Pathophysiological factors of irritable bowel syndrome, and the effects of probiotic supplementation

Abstract

Gastrointestinal symptoms and impaired quality of life caused by irritable bowel syndrome (IBS) affect up to 20% of the adult population worldwide. The exact aetiology and pathophysiology of IBS are incompletely understood. Clinical studies suggest that supplementation with certain probiotics may be beneficial in IBS, but there is not enough evidence to make general recommendations. The aim of this thesis was to investigate microbiota- and mucosa-associated pathophysiological factors of IBS, and to evaluate the long-term effects of multispecies probiotic supplementation on symptoms, quality of life, intestinal microbiota and systemic inflammatory markers in IBS.

The intestinal microbiota composition in IBS patients and healthy control subjects was analysed by quantitative polymerase chain reaction (qPCR). Significantly lower counts for the Clostridium coccoides and the Bifidobacterium catenulatum groups were found in IBS compared to controls. Quantitative differences also appeared in subgroup analysis based on the predominant bowel habit: diarrhoea patients harboured significantly lower numbers of Lactobacillus spp. than the constipation-predominant patients, while higher counts for Veillonella spp. were detected in constipation-predominant patients compared to healthy controls. Analysis of mucosal biopsies by a metabolomic approach revealed multiple differences between patients and controls. The most prominent finding was an upregulation of specific lipid species, principally lysophosphatidylcholines and ceramides, in IBS.

The effects of multispecies probiotic supplementation with Lactobacillus rhamnosus GG, Lactobacillus rhamnosus Lc705, Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii JS, and Bifidobacterium breve Bb99 or Bifidobacterium animalis subsp. lactis Bb12 was evaluated in two, randomised, double-blind, placebo-controlled trials. Compared to placebo, the probiotic supplementation significantly reduced the total symptoms of IBS. No effects on bowel habit were seen. Health-related quality of life (HRQOL) is reduced in patients with IBS in comparison with the Finnish population on the whole. The probiotic supplementation improved one IBS-specific domain of quality of life (bowel symptoms), whereas no other effects on HRQOL were seen. The probiotics had no major effects on the predominant microbiota as measured by qPCR, but a microarray-based analysis suggested that the probiotic consumption stabilised the microbiota. No effects on serum sensitive-CRP or cytokines were detected.

In conclusion, alterations in the microbiota composition and in the mucosal metabolite profile are potential pathophysiological factors of IBS. Multispecies probiotic supplementation alleviates the gastrointestinal symptoms of IBS, and improves the bowel symptoms domain of HRQOL. Probiotic supplementation in IBS is associated with a stabilisation of microbiota, but it does not influence systemic inflammatory markers.

Arvioidaan, että jopa yksi viidesosa maailman aikuisväestöstä kärsii ärtyneen suolen oireyhtymästä (engl. irritable bowel syndrome, IBS). Oireyhtymä aiheuttaa erilaisia kivuliaita ja kiusallisia vatsaoireita, ja heikentää lisäksi huomattavasti elämänlaatua. Oireyhtymä luokitellaan toiminnalliseksi, eikä sen perussyytä edelleenkään tunneta yksityiskohtaisesti. Viimeaikaisten tutkimusten perusteella näyttää siltä, että tietyistä terveysvaikutteisista bakteereista, eli ns. probiooteista, saattaa olla apua IBS-oireiden lievityksessä. Tutkimusnäyttöä ei kuitenkaan ole riittävästi yleisten hoitosuositusten antamiseksi. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia ärtyneen suolen oireyhtymään liittyviä taustatekijöitä selvittämällä IBS-potilaiden ja terveiden verrokkihenkilöiden välisiä eroja suolistomikrobiston koostumuksessa ja suolen limakalvon aineenvaihduntatuotteissa. Lisäksi työn tavoitteena oli tutkia probioottihoidon pitkäaikaisia vaikutuksia vatsaoireisiin, elämänlaatuun, suolistomikrobistoon sekä tulehduksen välittäjäaineisiin ärtyneestä suolesta kärsivillä henkilöillä.

Tutkimuksessa havaittiin selviä eroja ärtyneestä suolesta kärsivien ja verrokkien välillä suolistomikrobiston koostumuksessa. Terveisiin verrokkeihin verrattuna IBS-potilailla oli merkitsevästi vähemmän Clostridium coccoides- ja Bifidobacterium catenulatum -ryhmiin kuuluvia bakteereita. Kun IBS-potilaat jaettiin suolen toiminnan mukaan alaryhmiin, huomattiin, että ripulista kärsivillä henkilöillä oli merkitsevästi vähemmän laktobasilleja kun ummetukseen taipuvaisilla. Ummetuspainotteisilla henkilöillä oli puolestaan korkeampi pitoisuus Veillonella -ryhmän bakteereita kun terveillä verrokkihenkilöillä. Myös suolen limakalvon aineenvaihduntatuotteissa havaittiin eroja potilaiden ja verrokkien välillä: ärtyneestä suolesta kärsivien limakalvonäytteissä oli verrokkeja merkitsevästi suurempia pitoisuuksia tiettyjä rasvaliukoisia aineita, kuten lysofosfatidyylikoliineja ja seramideja.

Neljästä bakteerista koostuvan probioottiyhdistelmän (kaksi laktobasillia, yksi propionihappobakteeri ja yksi bifidobakteeri) vaikutuksia IBS-potilailla selvitettiin kahdessa pitkäaikaisessa, satunnaistetussa, lumekontrolloidussa kaksoissokkokokeessa. Verrattuna lumevalmisteeseen, probioottiyhdistelmä lievitti merkitsevästi ärtyneeseen suoleen liittyviä vatsaoireita. Probiootilla ei sen sijaan ollut vaikutusta suolen toimintaan. Verrattuna yleisiin suomalaisiin väestöarvoihin, terveyteen liittyvä elämänlaatu on heikentynyt ärtyneen suolen oireyhtymästä kärsivillä. Probioottilisä paransi merkitsevästi nimenomaan suolisto-oireisiin liittyvää elämänlaatua, mutta muita vaikutuksia terveyteen liittyvään elämänlaatuun ei havaittu. Probioottiyhdistelmällä ei ollut merkittävää vaikutusta suolistomikrobiston koostumukseen, mutta ns. mikrosirumenetelmällä osoitettiin, että probioottisyöttö näytti tasapainottavan mikrobistoa. Probioottilisällä ei ollut vaikutusta verestä mitattuihin tulehdusta kuvaaviin aineisiin.

Yhteenvetona väitöskirjatyön tuloksista voidaan todeta, että muutokset suolistomikrobistossa ja suolen limakalvon aineenvaihduntatuotteissa saattavat liittyä ärtyneen suolen oireyhtymään. Hoito probioottiyhdistelmällä lievittää ärtyneeseen suoleen liittyviä oireita, ja parantaa suolisto-oireisiin liittyvää elämänlaatua. Probioottiyhdistelmä näyttää tasapainottavan suolistomikrobistoa, mutta se ei vaikuta verestä mitattujen tulehduksen välittäjäaineiden pitoisuuksiin.