect of probiotics on gut mucosa atrophy after starvation in rats

Background: Gut epithelium responds to the absence of luminal nutriments by changing its morphology and functionality. Thus, after a long lasting period of starvation mucosal atrophy is prominent and sometimes hardly reversible. Little is known about fasting effects on gut bacterial metabolism. The aim of the present study is to investigate the potentially promoting effect of probiotics on the morphological features of the jejunal mucosa following a short period of fasting and as probiotics are reported to be beneficial for health, this study aimed to investigate the response of gut microbial metabolism on fasting with or without probiotic administration. Methods: Sixty male adult Wistar rats were allocated to six experimental treatments, for 6 days, arranged under three nutritional schemes namely: (a) ad libitum feeding (control), (b) fasting for 3 days and refeeding for the remainder (re-fed) and (c) fasting for 6 days combined with parenteral liquid treatment during the last 3 days (starved). Each nutritional scheme had one non-probiotic and one probiotic treatment receiving orally Lactobacillus acidophilus DDS-1 (Nebraska Cultures Inc., USA) 2.2 x 10⁹ CFU/rat]. Upon termination of treatment a jejunal segment was received and processed for histology; number of villi, the total mucosal thickness, the crypt depth and villous length were measured. Rat caecal digesta were analyzed for bacterial enzyme activities and volatile fatty acids (VFA). Results: All groups having suffered starvation showed altered morphology indicating jejunal atrophy: number of villi, mucosal thickness, villi length and crypt depth were reduced in relation to control. Refeeding seems to restore intestinal atrophy, while L. acidophilus supplementation resulted in a statistically significant improvement of all morphology related parameters in the gut. On the contrary, probiotics given in starved group exhibited no significant difference in relation to non-probiotic group. Fasted rats had significantly lower activities of a-galactosidase, a-glucosidase and b-glucosidase and higher activities of b-galactosidase and azoreductase compared to control and refed rats, irrespective of probiotic administration. Results were variable regarding cholylglycine hydrolase (CGH), while there were no differences between treatments regarding b-glucuronidase and arylsulfatase activity. Fasted rats had significantly lower caecal VFA concentration and different fermentation patterns. L. acidophilus resulted in significantly reduced azoreductase activity and increased caecal acetate levels in fasted rats. Refeeding appeared to restore most enzyme activities, fermentation intensity and to some extent fermentation patterns at control treatment levels. L. acidophilus resulted in significantly reduced CGH activity and increased butyrate levels in re-fed rats. Conclusions: In the present short-term fasting/refeeding rat model L. acidophilus treatment seem to enhance restoration of jejunal mucosal atrophy and beneficial potential in fasted and re-fed nutritional states via reduction of harmful azoreductase and CGH activities and promotion of useful VFA components for colonic function and health. This finding could be of great importance in patients being deprived from food due to their illness.Σκοπός: Υπάρχει σημαντικό έλλειμμα γνώσεων για την επίδραση της ασιτίας επί της μεταβολικής δραστηριότητας της εντερικής χλωρίδας καθώς και για τη μορφολογία και τη λειτουργικότητα του εντερικού βλεννογόνου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα προβιοτικά θεωρούνται επωφελή για την υγεία ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να διερευνηθεί η δυνητικά ενισχυτική επίδραση των προβιοτικών στα μορφολογικά χαρακτηριστικά του βλεννογόνου της νήστιδας και η επίδραση της ασιτίας στους μεταβολικούς δείκτες της εντερικής χλωρίδας με χορήγηση ή μη προβιοτικών. Μέθοδος: Εξήντα επίμυες έλαβαν: ομάδα Π: 6ημ πλήρη τροφή, ομάδα ΝΠ: 3ημ νηστεία-3ημ τροφή και ομάδα Ν: 6ημ νηστεία. Κάθε ομάδα έλαβε καθημερινά με καθετήρα στο στομάχι 1 ml λυοφιλοποιημένου L. acidophilus DDS-1 (Nebraska Cultures Inc, USA) που περιείχε 2.2 x 10⁹ CFU/ml, πρόσφατα διαλυμένου σε χλωριούχο νάτριο ή 1 ml χλωριούχο νάτριο [placebo], και έτσι υποδιαιρέθηκαν σε υποομάδες προβιοτικού ή όχι προβιοτικού. Συλλέχθηκε τμήμα της νήστιδας, το οποίο υπεβλήθη σε ιστολογική ανάλυση: μετρήθηκε ο αριθμός λαχνών, το ολικό πάχος του βλεννογόνου, το βάθος της κρύπτης και το μήκος των λαχνών. Τα προϊόντα πέψης τυφλού εντέρου αναλύθηκαν ως προς τη δραστηριότητα των βακτηριακών ενζύμων και τα πτητικά λιπαρά οξέα (VFA). Αποτελέσματα: Όλες οι ομάδες που υποβλήθηκαν σε νηστεία επέδειξαν τροποποιημένη μορφολογία, γεγονός που υποδεικνύει ατροφία του βλεννογόνου: ο αριθμός λαχνών, το ολικό πάχος του βλεννογόνου, το βάθος της κρύπτης και το μήκος των λαχνών ήταν μειωμένα σε σχέση με την ομάδα ελέγχου. Η επανασίτιση φαίνεται να επαναφέρει την εντερική ατροφία, ενώ η συμπληρωματική χορήγηση L. acidophilus επέφερε στατιστικά σημαντική βελτίωση όλων των παραμέτρων του εντέρου που σχετίζονται με τη μορφολογία. Η ενεργότητα της υδρολάσης του γλυκοχολικού οξέος, σημαντικού ενζύμου που εμπλέκεται στον μεταβολισμό των χολικών οξέων ήταν σημαντικά αυξημένη μόνο στα νηστικά πειραματόζωα που έλαβαν L. acidophilus. Ευεργετική ήταν η δράση του L. acidophilus στη μείωση της αζορεδουκτάσης στα νηστικά πειραματόζωα. Όσον αφορά τα πτητικά λιπαρά οξέα [VFA], η έλλειψη υδατανθράκων διατροφικής προέλευσης στα νηστικά ζώα αντικατοπτρίζεται στην αύξηση της μοριακής αναλογίας των πτητικών λιπαρών οξέων διακλαδισμένης αλύσου (ισοβουτυρικού και ισοβαλερικού), που ερμηνεύονται ως το αποτέλεσμα αυξημένης πρωτεόλυσης, αφού λόγω της στέρησης τροφής υπάρχει έλλειψη υδατανθράκων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας από την εντερική χλωρίδα. Συμπεράσματα: Η χορήγηση L. acidophilus φαίνεται να ενισχύει την επαναφορά της ατροφίας του βλεννογόνου της νήστιδας. Η χορήγηση L. acidophilus στη ομάδα του μάρτυρα και τα επανασιτιζόμενα πειραματόζωα έδειξε οριακά ευεργετικά αποτελέσματα σε όλες τις παραμέτρους της μελέτης. Όμως, επιπλέον στα νηστικά πειραματόζωα παρουσίασε το ιδιαίτερο ευεργετικό αποτέλεσμα της μείωσης της ενεργότητας της βλαπτικής αζορεδουκτάσης. Γενικά ο L. acidophilus φαίνεται ότι συμβάλει στην ευεργετική τροποποίηση του εντερικού οικοσυστήματος του τυφλού, αφού ρυθμίζει τη μεταβολική δραστηριότητα της χλωρίδας προς την παραγωγή λιπαρών οξέων, όπως το οξικό και το βουτυρικό, που είναι εξαιρετικά χρήσιμα για την ακεραιότητα και τη λειτουργικότητα του κολονικού επιθηλίου