The gut microbiota as a therapeutic target in multiple sclerosis

Abstract

L’esclerosi múltiple (EM) és una malaltia crònica i degenerativa, i el trastorn inflamatori desmielinitzant del sistema nerviós central (SNC) més comú arreu del món. Tot i que la seva etiologia autoimmune encara es desconeix, en la seva patogènia participen tant la resposta immune innata com l’adaptativa. Recentment, la microbiota intestinal ha sorgit com un possible factor ambiental de risc per a desenvolupar EM. Estudis en models experimentals, com l’encefalomielitis autoimmune experimental (EAE), han mostrat que la microbiota intestinal és una peça clau per a desencadenar la desmielinització autoimmune. Tot i això, les dades experimentals demostren que algunes soques bacterianes tenen un efecte beneficiós en el curs clínic de l’EAE. L’administració de probiòtics s’està convertint en una estratègia terapèutica important que involucra a la microbiota intestinal. En el present estudi hem investigat l’efecte terapèutic de dos probiòtics comercials, Lactibiane iki y Vivomixx, en el curs clínic de l’EAE. L’administració de Lactibiane iki va millorar el curs clínic de la malaltia experimental de forma dosi dependent, i el tractament amb Vivomixx va mostrar una tendència a disminuir la gravetat de l’EAE. El tractament amb Lactibiane iki va reduir la resposta immune proinflamatòria en el SNC i va augmentar les poblacions immunoreguladores en la perifèria. Per altra banda, en els ratolins tractats amb Vivomixx es van detectar menys molècules coestimuladores en cèl·lules T helper (Th), el que indicaria que aquestes estarien menys activades en la perifèria. Aquests efectes immunològics haurien contribuït a la reducció en la desmielinització i la infiltració de cèl·lules T en el SNC en ambdós grups de tractament. L’administració dels dos probiòtics va resultar en la variació del nombre i del fenotip de les cèl·lules dendrítiques mieloides (mDCs), les quals podrien ser les responsables dels canvis observats en les poblacions de cèl·lules T en la perifèria. Concretament, l’administració de Lactibiane iki va afavorir que les mDCs presentessin un fenotip immadur i tolerogènic, pel que podrien induir tolerància immunològica i promoure poblacions immunoreguladores en la perifèria, mentre que l’administració de Vivomixx va resultar en la disminució de mDCs que expressaven molècules coestimuladores. Finalment tant la condició clínica com la progressió de la malaltia provocaven la modificació de la composició del microbioma intestinal. També es va estudiar l’efecte terapèutic de l’administració de 17 soques de Clostridia en el curs clínic de l’EAE. La millora clínica es va relacionar amb menys desmielinització i astrocitosi reactiva així com amb una tendència a presentar menys reactivitat microglial i dany axonal en el SNC. Aquesta millora clínica també es va associar amb una major resposta immunoreguladora de les cèl·lules T reguladores en la perifèria. En els estudis de transcriptòmica es va veure un augment de la resposta antiinflamatòria relacionada amb l’interferó beta en la perifèria i una menor activació, diferenciació i proliferació de les cèl·lules immunes en el SNC. En últim lloc, els alts nivells de butirat, un dels àcids grassos de cadena curta (AGCCs) amb propietats immunomoduladores, en el sèrum dels ratolins tractats amb les soques de Clostridia podrien ser els causants de l’augment de la resposta immunoreguladora. Finalment, el butirat es va provar en el model crònic d’EAE. Aquest producte bacterià es va seleccionar perquè té més capacitat immunoreguladora tant in vitro com in vivo en comparació amb la resta d’AGGC. A més a més, els AGCCs s’han identificat com la vertadera font de les respostes immunes antiinflamatòries que promouen alguns bacteris probiòtics. L’administració oral de butirat va demostrar un efecte preventiu i un lleu efecte terapèutic sobre el curs clínic de l’EAE.

La esclerosis múltiple (EM) es una enfermedad crónica y degenerativa y el trastorno inflamatorio desmielinizante del sistema nervioso central (SNC) más común en todo el mundo. Aunque su etiología autoinmune todavía no está clara, en su patogenia participan tanto la respuesta inmune innata como la adaptativa. Recientemente, la microbiota intestinal ha surgido como un posible factor ambiental de riesgo para desarrollar EM. Estudios en modelos experimentales, tales como la encefalomielitis autoinmune experimental (EAE), han mostrado que la microbiota intestinal es una pieza clave para desencadenar la desmielinización autoinmune. Sin embargo, los datos experimentales respaldan la idea de que algunas cepas de bacterias tienen un efecto beneficioso en el curso clínico de la EAE. Así, la administración de probióticos se está convirtiendo en una estrategia terapéutica importante que involucra a la microbiota intestinal. En este estudio, investigamos el efecto terapéutico de la administración de dos probióticos comerciales: Lactibiane iki y Vivomixx, en el curso clínico de la EAE. Lactibiane iki mejoró el curso clínico de la enfermedad experimental de forma dosis dependiente y el tratamiento con Vivomixx mostró una tendencia a disminuir la gravedad de la EAE. Lactibiane iki redujo la respuesta inmune proinflamatoria en el SNC y aumentó las poblaciones inmunoreguladoras en la periferia. Por otro lado, los ratones tratados con Vivomixx mostraron una menor presencia de moleculas co-estimuladoras en las células T helper (Th), lo que estaría indicando una menor activación celular de las células T en la periferia. Estos efectos inmunológicos pudieron haber contribuido a la reducción en la desmielinización y la infiltración de células T en el SNC en ambos grupos de tratamiento. La administración de cualquiera de los dos probióticos moduló el número y el fenotipo de las células dendríticas mieloides (mDCs) y estas, a su vez, podrían haber sido las responsables de los diferentes cambios observados en las poblaciones de células T en la periferia. Concretamente, Lactibiane iki promovió un fenotipo inmaduro y tolerogénico de las mDCs las cuales pudieron inducir tolerancia inmunológica y poblaciones inmunoreguladoras en la periferia, mientras que Vivomixx disminuyó el porcentaje de mDCs que expresaban moléculas co-estimuladoras. Finalmente, se describió que tanto la condición clínica como la progresión de la enfermedad modificaron la composición del microbioma intestinal. En segundo lugar, estudiamos el efecto terapéutico de la administración de 17 cepas de la clase Clostridia en el curso clínico de la EAE. La mejoría clínica se relacionó con una menor desmielinización y astrocitosis reactiva así como con una tendencia hacia una menor reactividad microglial y daño axonal en el SNC. Esta mejoría clínica también se asoció con una mayor respuesta inmunoreguladora de las células T reguladoras en la periferia. Los estudios de transcriptómica destacaron un aumento de la respuesta antiinflamatoria relacionada con el interferón beta en la periferia y una menor activación, diferenciación y proliferación de las células inmunes en el SNC. En último lugar, los altos niveles de butirato, uno de los ácidos grasos de cadena corta (AGCCs) con propiedades inmunomoduladoras, en el suero de los ratones tratados con las cepas de Clostridia podrían haber contribuido a la mayor respuesta inmunoreguladora en la periferia. Finalmente, el AGCC butirato se testó en el modelo crónico de EAE. Este producto bacteriano se seleccionó dada su mayor capacidad inmunoreguladora tanto in vitro como in vivo en comparación con el resto de AGCCs. Además, los AGCCs se han identificado como la verdadera fuente de las respuestas inmunes antiinflamatorias llevadas a cabo por algunas bacterias probióticas. Así, la administración oral del AGCC butirato demostró su efecto preventivo sobre la autoinmunidad en el SNC y un leve efecto terapéutico sobre el curso clínico de la EAE.

Multiple sclerosis (MS) is a chronic and degenerative disease and the most common inflammatory demyelinating disorder of the central nervous system (CNS) worldwide. Although its autoimmune aetiology is still unclear, both innate and adaptive immune responses participate in MS pathogenesis. Recently, the gut microbiota has emerged as a putative environmental risk factor for MS. Studies in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) models have shown that the gut microbiota is an essential player in triggering autoimmune demyelination. However, experimental data support the idea that some bacterial strains, far from being harmful, have a beneficial impact on the outcome of EAE. Thus, the promotion of beneficial microorganisms via probiotics is being developed as an important therapeutic strategy involving the gut microbiota in EAE. In the present study, we investigated the therapeutic impact of two commercially available probiotics—Lactibiane iki and Vivomixx—on the clinical outcome of EAE. Lactibiane iki improved the clinical outcome of EAE mice in a dose-dependent manner and Vivomixx tended to ameliorate the clinical course of the experimental disease. Regarding the probiotics’ immunological effects, Lactibiane iki diminished the proinflammatory immune response in the CNS and increased immunoregulatory populations in the periphery. On the other hand, Vivomixx-treated mice showed a lower presence of costimulatory molecules in the T helper (Th) cell populations, which would be indicating an inefficient T cell activation profile in the periphery. These immunological processes may have contributed to the reduction in the demyelination and T cell infiltration in the CNS in both experimental groups. The administration of either probiotic modulated the number and phenotype of myeloid dendritic cells (mDCs) and these, in turn, could have been the responsible for the observed changes in the T cell populations in the periphery. Specifically, Lactibiane iki promoted an immature, tolerogenic phenotype of mDCs that could directly induce immune tolerance and immunoregulatory populations in the periphery, while Vivomixx decreased the percentage of mDCs expressing co-stimulatory molecules. Finally, it was described that both the clinical condition and disease progression altered the gut microbiome composition. Secondly, we studied the therapeutic effect of a previously selected mixture of human gut-derived 17-Clostridia strains on the clinical outcome of EAE. The observed clinical improvement was related to lower demyelination and astrocyte reactivity in addition to a trend to lower microglia reactivity and axonal damage in the CNS. An enhanced immunoregulatory response of regulatory T cells in the periphery was also associated to this clinical improvement. Furthermore, transcriptome studies highlighted increased antiinflammatory responses related to interferon beta in the periphery and lower activation, differentiation, and proliferation of immune cells in the CNS. Lastly, higher levels of the immunomodulatory short-chain fatty acid (SCFA) butyrate in the serum of Clostridia-treated mice might have contributed to the greater immunoregulatory response in the periphery. Finally, the SCFA butyrate was also tested on the chronic EAE model. This bacterial product—mainly produced from the fermentation of digestion-resistant oligosaccharides and dietary fibre—was selected since it has been described as the SCFA with the largest capability to generate regulatory immune responses in vitro and in vivo. Moreover, SCFAs have been stood out as the real sources of the antiinflammatory immune responses exerted by some probiotic bacteria. Thus, the oral administration of the SCFA butyrate proved its preventive effect on CNS autoimmunity and its slight therapeutic clinical impact on EAE clinical course. Our results emphasise that gut microbiota can be a potential therapeutic target in MS.