Inflammatory bowel diseases (IBD) are pathologies whose aetiology is likely determined by the interplay between genetic and environmental factors and alterations of the gut microbiota. The main IBDs are Crohn's Disease (CD) and Ulcerative Colitis (UC). In recent years, there has been a growing interest in prebiotics and probiotics, substances able to modify the gut microbiota. Among them are short-chain fatty acids (SCFA), which are produced by the fermentation of non-digestible dietary fibres by bacteria located in the colon. Butyrate, in particular, has various functions: it is an essential energy source for colocytes, regulates trans-epithelial ion transport, reduces intestinal permeability, strengthens the barrier function of the mucosa, and exerts anti-inflammatory, antioxidant and antineoplastic effects. The effectiveness of butyrate has been examined by several studies with various formulations (e.g., oral tablets, enemas). A more recent preparation has the butyrate enclosed in a lipophilic microcapsule, which ensures its dispersion at the enteric level. The primary purpose of the study was to examine the effect of microencapsulated sodium butyrate (MSB), administered daily and for a prolonged time, on the gut microbiota in patients with IBD. The secondary aims focused on detecting an improvement in symptoms and quality of life, and in biohumoral and clinical indices of disease. Stool samples were examined using Illumina MiSeq (Next Generation Sequencing technique); bioinformatics analysis then made it possible to extrapolate the Sequence Variants (SV), that correspond to specific bacterial species. This was followed by the statistical analysis through various libraries of the statistical software R, ANCOM and Deseq2. The sPLS-DA technique was then used to isolate the most suitable SVs to describe the characteristics of the samples. The Wilcoxon test was used to analyse a-diversity; b-diversity was calculated on all sample analyses, using principal component analysis as a sorting method combined with various distance metrics. The clinical response was analysed by comparing the pre- and post-treatment values of faecal calprotectin and the IBDQ score. Through an 11-items questionnaire we measured patients' adherence to WCRF/AICR recommendations. 140 patients diagnosed with IBD were enrolled and randomized in two groups to take either MSB or placebo at each main meal (for a total of 3 tablets - 1800 mg- per day), for 12 weeks (3 months). Preliminary analyses revealed no significant changes in calprotectin levels following MSB treatment, nor were there any changes in the final WCRF score. However, all patients with active disease showed a significant improvement in quality of life (p-value 0.041 for CD, and 0.031 for UC) following MSB intake, compared to patients with the same characteristics but who took the placebo; the same result occurred in patients with inactive CD (p-value = 0.002). Although no significant changes were observed in terms of a-diversity, butyrate was shown to be able to modify b-diversity in patients with active CD (p-value = 0.041). Parabacteroides distasonis and Flavonifractor plautii, two species recently described in colorectal cancer patients, were found to be differentially more abundant at T0 in this patient group; after MSB treatment, the same patients reported a differential increase in SCFA- producing species such as Bacteroides eggerthii and Odoribacter splanchnicus. Microencapsulated sodium butyrate could become a useful addition to drug therapy to improve dysbiosis and symptoms in IBD. In particular, the patients we believe can have the greatest benefit from the effect of butyrate are those with active Crohn's disease.

Le malattie infiammatorie croniche intestinali (IBD) sono patologie la cui eziologia è probabilmente determinata dalla interazione di fattori genetici ed ambientali ed alterazioni del microbiota intestinale. Le principali IBD sono il morbo di Crohn (CD) e la rettocolite ulcerosa (UC). Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse verso prebiotici e probiotici, sostanze capaci di modificare il microbiota intestinale. Tra di esse vi sono gli acidi grassi a catena corta (SCFA), prodotti dalla fermentazione delle fibre alimentari non digeribili da parte dei batteri localizzati nel colon. Il butirrato in particolare ha varie funzioni: è una fonte di energia essenziale per i colociti, regola il trasporto ionico trans-epiteliale, riduce la permeabilità intestinale, potenzia la funzione di barriera della mucosa e ha effetti antinfiammatori, antiossidanti ed antineoplastici. L’efficacia del butirrato è stata esaminata da diversi studi con varie formulazioni (e.g., compresse orali, clismi). Un preparato più recente presenta il butirrato racchiuso in una microcapsula lipofilica, la quale ne assicura una ampia dispersione a livello enterico. Lo scopo primario dello studio è stato quello di esaminare l’effetto del butirrato di sodio microincapsulato (MSB), somministrato giornalmente e per un tempo prolungato, sul microbiota intestinale in pazienti con IBD. Gli scopi secondari si concentravano sulla ricerca di un miglioramento della sintomatologia e della qualità di vita, e degli indici bioumorali e clinici di malattia. I campioni fecali sono stati esaminati mediante Illumina MiSeq (tecnica di Next Generation Sequencing); l’analisi bioinformatica ha poi permesso di estrapolare le Sequence Variants (SV) che corrispondono a specifiche specie batteriche. A ciò è seguita, tramite diverse librerie del software statistico R, l’analisi statistica. È stata poi impiegata la tecnica sPLS-DA per isolare le SV più adatte a descrivere le caratteristiche dei campioni. Per analizzare l’a-diversity è stato impiegato il test di Wilcoxon; la b-diversity è stata calcolata per tutte le analisi sui campioni, impiegando la analisi delle componenti principali come metodo di ordinamento unita a varie metriche di distanza. La risposta clinica è stata studiata comparando i valori pre- e post trattamento della calprotectina fecale e del punteggio dell’IBDQ. Tramite un questionario di 11 domande abbiamo misurato l’aderenza dei pazienti alle raccomandazioni WCRF/AICR. 140 pazienti con diagnosi di IBD sono stati arruolati e randomizzati in due gruppi per assumere MSB o placebo ad ogni pasto principale (per un totale di 3 compresse -1800 mg- al giorno), per 12 settimane. Da analisi preliminari non sono emerse variazioni significative, in seguito al trattamento con MSB, nei livelli di calprotectina, né sono stati riscontrati cambiamenti nel punteggio finale del WCRF. Tuttavia, tutti i pazienti con patologia attiva hanno mostrato un miglioramento significativo della qualità della vita (p 0.041 per CD, e 0.031 per UC) in seguito all’assunzione di MSB, rispetto ai pazienti con le stesse caratteristiche ma che hanno assunto il placebo; lo stesso si è verificato nei pazienti con CD non attiva (p = 0.002). Nonostante non siano emerse variazioni significative nella a-diversity, il butirrato ha dimostrato di modificare la b-diversity nei pazienti con CD attiva (p = 0.041). In questo gruppo si è osservato che al T0 erano differenzialmente più abbondanti P. distasonis e F. plautii, due specie descritte in pazienti con cancro del colon-retto; dopo il trattamento con MSB, gli stessi pazienti hanno riportato un aumento di specie produttrici di SCFA. Il MSB potrebbe diventare un’utile aggiunta alla terapia farmacologica per migliorare la disbiosi e la sintomatologia nelle IBD. I pazienti che reputiamo possano godere di un maggior beneficio sono quelli con Morbo di Crohn attivo.

Cambiamenti del microbiota indotti dall'assunzione di butirrato di sodio microincapsulato in pazienti con malattia infiammatoria intestinale: valutazioni cliniche e dietetiche

REDAVID, CARLO
2021/2022

Abstract

Inflammatory bowel diseases (IBD) are pathologies whose aetiology is likely determined by the interplay between genetic and environmental factors and alterations of the gut microbiota. The main IBDs are Crohn's Disease (CD) and Ulcerative Colitis (UC). In recent years, there has been a growing interest in prebiotics and probiotics, substances able to modify the gut microbiota. Among them are short-chain fatty acids (SCFA), which are produced by the fermentation of non-digestible dietary fibres by bacteria located in the colon. Butyrate, in particular, has various functions: it is an essential energy source for colocytes, regulates trans-epithelial ion transport, reduces intestinal permeability, strengthens the barrier function of the mucosa, and exerts anti-inflammatory, antioxidant and antineoplastic effects. The effectiveness of butyrate has been examined by several studies with various formulations (e.g., oral tablets, enemas). A more recent preparation has the butyrate enclosed in a lipophilic microcapsule, which ensures its dispersion at the enteric level. The primary purpose of the study was to examine the effect of microencapsulated sodium butyrate (MSB), administered daily and for a prolonged time, on the gut microbiota in patients with IBD. The secondary aims focused on detecting an improvement in symptoms and quality of life, and in biohumoral and clinical indices of disease. Stool samples were examined using Illumina MiSeq (Next Generation Sequencing technique); bioinformatics analysis then made it possible to extrapolate the Sequence Variants (SV), that correspond to specific bacterial species. This was followed by the statistical analysis through various libraries of the statistical software R, ANCOM and Deseq2. The sPLS-DA technique was then used to isolate the most suitable SVs to describe the characteristics of the samples. The Wilcoxon test was used to analyse a-diversity; b-diversity was calculated on all sample analyses, using principal component analysis as a sorting method combined with various distance metrics. The clinical response was analysed by comparing the pre- and post-treatment values of faecal calprotectin and the IBDQ score. Through an 11-items questionnaire we measured patients' adherence to WCRF/AICR recommendations. 140 patients diagnosed with IBD were enrolled and randomized in two groups to take either MSB or placebo at each main meal (for a total of 3 tablets - 1800 mg- per day), for 12 weeks (3 months). Preliminary analyses revealed no significant changes in calprotectin levels following MSB treatment, nor were there any changes in the final WCRF score. However, all patients with active disease showed a significant improvement in quality of life (p-value 0.041 for CD, and 0.031 for UC) following MSB intake, compared to patients with the same characteristics but who took the placebo; the same result occurred in patients with inactive CD (p-value = 0.002). Although no significant changes were observed in terms of a-diversity, butyrate was shown to be able to modify b-diversity in patients with active CD (p-value = 0.041). Parabacteroides distasonis and Flavonifractor plautii, two species recently described in colorectal cancer patients, were found to be differentially more abundant at T0 in this patient group; after MSB treatment, the same patients reported a differential increase in SCFA- producing species such as Bacteroides eggerthii and Odoribacter splanchnicus. Microencapsulated sodium butyrate could become a useful addition to drug therapy to improve dysbiosis and symptoms in IBD. In particular, the patients we believe can have the greatest benefit from the effect of butyrate are those with active Crohn's disease.
Dipartimento di Medicina - DIMED
2021
Microbiota Changes Induced by Microencapsulated Sodium Butyrate in Patients with Inflammatory Bowel Disease: Clinical and Dietary Evaluations
Le malattie infiammatorie croniche intestinali (IBD) sono patologie la cui eziologia è probabilmente determinata dalla interazione di fattori genetici ed ambientali ed alterazioni del microbiota intestinale. Le principali IBD sono il morbo di Crohn (CD) e la rettocolite ulcerosa (UC). Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse verso prebiotici e probiotici, sostanze capaci di modificare il microbiota intestinale. Tra di esse vi sono gli acidi grassi a catena corta (SCFA), prodotti dalla fermentazione delle fibre alimentari non digeribili da parte dei batteri localizzati nel colon. Il butirrato in particolare ha varie funzioni: è una fonte di energia essenziale per i colociti, regola il trasporto ionico trans-epiteliale, riduce la permeabilità intestinale, potenzia la funzione di barriera della mucosa e ha effetti antinfiammatori, antiossidanti ed antineoplastici. L’efficacia del butirrato è stata esaminata da diversi studi con varie formulazioni (e.g., compresse orali, clismi). Un preparato più recente presenta il butirrato racchiuso in una microcapsula lipofilica, la quale ne assicura una ampia dispersione a livello enterico. Lo scopo primario dello studio è stato quello di esaminare l’effetto del butirrato di sodio microincapsulato (MSB), somministrato giornalmente e per un tempo prolungato, sul microbiota intestinale in pazienti con IBD. Gli scopi secondari si concentravano sulla ricerca di un miglioramento della sintomatologia e della qualità di vita, e degli indici bioumorali e clinici di malattia. I campioni fecali sono stati esaminati mediante Illumina MiSeq (tecnica di Next Generation Sequencing); l’analisi bioinformatica ha poi permesso di estrapolare le Sequence Variants (SV) che corrispondono a specifiche specie batteriche. A ciò è seguita, tramite diverse librerie del software statistico R, l’analisi statistica. È stata poi impiegata la tecnica sPLS-DA per isolare le SV più adatte a descrivere le caratteristiche dei campioni. Per analizzare l’a-diversity è stato impiegato il test di Wilcoxon; la b-diversity è stata calcolata per tutte le analisi sui campioni, impiegando la analisi delle componenti principali come metodo di ordinamento unita a varie metriche di distanza. La risposta clinica è stata studiata comparando i valori pre- e post trattamento della calprotectina fecale e del punteggio dell’IBDQ. Tramite un questionario di 11 domande abbiamo misurato l’aderenza dei pazienti alle raccomandazioni WCRF/AICR. 140 pazienti con diagnosi di IBD sono stati arruolati e randomizzati in due gruppi per assumere MSB o placebo ad ogni pasto principale (per un totale di 3 compresse -1800 mg- al giorno), per 12 settimane. Da analisi preliminari non sono emerse variazioni significative, in seguito al trattamento con MSB, nei livelli di calprotectina, né sono stati riscontrati cambiamenti nel punteggio finale del WCRF. Tuttavia, tutti i pazienti con patologia attiva hanno mostrato un miglioramento significativo della qualità della vita (p 0.041 per CD, e 0.031 per UC) in seguito all’assunzione di MSB, rispetto ai pazienti con le stesse caratteristiche ma che hanno assunto il placebo; lo stesso si è verificato nei pazienti con CD non attiva (p = 0.002). Nonostante non siano emerse variazioni significative nella a-diversity, il butirrato ha dimostrato di modificare la b-diversity nei pazienti con CD attiva (p = 0.041). In questo gruppo si è osservato che al T0 erano differenzialmente più abbondanti P. distasonis e F. plautii, due specie descritte in pazienti con cancro del colon-retto; dopo il trattamento con MSB, gli stessi pazienti hanno riportato un aumento di specie produttrici di SCFA. Il MSB potrebbe diventare un’utile aggiunta alla terapia farmacologica per migliorare la disbiosi e la sintomatologia nelle IBD. I pazienti che reputiamo possano godere di un maggior beneficio sono quelli con Morbo di Crohn attivo.
Microbiota
IBD
Butirrato di Sodio
FACCHIN, SONIA
Lauree magistrali a ciclo unico
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