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The study of the intestinal microbiota is fundamental for human health and is a rapidly developing research area aimed at improving the quality of life and preventing the onset of diseases. Recently, it has emerged that, in addition to the intestines, the lungs also host a specific microbiota (Dickson, R. P., Erb-Downward, J. R., & Huffnagle, G. B), consisting of bacteria, viruses, and fungi such as Streptococcus, Prevotella, Veillonella, and Haemophilus. Under physiological conditions, these microorganisms coexist without causing diseases; however, alterations in microbial balance (dysbiosis) are often related to various respiratory and systemic diseases. In this context, probiotics and postbiotics offer new therapeutic perspectives: probiotics are beneficial live microorganisms, while postbiotics are molecules derived from inactivated bacteria that can modulate cellular responses. This study analyzed two probiotic strains known for their benefits on the intestine, Lactobacillus salivarius and Bifidobacterium breve, examining their anti-inflammatory activity (both in active and thermally treated forms) on three cellular models: Caco-2, representative of the intestinal epithelium, and A549 and 16HBE, which represent alveolar and bronchial models for the lung, respectively. The first phase of the research involved a preliminary evaluation of the safety and efficacy of the probiotic strains. In the intestinal model, both strains were found to be safe and effective, showing a significant reduction in damage induced by DSS (Dextran Sodium Sulfate). Specifically, the reduction in damage was 20% for the thermally treated (HT) strains and approximately 100% for LS01 and the combination LS01+B632 in viable form, while B632 showed a 45% reduction, which was not statistically significant. In the lung models, the efficacy of the strains was evaluated based on their ability to modulate cytokines after stimulation with MCP-1, TNF-alpha, and IL-6. In the alveolar model (A549), the strain L. salivarius demonstrated a capacity to reduce MCP-1 by both viable (± 50%) and thermally treated forms (± 20%) in a dose-dependent manner. The cytokine TNF-alpha was reduced by L. salivarius by approximately 60% in viable form and about 20% with the HT form. The probiotic strain B. breve reduced both MCP-1 and TNF-alpha in viable (± 55%) and thermally treated (± 15%) forms. In the bronchial model (16HBE), L. salivarius HT reduced MCP-1 by approximately 55% in a dose-dependent manner. The probiotic B. breve HT showed a dose-dependent response for MCP-1 (± 60%), but it was not possible to verify the release of TNF-alpha in this cellular model. Regarding the cytokine IL-6, in the bronchial model (16HBE), there was an anti-inflammatory activity with a reduction of about 50% using the thermally treated probiotics (HT). In conclusion, this study demonstrated that the probiotic strains, examined both in their active and thermally treated forms, are safe for human health and act on the inflammatory mechanisms involved in cytokine production and in reducing lactate dehydrogenase at both intestinal and pulmonary levels, suggesting a possible application as dietary supplements as well as potential inhalation products. Further investigations, both in vitro and in vivo, are obviously necessary to establish the concentration for use and the possible mechanisms of action underlying these investigated activities.

Lo studio del microbiota intestinale è fondamentale per la salute umana ed è un ambito di ricerca in rapido sviluppo, volto a migliorare la qualità della vita e a prevenire l’insorgenza di malattie. Recentemente è emerso che, oltre all'intestino, anche i polmoni ospitano un microbiota specifico, (Dickson, R. P., Erb-Downward, J. R., & Huffnagle, G. B) costituito da batteri, virus e funghi come Streptococcus, Prevotella, Veillonella e Haemophilus. In condizioni fisiologiche, questi microrganismi coesistono senza causare patologie; tuttavia, alterazioni dell’equilibrio microbico (disbiosi) sono spesso correlate a diverse malattie respiratorie e sistemiche. In tale contesto, probiotici e postbiotici offrono nuove prospettive terapeutiche: i probiotici sono microrganismi vivi benefici, mentre i postbiotici sono molecole derivate da batteri inattivati, in grado di modulare le risposte cellulari. In questo studio sono stati analizzati due ceppi probiotici noti per i loro benefici sull’intestino, Lactobacillus salivarius e Bifidobacterium breve, studiandone l’attività anti-infiammatoria (sia in forma attiva che termo-trattata) su tre modelli cellulari: Caco-2, rappresentativo dell'epitelio intestinale, e A549 e 16HBE, modelli rispettivamente alveolare e bronchiale per il polmone. La prima fase della ricerca ha previsto una valutazione preliminare della sicurezza e dell’efficacia dei ceppi probiotici. Nel modello intestinale, entrambi i ceppi si sono dimostrati sicuri ed efficaci, evidenziando una significativa riduzione del danno indotto dal DSS (Dextran Sodium Sulfate). In particolare, la riduzione del danno è stata del 20% per i ceppi termo-trattati (HT) e del 100% circa per LS01 e la combinazione LS01+B632 in forma vitale, mentre B632 ha mostrato una riduzione del 45%, non risultando statisticamente significativa. Nei modelli polmonari, si è valutata l’efficacia dei ceppi tramite la loro capacità di modulare le citochine dopo lo stimolo con MCP-1, TNF-alfa e IL-6. Si è dimostrato che nel modello alveolare (A549), il ceppo L. salivarius ha un’attività di riduzione di MCP-1, sia con la forma vitale (± 50%) che quella trattata termicamente (± 20%) in maniera dose-dipendente. La citochina TNF-alfa è ridotta da L. salivarius del ± 60 % in forma vitale e del ± 20% con la forma HT. Il ceppo probiotico B. breve riduce MCP-1 e TNF-alfa sia in forma vitale (± 55%) che in quella termo-trattata (±15%). Nel modello bronchiale (16HBE), L. salivarius HT ha ridotto ± del 55% la chemochina MCP-1 in maniera dose-dipendente. Il probiotico B. breve HT ha mostrato una risposta dose-dipendente per MCP-1 (± 60 %) ma non è stato possibile verificare il rilascio di TNF-alfa in questo modello cellulare. Per quanto riguarda la citochina IL-6, nel modello bronchiale (16HBE) si è mostrata un’attività antinfiammatoria di riduzione di circa il 50% utilizzando i probiotici termo-trattati (HT). In conclusione, con questo studio si è dimostrato che i ceppi probiotici, studiati sia nella loro forma attiva che nella forma termo-trattata, sono sicuri per la salute umana ed agiscono sui meccanismi infiammatori di produzione delle citochine e sui meccanismi di riduzione della lattato-deidrogenasi sia a livello intestinale che polmonare, suggerendo una possibile applicazione sia come integratori alimentari sia come potenziali prodotti per inalazione. Sono ovviamente necessari ulteriori indagini sia in vitro che in vivo per stabilire la concentrazione d’uso e i possibili meccanismi d’azione che sottintendono a queste attività indagate.

PROBIOTICI E SALUTE RESPIRATORIA: STUDIO SUI PATHWAY INFIAMMATORI IN MODELLI CELLULARI INTESTINALI E POLMONARI

COLLI, CAMILLA
2023/2024

Abstract

The study of the intestinal microbiota is fundamental for human health and is a rapidly developing research area aimed at improving the quality of life and preventing the onset of diseases. Recently, it has emerged that, in addition to the intestines, the lungs also host a specific microbiota (Dickson, R. P., Erb-Downward, J. R., & Huffnagle, G. B), consisting of bacteria, viruses, and fungi such as Streptococcus, Prevotella, Veillonella, and Haemophilus. Under physiological conditions, these microorganisms coexist without causing diseases; however, alterations in microbial balance (dysbiosis) are often related to various respiratory and systemic diseases. In this context, probiotics and postbiotics offer new therapeutic perspectives: probiotics are beneficial live microorganisms, while postbiotics are molecules derived from inactivated bacteria that can modulate cellular responses. This study analyzed two probiotic strains known for their benefits on the intestine, Lactobacillus salivarius and Bifidobacterium breve, examining their anti-inflammatory activity (both in active and thermally treated forms) on three cellular models: Caco-2, representative of the intestinal epithelium, and A549 and 16HBE, which represent alveolar and bronchial models for the lung, respectively. The first phase of the research involved a preliminary evaluation of the safety and efficacy of the probiotic strains. In the intestinal model, both strains were found to be safe and effective, showing a significant reduction in damage induced by DSS (Dextran Sodium Sulfate). Specifically, the reduction in damage was 20% for the thermally treated (HT) strains and approximately 100% for LS01 and the combination LS01+B632 in viable form, while B632 showed a 45% reduction, which was not statistically significant. In the lung models, the efficacy of the strains was evaluated based on their ability to modulate cytokines after stimulation with MCP-1, TNF-alpha, and IL-6. In the alveolar model (A549), the strain L. salivarius demonstrated a capacity to reduce MCP-1 by both viable (± 50%) and thermally treated forms (± 20%) in a dose-dependent manner. The cytokine TNF-alpha was reduced by L. salivarius by approximately 60% in viable form and about 20% with the HT form. The probiotic strain B. breve reduced both MCP-1 and TNF-alpha in viable (± 55%) and thermally treated (± 15%) forms. In the bronchial model (16HBE), L. salivarius HT reduced MCP-1 by approximately 55% in a dose-dependent manner. The probiotic B. breve HT showed a dose-dependent response for MCP-1 (± 60%), but it was not possible to verify the release of TNF-alpha in this cellular model. Regarding the cytokine IL-6, in the bronchial model (16HBE), there was an anti-inflammatory activity with a reduction of about 50% using the thermally treated probiotics (HT). In conclusion, this study demonstrated that the probiotic strains, examined both in their active and thermally treated forms, are safe for human health and act on the inflammatory mechanisms involved in cytokine production and in reducing lactate dehydrogenase at both intestinal and pulmonary levels, suggesting a possible application as dietary supplements as well as potential inhalation products. Further investigations, both in vitro and in vivo, are obviously necessary to establish the concentration for use and the possible mechanisms of action underlying these investigated activities.
2023
Probiotics and Respiratory Health: Study on Inflammatory Pathways in Intestinal and Pulmonary Cellular Models
Lo studio del microbiota intestinale è fondamentale per la salute umana ed è un ambito di ricerca in rapido sviluppo, volto a migliorare la qualità della vita e a prevenire l’insorgenza di malattie. Recentemente è emerso che, oltre all'intestino, anche i polmoni ospitano un microbiota specifico, (Dickson, R. P., Erb-Downward, J. R., & Huffnagle, G. B) costituito da batteri, virus e funghi come Streptococcus, Prevotella, Veillonella e Haemophilus. In condizioni fisiologiche, questi microrganismi coesistono senza causare patologie; tuttavia, alterazioni dell’equilibrio microbico (disbiosi) sono spesso correlate a diverse malattie respiratorie e sistemiche. In tale contesto, probiotici e postbiotici offrono nuove prospettive terapeutiche: i probiotici sono microrganismi vivi benefici, mentre i postbiotici sono molecole derivate da batteri inattivati, in grado di modulare le risposte cellulari. In questo studio sono stati analizzati due ceppi probiotici noti per i loro benefici sull’intestino, Lactobacillus salivarius e Bifidobacterium breve, studiandone l’attività anti-infiammatoria (sia in forma attiva che termo-trattata) su tre modelli cellulari: Caco-2, rappresentativo dell'epitelio intestinale, e A549 e 16HBE, modelli rispettivamente alveolare e bronchiale per il polmone. La prima fase della ricerca ha previsto una valutazione preliminare della sicurezza e dell’efficacia dei ceppi probiotici. Nel modello intestinale, entrambi i ceppi si sono dimostrati sicuri ed efficaci, evidenziando una significativa riduzione del danno indotto dal DSS (Dextran Sodium Sulfate). In particolare, la riduzione del danno è stata del 20% per i ceppi termo-trattati (HT) e del 100% circa per LS01 e la combinazione LS01+B632 in forma vitale, mentre B632 ha mostrato una riduzione del 45%, non risultando statisticamente significativa. Nei modelli polmonari, si è valutata l’efficacia dei ceppi tramite la loro capacità di modulare le citochine dopo lo stimolo con MCP-1, TNF-alfa e IL-6. Si è dimostrato che nel modello alveolare (A549), il ceppo L. salivarius ha un’attività di riduzione di MCP-1, sia con la forma vitale (± 50%) che quella trattata termicamente (± 20%) in maniera dose-dipendente. La citochina TNF-alfa è ridotta da L. salivarius del ± 60 % in forma vitale e del ± 20% con la forma HT. Il ceppo probiotico B. breve riduce MCP-1 e TNF-alfa sia in forma vitale (± 55%) che in quella termo-trattata (±15%). Nel modello bronchiale (16HBE), L. salivarius HT ha ridotto ± del 55% la chemochina MCP-1 in maniera dose-dipendente. Il probiotico B. breve HT ha mostrato una risposta dose-dipendente per MCP-1 (± 60 %) ma non è stato possibile verificare il rilascio di TNF-alfa in questo modello cellulare. Per quanto riguarda la citochina IL-6, nel modello bronchiale (16HBE) si è mostrata un’attività antinfiammatoria di riduzione di circa il 50% utilizzando i probiotici termo-trattati (HT). In conclusione, con questo studio si è dimostrato che i ceppi probiotici, studiati sia nella loro forma attiva che nella forma termo-trattata, sono sicuri per la salute umana ed agiscono sui meccanismi infiammatori di produzione delle citochine e sui meccanismi di riduzione della lattato-deidrogenasi sia a livello intestinale che polmonare, suggerendo una possibile applicazione sia come integratori alimentari sia come potenziali prodotti per inalazione. Sono ovviamente necessari ulteriori indagini sia in vitro che in vivo per stabilire la concentrazione d’uso e i possibili meccanismi d’azione che sottintendono a queste attività indagate.
DE ROSSI, EDDA
AMORUSO, ANGELA
Lauree Magistrali
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/28527