The Potential of Lactic Acid Bacteria Isolated from Kimchi for Improving Oral and Respiratory Health = 김치 유래 유산균의 구강환경 및 호흡기 건강 개선 효과

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Probiotics, living organisms with health-promoting properties when ingested, have been extensively studied for their various functionalities, including antioxidative, anti- inflammatory, anticancer, immunomodulatory, and anti-obesity effects. The purpose of this study was to assess the potential for improving oral health and respiratory health using lactic acid bacteria strains isolated from Korean fermented kimchi.
Firstly, in previous studies, Weissella cibaria D29, D30, D31, and B22 were reported for their probiotic characteristics, as well as their antioxidative and anti- inflammatory effects. This study aimed to evaluate th possibility of improving oral health by identifying whether the live cells and cell-free supernatant of hese four W. cibaria strains could exhibit antibacterial and anti-biofilm effects when exposed to three strains of cavity-causing Streptococcus mutans. W. cibaria live cells showed the ability to inhibit growth and biofilm formation of S. mutans through co-aggregation. Additionally, the cell-free supernatant of W. cibaria displayed an inhibitory and degradative effect on biofilm by suppressing the growth, insoluble exopolysaccharides formation, auto-aggregation, quorum sensing, and the expression of virulence factors in S. mutans. These effects were further investigated through scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy.
Secondly, Levilactobacillus brevis KU15151 was reported in previous studies for its probiotic characteristics, antioxidative properties, and anti-inflammatory effects on RAW 264.7 cells. This study aimed to explore the potential of heat-killed L. brevis KU15151 in improving respiratory health by identifying its antioxidant and anti- inflammatory effects on LPS-induced A549 cells. Inactivated L. brevis KU15151 showed strong DPPH and ABTS radical scavenging abilities and effectively reduced the production of reactive oxygen species. In addition, it was found to have an anti- inflammatory effect by inhibiting the phosphorylation of ERK 1/2, JNK, p38 MAPK, p65, and IκB-α, which are involved in MAPK and NF-κB signaling. It also suppressed the mRNA expression of pro-inflammatory cytokines, which are significant factors in respiratory diseases.
This investigation has validated the antibacterial and anti-biofilm properties of live cells and cell-free supernatants derived from four W. cibaria strains, estimating their mechanisms. It has also determined the antioxidative and anti-inflammatory potential of heat-killed L. brevis KU15151 when applied to LPS-induced A549 cells. Therefore, it is expected that the four strains of W. cibaria and heat-killed L. brevis KU15151 can contribute to the enhancement of oral health and the improvement of respiratory health, respectively.

국문 초록 (Abstract)

프로바이오틱스는 섭취 시 건강 상의 유익한 작용을 하는 미생물로 여러 균주에 대해 생균체, 사균체, 대사물 등의 형태로 항산화, 항염, 항암, 면역 조절, 항비만 등 다양한 기능성이 연구되어 왔다. 본 연구에서는 한국의 전통 발효 식품인 김치에서 분리한 유산균 균주를 사용하여 구강 건강과 호흡기 건강 개선의 가능성을 평가하는 것을 목적으로 하였다.
첫째, Weissella cibaria D29, D30, D31, B22 네 균주는 본 연구실의 선행 연구에서 프로바이오틱스 특성과 항산화 및 항염 효과가 보고되었다. 본 연구에서는 W. ciabria 네 균주의 생균체 및 상등액을 충치 원인균인 Streptococcus mutans 세 균주와 반응시킨 후 항균 및 항바이오필름 효과를 확인하여 구강건강 개선에 도움을 줄 수 있는지를 평가하고자 하였다. W. ciabria 생균체는 공동응집을 통해 S. mutans 의 생장과 바이오필름 형성을 억제하였다. W. ciabria 상등액은 S. mutans 의 생장, 불용성 exopolysaccharides 생성능, 자가응집력, 쿼럼센싱, 독성인자의 발현 등을 조절하여 바이오필름 형성억제 및 제거에 효과를 보였으며, 이는 주사전자현미경과 공초점 레이저 주사현미경을 통해 확인되었다.
둘째, Levilactobacillus brevis KU15151 생균체는 선행 연구에서 프로바이오틱스 특성과 항산화능, RAW 264.7 세포에 대한 항염 효과가 보고되었다. 본 연구에서는 열처리된 L. brevis KU15151 사균체에서의 항산화능 및 A549 세포에 대한 항염 효과를 확인하여 호흡기건강 개선에 도움을 줄 수 있는지 그 가능성을 평가하고자 하였다. L. brevis KU15151 사균체는 강력한 DPPH 및 ABTS 라디칼 소거능을 보였으며 활성 산소종의 발생을 효과적으로 억제하였다. 또한 MAPK 및 NF-kB signaling 에 관여하는 ERK 1/2, JNK, p38 MAPK, p65, IκB-α 의 인산화를 억제하고, 호흡기 질환에 큰 영향을 주는 염증성 사이토카인의 mRNA 발현 및 IL-6, eotaxin 수치를 감소시켜 LPS 로 유도된 A549 세포에 대한 항염 효과를 가지는 것으로 확인되었다.
본 연구는 프로바이오틱스 특성을 가진 W. ciabria 네 균주에서 얻은 생균체 및 대사물의 충치균에 대한 항균 및 항바이오필름 효과, 작용 방식을 확인하였다. 또한, 열처리한 L. brevis KU15151 의 사균체의 항산화능과 LPS 로 유도된 폐 상피세포에 대한 항염 효과를 검증하였다. 따라서, W. ciabria 네 종의 생균체 및 대사물이 구강건강 개선에 도움을 줄 수 있으며, L. brevis KU15151 의 사균체가 호흡기건강 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Antibacterial and anti-biofilm effects of Weissella cibaria strains
• against Streptococcus mutans 1
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and methods 4
• 1.2.1. Bacterial strains and culture condition 4
• 1.2.2. Sample preparation 4
• 1.2.3. Evaluation of antimicrobial activity 5
• 1.2.4. Assessment of biofilm formation 5
• 1.2.5. Analysis of polysaccharides 6
• 1.2.6. Spectrophotometry aggregation analysis 6
• 1.2.7. Scanning electron microscopy (SEM) 7
• 1.2.8. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) 8
• 1.2.9. Quantitative real-time PCR analysis (qRT-PCR) 8
• 1.2.10. Statistical analysis 9
• Ⅲ. Results and discussion 11
• 1.3.1. Effect of W. cibaria on bacterial growth 11
• 1.3.2. Effect of W. cibaria on biofilms 15
• 1.3.3. Effect of W. cibaria on EPS production and aggregation 18
• 1.3.4. Morphology of biofilms 24
• 1.3.5. Gene expression of S. mutans 28
• Ⅳ. Conclusion 31
• Chapter 2. Antioxidant and anti-inflammatory effects of heat-killed
• Levilactobacillus brevis KU15151 in LPS-induced A549 cells 32
• Ⅰ. Introduction 32
• Ⅱ. Materials and methods 35
• 2.2.1. Bacterial strains and sample preparation 35
• 2.2.2. Cell culture condition 35
• 2.2.3. Cytotoxicity measurement 35
• 2.2.4. Antioxidant assay 36
• 2.2.5. Measurement of ROS production 37
• 2.2.6. Western blot analysis 38
• 2.2.7. Measurement of IL-6 and eotaxin 39
• 2.2.8. Quantitative RT-PCR 39
• 2.2.9. Statistical analysis 40
• Ⅲ. Results and discussion 42
• 2.3.1. Cytotoxicity of heat-killed L. brevis KU15151 42
• 2.3.2. Antioxidant activity of heat-killed L. brevis KU15151 45
• 2.3.3. ROS scavenger effect of heat-killed L. brevis KU15151 47
• 2.3.4. Anti-inflammatory effect on MAPK signaling pathway 50
• 2.3.5. Anti-inflammatory effect on NF-κB signaling pathway 54
• 2.3.6. Inhibition of pro-inflammatory cytokine expression 57
• Ⅳ. Conclusion 62
• References 63
• Abstract (in Korean) 73