Potential probiotic lactic acid bacteria and their anti-proliferative effects on Caco-2 cells

Abstract

Lactic acid bacteria are the most widely used probiotics in fermented dairy products and foods. Since probiotics play an important role in human health promotion and disease prevention. In this study, the first aim was to isolate and identify lactic acid bacteria from dairy products and dietary supplements. A total of 11 isolates of lactic acid bacteria (LAB) were obtained and analyzed by 16S rRNA gene sequencing. The LAB isolates were identified as Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, L. rhamnosus, L. plantarum, L. paracasei, L. casei, Lacticaseibacillus rhamnosus, Lacti. paracasei and Streptococcus thermophilus. In the second aim, probiotic properties of LAB were characterized by acid and bile salt tolerance, antioxidant activity, antimicrobial activity, and adhesion to Caco-2 cells. Results indicated that (1) eleven LAB strains showed wide spectrum acid tolerance to pH 2.5 for 2h (16.35-85.77% viability), (2) all strains exhibited tolerance to 0.3% (w/v) bile salt for 3h with 8.86-99.50% viability, (3) among these LAB, eight strains with acid and bile salt tolerance were selected for further susceptibility assay to nine antibiotics, and all Lactobacillus and Lacticaseibacillus strains were resistant to gentamycin, sulfamethoxazole and vancomycin, (4) all LAB strains had a strong antioxidative effect with 86.97-91.81% DPPH radical scavenging activity, (5) among eight strains investigated by agar well diffusion method, six strains including MD-5 (L. plantarum 3335), MD-6 (Lacti. paracasei W1-D-5), MD-7 (Lacti. rhamnosus 2795), MD-9 (L. rhamnosus HDB1311), MD-10 (L. plantarum YLL-03) and MD-11 (L. casei F4S1) had an antibacterial activity against five common pathogenic bacteria, (6) among the tested strains investigated, MD-6 (L. paracasei W1-D-5) had the highest adhesion capacity on Caco-2 cells (6.78% adhesion). The third aim was to determine the inhibition of pathogenic bacteria adhesion to Caco-2 cells and the antiproliferative effect against Caco-2 cells by selected lactobacilli. The results suggested that the adhesion of E. coli TISTR 887 and S. Typhimurium TISTR 292 to Caco-2 cells was reduced by competition and exclusion with all six LAB strains. In conclusion, the isolate MD-5 (L. plantarum 3335) was found to be the most efficient probiotic lactobacillus strain with significant dose-dependent antiproliferative effect against Caco-2 cells (87.97% inhibition). The findings of this study suggest that MD-5 could be a promising candidate species with potential for application in a functional food strategy for the colorectal cancer control and chemoprevention by dietary compounds.

จุลินทรีย์โพรไบโอติกที่สำคัญและนิยมใช้ในอาหารและผลิตภัณฑ์นมหมักส่วนใหญ่อยู่ในกลุ่มของแบคทีเรียกรดแลคติก เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ส่งผลดีต่อสุขภาพของมนุษย์และมีส่วนช่วยในการป้องกันโรค งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ (1) คัดแยกและจำแนกแบคทีเรียกรดแลคติกจากผลิตภัณฑ์นมและผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร จากการคัดแยกแบคทีเรียกรดแลคติกได้ทั้งหมด 11 ไอโซเลท เมื่อวิเคราะห์ลำดับนิวคลีโอไทด์บริเวณ 16S rRNA gene จำแนกชนิดของแบคทีเรียกรดแลคติกได้เป็น Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, L. rhamnosus, L. plantarum, L. paracasei, L. casei, Lacticaseibacillus rhamnosus, Lacti. paracasei และ Streptococcus thermophilus (2) ศึกษาคุณสมบัติโพรไบโอติก ได้แก่ การทนต่อกรดและเกลือน้ำดี การต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ การต้านอนุมูลอิสระ การยับยั้งแบคทีเรียก่อโรค และทดสอบการยึดเกาะกับเซลล์ Caco-2 ผลการทดสอบแบคทีเรียกรดแลคติก 11 ไอโซเลทในการทนต่อกรดที่ pH 2.5 พบว่า Lactobacillus ส่วนใหญ่สามารถทนต่อกรดที่ pH 2.5 ที่เวลา 2 ชั่วโมง (16.35-85.77% viability) และเมื่อทดสอบการทนต่อเกลือน้ำดี 0.3% (w/v) พบว่า Lactobacillus ส่วนใหญ่สามารถทนต่อเกลือน้ำดี 0.3% (w/v) ที่เวลา 3 ชั่วโมง (8.86-99.50 % viability) เมื่อทดสอบแบคทีเรียกรดแลคติก 8 ไอโซเลทที่มีคุณสมบัติการทนต่อกรดและเกลือน้ำดีในการต้านทานต่อยาปฏิชีวนะทั้ง 9 ชนิด พบว่า Lactobacillus ทุกสายพันธุ์ที่ทดสอบสามารถต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ gentamycin, sulfamethoxazole และ vancomycin ได้ จากการทดสอบคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระด้วยวิธี DPPH พบว่าแบคทีเรียกรดแลคติกทุกสายพันธุ์ที่ทดสอบสามารถต้านอนุมูลอิสระได้ (86.97-91.81% DPPH radical scavenging activity) ผลทดสอบการยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียก่อโรคด้วยวิธี agar well diffusion พบว่าแบคทีเรียกรดแลคติก 6 ไอโซเลท ได้แก่ ไอโซเลท MD-5 (L. plantarum 3335), MD-6 (Lacti. paracasei W1-D-5), MD-7 (Lacti. rhamnosus 2795), MD-9 (L. rhamnosus HDB1311), MD-10 (L. plantarum YLL-03) และ MD-11 (L. casei F4S1) สามารถยับยั้งแบคทีเรียก่อโรคได้ทั้ง 5 สายพันธุ์ ผลการทดสอบแบคทีเรียกรดแลคติกทั้ง 6 ไอโซเลท พบว่า MD-6 (L. paracasei W1-D-5) สามารถยึดเกาะกับเซลล์ Caco-2 ได้ดีที่สุด (6.78% adhesion) และ (3) ศึกษาคุณสมบัติยับยั้งการยึดเกาะของแบคทีเรียก่อโรคกับเซลล์ Caco-2 และยับยั้งการเพิ่มจำนวนของเซลล์ Caco-2 ผลการทดลองพบว่าทั้ง 6 ไอโซเลทสามารถยับยั้งการยึดเกาะของ E. coli TISTR 887 และ S. Typhimurium TISTR 292 ได้ทั้งวิธี competition และ exclusion นอกจากนั้นยังสามารถยับยั้งการเพิ่มจำนวนของเซลล์ Caco-2 ได้ จากการศึกษาในครั้งนี้สรุปได้ว่า ไอโซเลท MD-5 (L. plantarum 3335) สามารถยับยั้งการเพิ่มจำนวนเซลล์ Caco-2 ได้ดีที่สุด (87.97% inhibition) ซึ่งมีศักยภาพที่จะนำไปศึกษาพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์อาหารฟังก์ชันที่เหมาะสมสำหรับควบคุมและป้องกันการเกิดมะเร็งลำไส้ใหญ่ต่อไป