The intestinal immune system has an ability to distinguish between the microbiota and pathogenic bacteria, and then activate pro-inflammatory pathways against pathogens for host defense while remaining unresponsive to the microbiota and dietary antigens. In the intestine, abnormal activation of innate immunity causes development of several inflammatory disorders such as inflammatory bowel diseases (IBD). Thus, activity of innate immunity is finely regulated in the intestine. To date, multiple innate immune cells have been shown to maintain gut homeostasis by preventing inadequate adaptive immune responses in the murine intestine. Additionally, several innate immune subsets, which promote Th1 and Th17 responses and are implicated in the pathogenesis of IBD, have recently been identified in the human intestinal mucosa. The demonstration of both murine and human intestinal innate immune subsets contributing to regulation of adaptive immunity emphasizes the conserved innate immune functions across species and might promote development of the intestinal innate immunity-based clinical therapy.
Da Yoon, Yu;Sang-Hyon, Oh;In Sung, Kim;Gwang Il, Kim;Jeong A, Kim;Yang Soo, Moon;Jae Cheol, Jang;Sang Suk, Lee;Jong Hyun, Jung;Jun, Park;Kwang Keun, Cho
Journal of Animal Science and Technology
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v.64
no.6
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pp.1184-1198
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2022
In this study, Rubus coreanus (R. coreanus) byproducts with high polyphenol content were fermented with R. coreanus-derived lactic acid bacteria (Lactobacillus plantarum GBL 16 and 17). Then the effect of R. coreanus-derived lactic acid bacteria fermented feed (RC-LAB fermented feed) with probiotics (Bacillus subtills, Aspergillus oryzae, Yeast) as a feed additive for pigs on the composition of intestinal microbes and the regulation of intestinal immune homeostasis was investigated. Seventy-two finishing Berkshire pigs were randomly allotted to four different treatment groups and 18 replicates. RC-LAB fermented feed with probiotics increased the genera Lactobacillus, Streptococcus, Mitsuokella, Prevotella, Bacteroides spp., Roseburia spp., and Faecalibacterium prausnitzii, which are beneficial bacteria of the digestive tract of pigs. Also, RC-LAB fermented feed with probiotics decreased the genera Clostridium, Terrisporobacter, Romboutsia, Kandleria, Megasphaera and Escherichia, which are harmful bacteria. In particular, the relative abundance of the genera Lactobacillus and Streptococcus increased by an average of 8.51% and 4.68% in the treatment groups and the classes Clostridia and genera Escherichia decreased by an average of 27.05% and 2.85% in the treatment groups. In mesenteric lymph nodes (MLN) and spleens, the mRNA expression of transcription factors and cytokines in Th1 and Treg cells increased and the mRNA expression of Th2 and Th17 transcription factors and cytokines decreased, indicating a regulatory effect on intestinal immune homeostasis. RC-LAB fermented feed regulates gut immune homeostasis by influencing the composition of beneficial and detrimental microorganisms in the gut and regulating the balance of Th1/Th2 and Th17/Treg cells.
After birth, animals are colonized by a diverse community of microorganisms. The digestive tract is known to contain the largest number of microbiome in the body. With emergence of the gut-brain axis, the importance of gut microbiome and its metabolites in host health has been extensively studied in recent years. The establishment of organoid culture systems has contributed to studying intestinal pathophysiology by replacing current limited models. Owing to their architectural and functional complexity similar to a real organ, co-culture of intestinal organoids with gut microbiome can provide mechanistic insights into the detrimental role of pathobiont and the homeostatic function of commensal symbiont. Here organoid-based bacterial co-culture techniques for modeling host-microbe interactions are reviewed. This review also summarizes representative studies that explore impact of enteric microorganisms on intestinal organoids to provide a better understanding of host-microbe interaction in the context of homeostasis and disease.
Inflammatory bowel disease (IBD) is a global disease that is in increasing incidence. The gut, which contains the largest amount of lymphoid tissue in the human body, as well as a wide range of nervous system components, is integral in ensuring intestinal homeostasis and function. By interacting with gut microbiota, immune cells, and the enteric nervous system, the intestinal barrier, which is a solid barrier, protects the intestinal tract from the external environment, thereby maintaining homeostasis throughout the body. Destruction of the intestinal barrier is referred to as developing a "leaky gut," which causes a series of changes relating to the occurrence of IBD. Changes in the interactions between the intestinal barrier and gut microbiota are particularly crucial in the development of IBD. Exploring the leaky gut and its interaction with the gut microbiota, immune cells, and the neuroimmune system may help further explain the pathogenesis of IBD and provide potential therapeutic methods for future use.
With the activity of intestinal stem cells and continuous turnover, the gut epithelium is one of the most dynamic tissues in animals. Due to its simple yet conserved tissue structure and enteric cell composition as well as advanced genetic and histologic techniques, Drosophila serves as a valuable model system for investigating the regulation of intestinal stem cells. The Drosophila gut epithelium is in constant contact with indigenous microbiota and encounters externally introduced "non-self" substances, including foodborne pathogens. Therefore, in addition to its role in digestion and nutrient absorption, another essential function of the gut epithelium is to control the expansion of microbes while maintaining its structural integrity, necessitating a tissue turnover process involving intestinal stem cell activity. As a result, the microbiome and pathogens serve as important factors in regulating intestinal tissue turnover. In this manuscript, I discuss crucial discoveries revealing the interaction between gut microbes and the host's innate immune system, closely associated with the regulation of intestinal stem cell proliferation and differentiation, ultimately contributing to epithelial homeostasis.
Tissue-specific adult stem cells are pivotal in maintaining tissue homeostasis, especially in the rapidly renewing intestinal epithelium. At the heart of this process are leucine-rich repeat-containing G protein-coupled receptor 5-expressing crypt base columnar cells (CBCs) that differentiate into various intestinal epithelial cells. However, while these CBCs are vital for tissue turnover, they are vulnerable to cytotoxic agents. Recent advances indicate that alternative stem cell sources drive the epithelial regeneration post-injury. Techniques like lineage tracing and single-cell RNA sequencing, combined with in vitro organoid systems, highlight the remarkable cellular adaptability of the intestinal epithelium during repair. These regenerative responses are mediated by the reactivation of conserved stem cells, predominantly quiescent stem cells and revival stem cells. With focus on these cells, this review unpacks underlying mechanisms governing intestinal regeneration and explores their potential clinical applications.
T-helper-17 (Th17) cells and related IL-17-producing (type17) lymphocytes are abundant at the epithelial barrier. In response to bacterial and fungal infection, the signature cytokines IL-17A/F and IL-22 mediate the antimicrobial immune response and contribute to wound healing of injured tissues. Despite their protective function, type17 lymphocytes are also responsible for various chronic inflammatory disorders, including inflammatory bowel disease (IBD) and colitis associated cancer (CAC). A deeper understanding of type17 regulatory mechanisms could ultimately lead to the discovery of therapeutic strategies for the treatment of chronic inflammatory disorders and the prevention of cancer. In this review, we discuss the current understanding of the development and function of type17 immune cells at the intestinal barrier, focusing on the impact of microbiota-immune interactions on intestinal barrier homeostasis and disease etiology.
Innate immune cells survey antigenic materials beneath our body surfaces and provide a front-line response to internal and external danger signals. Dendritic cells (DCs), a subset of innate immune cells, are critical sentinels that perform multiple roles in immune responses, from acting as principal modulators to priming an adaptive immune response through antigen-specific signaling. In the gut, DCs meet exogenous, non-harmful food antigens as well as vast commensal microbes under steady-state conditions. In other instances, they must combat pathogenic microbes to prevent infections. In this review, we focus on the function of intestinal DCs in maintaining intestinal immune homeostasis. Specifically, we describe how intestinal DCs affect IgA production from B cells and influence the generation of unique subsets of T cell.
Wijesooriya Mudhiyanselage Nadeema Dissanayake;Malavige Romesha Chandanee;Sang-Myeong Lee;Jung Min Heo;Young-Joo Yi
Animal Bioscience
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v.36
no.9
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pp.1403-1413
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2023
Objective: Intestinal alkaline phosphatase (IAP) maintains intestinal homeostasis by detoxifying bacterial endotoxins and regulating gut microbiota, and lipid absorption. Antibiotics administered to animals can cause gut dysbiosis and barrier disruption affecting animal health. Therefore, the present study sought to investigate the role of IAP in the intestinal environment in dysbiosis. Methods: Young male mice aged 9 weeks were administered a high dose of antibiotics to induce dysbiosis. They were then sacrificed after 4 weeks to collect the serum and intestinal organs. The IAP activity in the ileum and the level of cytokines in the serum samples were measured. Quantitative real-time polymerase chain reaction analysis of RNA from the intestinal samples was performed using primers for tight junction proteins (TJPs) and proinflammatory cytokines. The relative intensity of IAP and toll-like receptor 4 (TLR4) in intestinal samples was evaluated by western blotting. Results: The IAP activity was significantly lower in the ileum samples of the dysbiosis-induced group compared to the control. The interleukin-1 beta, interleukin-6, and tumor necrosis factor-alpha concentrations were significantly higher in the ileum samples of the dysbiosis-induced group. The RNA expression levels of TJP2, claudin-3, and claudin-11 showed significantly lower values in the intestinal samples from the dysbiosis-induced mice. Results from western blotting revealed that the intensity of IAP expression was significantly lower in the ileum samples of the dysbiosis-induced group, while the intensity of TLR4 expression was significantly higher compared to that of the control group without dysbiosis. Conclusion: The IAP activity and relative mRNA expression of the TJPs decreased, while the levels of proinflammatory cytokines increased, which can affect intestinal integrity and the function of the intestinal epithelial cells. This suggests that IAP is involved in mediating the intestinal environment in dysbiosis induced by antibiotics and is an enzyme that can potentially be used to maintain the intestinal environment in animal health care.
Bo Ram Lee;Sun A Ock;Mi Ryung Park;Min Gook Lee;Sung June Byun
Journal of Animal Reproduction and Biotechnology
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v.39
no.1
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pp.2-11
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2024
Background: The small intestine plays a crucial role in animals in maintaining homeostasis as well as a series of physiological events such as nutrient uptake and immune function to improve productivity. Research on intestinal organoids has recently garnered interest, aiming to study various functions of the intestinal epithelium as a potential alternative to an in vivo system. These technologies have created new possibilities and opportunities for substituting animals for testing with an in vitro model. Methods: Here, we report the establishment and characterisation of intestinal organoids derived from jejunum tissues of adult pigs. Intestinal crypts, including intestinal stem cells from the jejunum tissue of adult pigs (10 months old), were sequentially isolated and cultivated over several passages without losing their proliferation and differentiation using the scaffold-based and three-dimensional method, which indicated the recapitulating capacity. Results: Porcine jejunum-derived intestinal organoids showed the specific expression of several genes related to intestinal stem cells and the epithelium. Furthermore, they showed high permeability when exposed to FITC-dextran 4 kDa, representing a barrier function similar to that of in vivo tissues. Collectively, these results demonstrate the efficient cultivation and characteristics of porcine jejunum-derived intestinal organoids. Conclusions: In this study, using a 3D culture system, we successfully established porcine jejunum-derived intestinal organoids. They show potential for various applications, such as for nutrient absorption as an in vitro model of the intestinal epithelium fused with organ-on-a-chip technology to improve productivity in animal biotechnology in future studies.
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