The effects of probiotics and antioxidants on damage to porcine epithelial cells caused by veterinary pharmaceutical, toxic and infectious agents in vitro  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124522
Type PD
Principal investigator Pásztiné Dr. Gere, Erzsébet
Title in Hungarian Probiotikumok, antioxidánsok hatásai gyógyszerek, toxikus és fertőző ágensek okozta sertés hámsejt károsodásokban in vitro
Title in English The effects of probiotics and antioxidants on damage to porcine epithelial cells caused by veterinary pharmaceutical, toxic and infectious agents in vitro
Keywords in Hungarian probiotikumok, flavonoidok, epitel sejtek, mikotoxinok, Lawsonia, matriptáz, 3 D sejtkultúra
Keywords in English probiotics, flavonoids, epithelial cells, mycotoxins, Lawsonia, matriptase, 3D cell culturing
Discipline
Animal physiology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Panel Plant and animal breeding
Department or equivalent Department of Pharmacology and Toxicology (University of Veterinary Medicine Budapest)
Starting date 2017-12-01
Closing date 2022-11-30
Funding (in million HUF) 15.219
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A sertéstenyésztés egészségügyi kockázati tényezői között számos olyan emésztőrendszeri betegség szerepel, amelyek veszélyeztetik a hústermelés hatékonyságát, a sertéshús minőségét, és ezzel súlyos gazdasági károkat okoznak. A kutatási munka egyik feladata az alkalmazott 2 dimenziós és a szferoidokon vagy hidrogél mátrixon alapuló 3 dimenziós, különböző bélszakaszokból származó illetve májsejten alapuló rendszerek megbízhatóságának meghatározása a szerin-proteáz gátlás-, valamint a bakteriális és fungális anyagcseretermékek által előidézett bélhám károsodások nyomonkövetésére.
A kutatási munka másik alappillére olyan védő hatású probiotikus anyagcseretermékek és antioxidánsok azonosítása, kiszűrése, amelyek alkalmazásával sikeresen csökkenthető a bélbarrier integritás mikotoxinok és a Lawsonia intracellularis fertőzés okozta gyengülése, és amelynek kiemelkedő nemzetközi és hazai jelentősége van mind az állatgyógyászat, mind a takarmányfejlesztés területén. A projekt új perspektívái és szakmai irányai lehetőséget biztosítanak a tehetséggondozás részeként tudományos diákköri és doktoráns hallgatók kutatási munkába történő bevonásába és nemzetközi szinten is felmerülő agrár-állatélettani kérdések tudományos eredmények alapján történő megválaszolására.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Célom a jelenleg rendelkezésre álló, egészséges bélhámot modellező in vitro rendszerekben az emésztőtraktus Lawsonia intracellularis által okozott gyulladásainak, a mikotoxikózis és egyes gyógyszerjelölt molekulák által keletkezett elváltozásainak hátterében álló mechanizmusok tanulmányozása. A 2 és 3 dimenziós sejttenyésztési technikák alkalmazásával, az in vivo körülmények jobb modellezésével csökkenteni lehet az állatkísérletek számát, és kidolgozhatóvá válik egy olyan kezelési protokollt, amelynek segítségével javul a takarmányozás hatékonysága a hámréteg integritásának fenntartása által. Azt a felvetést kívánom igazolni, hogy az alkalmazott sejtmodellek alkalmasak lehetnek a barrier integritásra gyakorolt káros hatások nyomonkövetésére. A projekt keretein belül a gyógyszerjelölt matriptáz modulátorok széles körű farmakológiai- toxikológiai jellemzése a modellrendszer kiterjesztésével a bélhámsejtek mellett különböző fajokból előállított, májsejtek és Kupffer sejtek eltérő arányú ko-kultúráján is kivitelezhetővé válik. Feltételezéseim szerint a vékonybélhám és a választott xenobiotikumok között kialakuló kölcsönhatások felderítésével a probiotikus anyagok és anyagcseretermékeik, illetve egyes antioxidáns vegyületek hatékonysága megerősítést nyerhet az emésztőrendszer fiziológiás állapotának megőrzésében és a gyulladással járó betegségek leküzdésében.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az Európai Unió hústermelési ágazatában a sertéshús a legjelentősebb hústípus, 2014-ben több mint 22 millió tonna mennyiség került előállításra, amely az éves húsmennyiség mintegy 51%-a volt.
A béltraktust érintő gyulladásos folyamatokban a bél áteresztőképessége megváltozik. A leggyakrabban előforduló veszélyt a sertés állományokra a fertőzött takarmánnyal bekerült kórokozók jelentik, amelyek közvetlenül károsíthatják az emésztőrendszer épségét és súlyos bélgyulladást, járványszerű megbetegedést és elhullást okozhatnak. A proliferatív enteropátiát okozó intracelluláris kórokozó, a Lawsonia intracellularis fertőzés esetében a vékonybél nyálkahártyája megvastagszik, amely miatt csökken a táplálék felszívódása, így az állat megbetegszik és lassabban éri el a vágósúlyt. Egyes gyógyszerek és a Fusarium penészgomba fajok másodlagos anyagcsere-termékei a sertésállományban szintén gyakran okoznak gyomor-bélrendszeri károsodásokat.
Az Európai Unióban 2006-tól nem engedélyezett az antibiotikumok hozamfokozóként való alkalmazása a rezisztens baktériumtörzsek megjelenése miatt. A figyelem ezért a természetes eredetű takarmány-kiegészítők, mint a Lactobacillus törzsek és más probiotikumok anyagcsere termékei valamint antioxidáns vegyületek alkalmazása felé fordult, amelyek képesek lehetnek elősegíteni az egészséges bélflóra fenntartását. Sertés, jejunális IPEC-J2 sejtvonallal lehetőség nyílik a kutatási projekt keretein belül ellenőrzött körülmények között célzottan in vitro vizsgálni a potenciális védő hatású szerek gyulladáscsökkentő hatását sertésekben előforduló bélgyulladások esetén.
A projekt egyediségére utal, hogy újonnan szintetizált, bélbarrier integritást befolyásoló matriptáz modulátorok farmakológiai és toxikológiai jellemzését is tartalmazza nem-tumoros bélhámsejtek és májsejt mono- és ko-kultúrák valamint daganatos vastagbél sejtek felhasználásával 2 és 3 dimenziós sejtrendszerekben.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A sertéstenyésztés súlyos problémája a fiatal állatokban kialakuló, hasmenéssel, a tápanyagok felszívódásának romlásával, a súlygyarapodás csökkenésével együttjáró bélgyulladás, melynek okai között bakteriális fertőzések vagy a takarmányt szennyező penészgombák által termelt mikotoxinok egyaránt előfordulnak. Magyarországon a takarmánytermelő területek nagy része fertőzött mikotoxin-termelő Fusarium fajokkal, így a szennyeződés már a takarmánynövények fejlődése során is kialakulhat. A bakteriális eredetű fertőzéseket csak súlyos esetekben kezelik antibiotikumokkal, a mikotoxinok esetében nincs gyógyszeres védekezési lehetőség, csak a takarmány nem szennyezett összetevőkkel való hígítása mérsékelheti a károkat. Egyre nő az igény, hogy olyan, természetes eredetű anyagokat alkalmazzanak a takarmányozás során ezen betegségek megelőzésére vagy a gyógyszeres terápia kiegészítéseként, amelyek alkalmasak lehetnek a bélhám erősítésére, a fertőzésekkel szembeni ellenálló-képesség növelésére. A bélhám védő funkciójának fenntartásában szerepet játszó enzimek működésének megértése kulcsfontosságú a jótékony hatású anyagok kiválasztása során. A jelen kutatás célja az antioxidánsok és a probiotikumok hatásának feltérképezése a bélgyulladások kivédésére sejttenyészeteken végzett kísérletek segítségével. Az eredmények alapján közelebb kerülhetünk egy olyan nem-gyógyszeres eljárás kifejlesztéséhez, amely a sertésállomány egészségének megőrzésével hozzájárulhat a sertéstenyésztés versenyképességének javításához.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Several digestive diseases can represent health risks in pig production sector, which can exert negative impact on efficiency of meat production, decrease the quality of the pigmeat leading to significant economic losses. This research study focuses on the elucidation of reliability of applied 2 D and spheroid- or hydrogel-assisted matrix-based based 3 D epithelial cell systems originated from different intestinal parts or from the hepatic regions for detection of changes in intestinal permeability caused by serine protease inhibition or bacterial or fungal xenobiotics. The other pillar of the research work includes screening and identification of protective substances such as metabolites of applied probiotics or selected antioxidant compounds, which can alleviate efficiently the intestinal barrier damage caused by mycotoxins and Lawsonia intracellularis thereby having great national and international importance in the field of veterinary medicine and feedstuff development. The novel aspects and veterinary directions of the project offer possibilities for involvement of scientific circle -and PhD students into the research work as part of talent management. In addition, the expected results of the project may allow to solve agricultural and animal physiology issues arising on international level.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The aim of the project is to study the mechanisms of intestinal inflammation induced by Lawsonia intracellularis and the changes of the digestive tract due to exposure to mycotoxins or drug candidates on currently available in vitro systems representing healthy intestinal epithelium. With the application of 2 and 3 dimensional cell culturing techniques and thus with the more precise modelling of in vivo conditions the sacrifice of experimental animals can be reduced and the novel treatment protocol can be introduced, based on which feed efficiency can be improved via preserving reinforced barrier integrity. The hypothesis that the applied cell models can be used for tracing damaging effects on barrier function will also be clarified. In the frame of the project detailed pharmacological and toxicological characterization of matriptase modulators can be accomplished through supplementation of enterocyte studies with co-cultures of hepatocytes and Kupffer cells of different species. Based on my assumptions with the exploration of interaction between intestinal epithelium and selected xenobiotics, the efficiency of probiotics’ metabolites and antioxidants can be established in the maintenance of physiological state of digestive system and in the preventation or in the treatment of intestinal inflammation.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
In the meat production sectors of European Union pigmeat was considered as the most significant meat category in 2014, over 22.1 million tonnes were produced, which represents 51 % of annual production of all meats.
The intestinal inflammatory processes can alter the physiological paracellular permeability of the gut. The most common health risk to pigs is when they get infected by pathogens present in the feeds, which can lead to damage to the integrity of the digestive system directly and contribute to the formation of serious gut inflammation, epidemic disases and mortality. In case of proliferative enteropathy caused by intracellular pathogen, Lawsonia intracellularis the mucous membrane of intestine becomes thicker, thus the absorption of the feed is deteriorated leading to the gut diseases in animals and lower meat production. Certain drugs and Fusarium mycotoxins can trigger very frequently gastrointestinal disturbances in swine.
In 2006 the application of antibiotics as growth promoters was banned in European Union due to the appearance of resistant bacterial strains. This increased the demand for finding new alternatives, natural feed additives such as metabolites of the lactobacilli and other probiotics, antioxidant compounds to maintain healthy gut ecosystem. In this research project, application of porcine, jejunal IPEC-J2 cell line enables the in vitro investigation of anti-inflammatory effects of potential protective agents in porcine gut inflammation under controlled conditions.
As one of the international novelties, the project includes detailed pharmacological and toxicological characterization of the newly synthetized drug candidates, matriptase modulators using both non-tumorigenic enterocytes and hepatocyte mono- and co-cultures and cancerous colon cell lines in 2 D and 3 D cell designs.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Intestinal inflammation of piglets accompanied by diarrhoea, deteriorated absorption of nutrients and decreased daily weight gain is a serious problem of the pork industry. The reasons of the inflammation can often be traced to either bacterial infection or mycotoxins produced by fungi contaminating the porcine feed. As majority of the wheatfields in Hungary is infested by Fusarium species capable of producing various types of mycotoxins, the contamination may develop even during growing of the crop used for feed formulation. Currently bacterial infections can be treated only in severe cases with antibiotics and there are not any drugs available against mycotoxins, only dilution of the mycotoxin-containing feed with non-contaminated components may reduce the damages. However, there is an increasing demand that natural products- which can reinforce the intestinal barrier and increase defense mechanisms against infections- should be used in animal nutrition in order to prevent diseases or to supplement conventional drug therapy. The in-depth understanding of mode of action of enzymes resposible for protective function of intestinal epithelium is prerequisite for appropriate selection of beneficial substances. The aim of the proposed research is the mapping of effects of antioxidants and probiotics in prevention of intestinal inflammation by means of experiments on cell cultures. The results may contribute to enhancement of the economic viability of swine production by development of drug-free nutrition approaches for the maintenance of the health of the swine herd.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A penészgombákkal fertőzött gabona alapú takarmánnyal etetett sertések fejlődése, súlygyarapodása visszaesik, szaporodásbiológiai és állategészségügyi paramétereik jelentősen romlanak. Kísérleti munkánkban 2- és 3-dimenziós sertés és humán bélhám- és májsejt modellrendszerekben vizsgáltuk egyes xenobiotikumok (mikotoxinok, enteropatogén bakériumok, vírusellenes vegyületek) hatását a sejtéletképességre, redox egyensúlyra és a gyulladásos folyamatokra. A fuzáriotoxinok mint a deoxinivalenol (DON) és a T-2 toxin egyedi és kombinatív (DT2) alkalmazása során elsőként állapítottuk meg, hogy a nem citotoxikus koncentrációban alkalmazott DT2 együttes kezelés megemelte az extracelluláris hidrogén-peroxid koncentrációját és az intracelluláris reaktív oxigén fajták termelődését, valamint hozzájárult az interleukin-6 és 8 szintjének növekedéséhez HIEC-6 sejtekben. Sertés eredetű IPEC-J2 sejtmodellben a DON, illetve T2 toxin által előidézett bélhámsejtréteg károsodás, a gyulladásos folyamatok és az oxidatív stressz kivédésére a kvercetin, a fermentált búzacsíra-kivonat és a rozmaringsav hatékony szereknek bizonyultak. A károsító környezeti stresszorok komplexitásának modellezésére elsőként alkalmaztuk együttesen az ochratoxin A-t és E. coli lipopoliszacharidot sertés bélhámsejteken, és megállapítottuk, hogy a növényi flavonoidok közül a krizin és luteolin megbízható gyulladáscsökkentő és antioxidáns hatással rendelkezett mikotoxin terhelés során.
Results in English
Fusariotoxins are products of secondary metabolism in Fusarium species that have a detrimental effect on the gastrointestinal tract of the swine on contaminated corn-based feed leading to the development of retarded growth, weight loss, fertility problems and lowered productivity in swine. In our research work, 2- and 3-dimensional swine and human intestinal cells- and hepatocytes- based model systems were used to investigate the impact of certain xenobiotics (mycotoxins, enteropathogens, antiviral agents) on cell viabilities, redox balance and inflammatory responses. Fusariotoxins such as deoxynivalenol (DON) and T-2 and their combinations applied in non-cytotoxic concentrations elevated extracellular hydrogen- peroxide amounts and production of intracellular reactive oxygen species and contributed to the enhancement in interleukin-6 and -8 levels in HIEC-6 cells. In porcine IPEC-J2 model intestinal epithelial damage, excessive inflammatory responses and oxidative stress induced by DON and T-2 could be successfully prevented by quercetin, fermented wheat germ extract and rosmarinic acid. To mimic complexity of damaging environmental stressors, ochratoxin A and E. coli lipopolysaccharide were simultaneously administered firstly by us in swine enterocytes and it was confirmed that plant-derived flavonoids such as luteolin and chrysin appeared to be reliable anti-inflammatory and antioxidant agents during mycotoxin exposure.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124522
Decision
Yes





 

List of publications

  
Pomothy, Judit ; Barna, Réka Fanni ; Pásztiné, Gere Erzsébet: Matriptáz enzim aktivátor és inhibitor tesztelése humán és patkány primer májsejt modelleken, Akadémiai Beszámolók ÁTE Budapest, 2020
Barna, Réka Fanni ; Pomothy, Judit Mercédesz ; Paréj, Zsuzsanna ; Pásztiné Gere, Erzsébet: Investigation of sphingosin-1-phosphate-triggered matriptase activation using a rat primary hepatocyte model, ACTA VETERINARIA HUNGARICA, 2019
Paszti-Gere, Erzsebet ; Szombath, Gergely ; Guetschow, Michael ; Steinmetzer, Torsten ; Szekacs, Andras: 3-Amidinophenylalanine-derived matriptase inhibitors can modulate hepcidin production in vitro, NAUNYN-SCHMIEDEBERGS ARCHIVES OF PHARMACOLOGY, 2020
Czimmermann Ágnes Eszter, Szóládi Áron, Pásztiné Gere Erzsébet: Xenobiotikumok metabolizmusában szerepet játszó humán, kutya illetve sertés máj citokróm P450 enzimek összehasonlítása, MAGYAR ÁLLATORVOSOK LAPJA, 2020
Erzsébet Pászti-Gere, Judit Mercédesz Pomothy, Réka Fanni Barna, Dorottya Prokoly, Ákos Jerzsele: The impact of fermented wheat germ extract on porcine epithelial cell line exposed to deoxynivalenol and T-2 mycotoxins, OXIDATIVE MEDICINE AND CELLULAR LONGEVITY, 2020
Barna RF, Mackei M, Pászti-Gere E, Neogrády Z, Jerzsele Á, Mátis G.: The Effects of Matriptase Inhibition on the Inflammatory and Redox Homeostasis of Chicken Hepatic Cell Culture Models., Biomedicines, 2021
Pomothy JM, Gatt K, Jerzsele Á, Gere EP.: The impact of quercetin on porcine intestinal epithelial cell line exposed to deoxynivalenol, Acta Veterinaria Hungarica, 2021
Pomothy Judit Mercédesz, Barna Réka Fanni, Pásztiné Gere Erzsébet: A rozmaringsav hatásai a haszonállatokban, MAGYAR ÁLLATORVOSOK LAPJA, 2020
Pomothy, Judit ; Barna, Réka Fanni ; Czimmermann, Ágnes ; Szóládi, Áron ; Pásztiné, Gere Erzsébet: A deoxinivalenol mikotoxin toxikus hatásai a gazdasági haszonállatokra, MAGYAR ÁLLATORVOSOK LAPJA, 2020
Pomothy, Judit ; Barna, Réka Fanni ; Prokoly, Dorottya ; Pásztiné, Gere Erzsébet: FERMENTÁLT BÚZACSÍRA VÉDŐ HATÁSÁNAK TESZTELÉSE TRICHOTECÉN VÁZAS MIKOTOXINOK ÁLTAL KÁROSÍTOTT SERTÉS BÉLHÁMSEJTEKEN, Akadémiai Beszámolók, ÁTE, Budapest, 2020
Pomothy, Judit Mercédesz ; Barna, Réka Fanni ; Szóládi, Áron ; Pásztiné, Gere Erzsébet: THE BENEFICIAL EFFECTS OF ROSMARINIC ACID ON A NON-TUMORIGENIC EPITHELIAL CELL LINE, GRADUS, 2020
Mercédesz Pomothy, Judit; Fanni Barna, Réka; Anna Pászti, Erzsébet; Babiczky, Ákos; Szóládi, Áron; Pásztiné Gere, Erzsébet: Beneficial Effects of Rosmarinic Acid on IPEC-J2 Cells Exposed to the Combination of Deoxynivalenol and T-2 Toxin, MEDIATORS OF INFLAMMATION, 2020
Judit M. Pomothy, Orsolya Szabó, Ágnes E. Czimmermann, Ákos Babiczky, Ákos Jerzsele and Erzsébet Pászti-Gere: Investigation of the inflammatory and oxidative stress-inducing effects of deoxynivalenol and T-2 toxin exposure in non-tumorigenic human intestinal cell model, TOXICON, 2021
Paszti-Gere, Erzsebet; Pomothy, Judit; Jerzsele, Akos; Pilgram, Oliver; Steinmetzer, Torsten: Exposure of human intestinal epithelial cells and primary human hepatocytes to trypsin-like serine protease inhibitors with potential antiviral effect, JOURNAL OF ENZYME INHIBITION AND MEDICINAL CHEMISTRY, 2021
Varga Eszter, Nagy Gábor, Szimrók Zoltán, Szentkirályi Anna, Fedor Zsófi, Pásztiné Gere Erzsébet: Matriptáz gátló vegyületek CYP izoenzimek aktivitásra gyakorolt hatása, ÁTE Akadémiai Beszámolók Budapest, 2021
Erzsébet Pászti-Gere, Judit Pomothy, Ákos Jerzsele, Oliver Pilgram, Torsten Steinmetzer: In vitro characterization of trypsin-like serine protease inhibitors with potential antiviral effect, The 7th International Conference on Agricultural and Biological Sciences, 2021
Fedor Z, Szentkirályi-Tóth A, Nagy G, Szimrók Z, Varga E, Pászti A, Pászti Z, Jerzsele Á, Pilgram O, Steinmetzer T, Mátis G, Neogrády Z, Pászti-Gere E.: Interspecies Comparisons of the Effects of Potential Antiviral 3-Amidinophenylalanine Derivatives on Cytochrome P450 1A2 Isoenzyme, Veterinary Sciences, 2022
Pászti-Gere, Erzsébet; Szentkirályi-Tóth, Anna ; Szabó, Pál ; Steinmetzer, Torsten ; Fliszár-Nyúl, Eszter ; Poór, Miklós: In vitro characterization of the furin inhibitor MI-1851: Albumin binding, interaction with cytochrome P450 enzymes and cytotoxicity, BIOMEDICINE & PHARMACOTHERAPY, 2022
Pászti-Gere, Erzsébet; Szentkirályi, Anna; Fedor, Zsófia; Nagy, Gábor; Szimrók, Zoltán; Pászti, Zoltán; Pászti, Anna; Pilgram, Oliver; Steinmetzer, Torsten; Bodnárová, Slávka; Fliszár-Nyúl, Eszter; Poór, Miklós: In vitro interaction of potential antiviral TMPRSS2 inhibitors with human serum albumin and cytochrome P 450 isoenzymes., BIOMEDICINE & PHARMACOTHERAPY, 2022
Bús-Pomothy Judit: Potenciálisan védő hatású anyagok alkalmazhatósága mikotoxinok által károsított bélbarrier épségének fenntartására in vitro modellben, Állatorvostudományi Doktori Iskola, ÁTE, Budapest, 2022
Orsolya Farkas, Nikolett Palkovicsné Pézsa, Dóra Kovács, Erzsébet Pászti-Gere, Bence Rácz: In Vitro Porcine Intestinal Co-Culture Model to Study the Effect of Enterococcus faecium in Escherichia coli and Salmonella Typhimurium Infection, IPC2022, Pozsony, Szlovákia, 2022
Wohlert, A.; Palkovicsné Pézsa, N.; Móritz, A.V.; Jerzsele, Á.; Farkas, O.; Pászti-Gere, E.: Luteolin and Chrysin Could Prevent E. coli Lipopolysaccharide-Ochratoxin A Combination-Caused Inflammation and Oxidative Stress in In Vitro Porcine Intestinal Model, Animals, 2022



Back »