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Association of probiotics with gut flora in early life and its effects on obesity in mice

Alsharafani, Mustafa A M Hussein


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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-120376
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2016/12037/

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Freie Schlagwörter (Englisch): Bifidobacteria , improvement , high-fat diet , hepatic lipid-droplets , weight gain
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institute of Nutritional Science
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.02.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 27.07.2016
Kurzfassung auf Englisch: A high prevalence of overweight and obesity has been observed in the past few decades in many countries. Overall, policies for production of healthier foods and environments are recommended for the prevention of obesity. Until recently, little action has been taken on this issue (Swinburn et al. 2013). It has been proposed that alterations in the composition of the gut microbiota known as dysbiosis may be related to the development of obesity (Neyrinck et al. 2012). The first goal of this study was to isolate the predominant bifidobacterium species from the stools of breast-fed infants, and to identify them by their 16S rRNA genes. The strains that were identified were B. longum subsp. longum FA1 and B. breve M4A. The survival rates measured six months after lyophilisation were 74.74% and 99.6% for B. longum subsp. longum FA1 and B. breve M4A, respectively.
In a second step the growth of B. breve M4A and B. longum subsp. longum FA1 was examined in skimmed-milk media supplemented with different levels of yeast extract and in combination with glucose or oligofructose. These media increased the count of the strains after conservation by lyophilisation. Supplementation with glucose or oligofructose decreased the doubling time and increased the viable cell count. Factorial design showed a nonlinear relationship between skimmed-milk media, bacterial count number and acid production indicating an opposite impact of yeast extract with the supplementation of glucose or oligofructose in skimmed-milk media.
Response surface plots were applied to optimize the supplemented skimmed-milk media. Both strains grew more rapidly in supplemented media than in the skimmed milkbased medium alone. The fermentation in skimmed milk was dependent on nutrient availability and the carbon source. The addition of yeast extract with glucose or oligofructose to skimmed milk increased the growth rate and acid production, compared with skimmed milk alone, when incubated anaerobically at 37°C for 48 hours. Acid production was higher in B. breve M4A than in B. longum subsp. longum FA1 when inoculated into skimmed milk supplemented with yeast extract with glucose or oligofructose.
The second goal of the study was to evaluate the in vivo anti-obesity effect of B. breve M4A and B. longum subsp. longum FA1 in young mice fed an high-fat diet (HFD). Three (male mice C57BL/6JRj) groups, the model HFD group and treatment (HFD-FA1 and HFD-M4A) groups were fed an HFD to induce obesity. After feeding the mice a HFD for six weeks, animals receiving B. breve M4A (4.1 × 10_6 CFU/mL) and B. longum subsp. longum FA1 (2.9 × 10_6 CFU/mL) had significantly lower (p < 0.01) weight gain compared to mice fed a high-fat diet only. Mice fed B. breve M4A supplemented with 0.3% yeast extract and 3% glucose exhibited significantly lower serum triglycerides (p < 0.05) compared with the HFD group. The daily consumption (2.9×10_6 CFU/day) of B. longum subps. longum FA1 and (4.1×10_6 CFU/day) B. breve M4A (p < 0.01) significantly increased the amount of bifidobacteria and lactic acid bacteria in the large intestine.
This study showed that Bifidobacterium species and their acid-production reduced weight gain and energy metabolism. Thus, bifidobacteria supplementation may be one mean for reducing obesity and related chronic Non-commuicable diseases.
Kurzfassung auf Deutsch: In den vergangenen Jahrzehnten wurde in vielen Ländern eine steigende Prävalenz von Übergewicht und Adipositas beobachtet. Allgemein werden zur Adipositasprävention sowohl die Herstellung gesundheitsfördernder Lebensmittel als auch eine gesundheitsfördernde Umwelt empfohlen. Dennoch sind bisher wenige erfolgreiche Maßnahmen implementiert worden (Swinburn et al. 2013).
Es wurde vermutet, dass Veränderungen in der Zusammensetzung der Darmmikrobiota, bekannt als Dysbiose, mit der Entstehung von Adipositas zusammenhängen (Neyrinck et al. 2012).
Erstes Ziel der vorliegenden Studie war, vorherrschende Bifidobacterium-Arten aus dem Stuhl von gestillten Säuglingen zu isolieren und anhand ihrer 16S rRNA Gene zu identifizieren. Gefunden wurden B. longum subsp. longum FA1 und B. breve M4A. Die Überlebensrate der Bakterien, gemessen sechs Monate nach Lyophilisierung, lag bei 74.74% für B. longum subsp. longum FA1 beziehungsweise 99.6% für B. breve M4A.
Dann wurde das Wachstum von B. breve M4A und B. longum subsp. longum FA1 in Magermilch-Medien untersucht, die mit verschiedenen Konzentrationen von an Hefeextrakt in Kombination mit Glucose oder Oligofructose angereichert waren. Diese Medien erhöhten die Anzahl an Stämmen nach Konservierung mittels Lypophilisierung. Die Supplementation verkürzte die Verdopplungszeit und erhöhte die Anzahl der lebensfähigen Zellen. Der faktorielle Versuchsplan zeigte eine nicht lineare Beziehung zwischen Magermilch-Medien, Bakterienanzahl und Säureproduktion. Dies deutet auf eine gegensätzliche Auswirkung von Hefeextrakt mit Glucose- oder Oligofructose-Supplementation in Magermilch-Medien hin. Response Surface Plots wurden angewandt, um die supplementierten Magermilch-Medien zu optimieren. Beide Stämme wuchsen schneller in supplementierten Medien als in Medien auf Magermilchbasis alleine. Die Säureproduktion lag höher bei B. breve M4A als bei B. longum subsp. longum FA1, wenn sie in Magermilch supplementiert mit Hefeextrakt sowie Glucose oder Oligofructose inokuliert wurde. Die Fermentationsfähigkeit in Magermilch hing von Nährstoffverfügbarkeit und der Kohlenstoffquelle ab.
Weiteres Ziel der Studie war es, die Anti-Adipositas Aktivität von B. breve M4A und B. longum subsp. longum FA1 an jungen Mäusen, denen eine fettreiche Nahrung gefüttert wurde, zu untersuchen. Drei (Male mice C57BL/6JRj) Gruppen, einer Kontroll-HFDGruppe und beiden interventionsgruppen (HFD-FA1 und HFD-M4A) wurde eine fettreiche Nahrung gefüttert, um Adipositas hervorzurufen. Nach einem Zeitraum von sechs Wochen zeigten Mäuse, die B. breve M4A (4.1 × 10_6 CFU/day) und B. longum subsp. longum FA1 (2.9 × 10_6 CFU/day) erhalten hatten, einen statistisch signifikant niedrigeren (p < 0.01) Gewichtszuwachs im Vergleich zu Mäusen, die nur die fettreiche Nahrung erhielten. Mäuse, die mit B. breve M4A, welches mit 0.3% Hefeextrakt und 3% Glucose angereichert war, gefüttert wurden, wiesen signifikant niedrigere Serum Triglyceride (p < 0.05) auf im Vergleich zu der HFD Gruppe. Täglicher Konsum (2.9×10_6 CFU/day) von B. longum subps. longum FA1 und (4.1×10_6 CFU/day) B. breve M4A erhöhte signifikant (p < 0.01) die Anzahl an Bifidobakterien und zu den Milchsäurebakterien im Dickdarm.
Die Untersuchungen zeigen, dass die geringere Gewichtszunahme, die günstigeren und die geringere Fettspeicherung in der Leber von der Gabe der untersuchten Bifidobakterien und deren Säureproduktion günstig beeinflusst wurden. Demzufolge erscheint eine Anreicherung der Nahrung mit Solchen als förderlich, um Adipositas und damit zusammenhängende Gesundheitsfolgen zu vermeiden.
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