Novel management of Crohn’s disease by dietary manipulation of the gut microbiome: the CD-TREAT diet

Abstract

Background and aims: Diet is strongly associated with the aetiology of Crohn’s Disease (CD). Treatment with exclusive enteral nutrition (EEN) in CD offers a nutritional therapy paradigm that could potentially be replicated by less restrictive dietary therapies, thereby improving compliance and tolerability. The current thesis initially aimed to explore perceptions and beliefs around the use of EEN and alternative novel, solid food-based diets expressed by adult and paediatric patients with CD, previously treated with EEN and their carers. Following that, a personalised food-based diet (CD-TREAT) was designed to replicate EEN composition. Its effect on gut microbiome, gut inflammation and clinical efficacy was assessed using a combination of randomised controlled trial (RCT) in healthy volunteers, animal models, and a pilot trial in children with active CD. Methods: An anonymous questionnaire surveyed adult patients and families of paediatric patients with CD, previously treated with EEN over 1 year. This questionnaire explored participants’ demographic characteristics; acceptability of a repeat EEN course to treat a future flare (EEN repeat); their opinion on how difficult EEN would be compared to an example solid food-based diet; and their intention to participate in a future clinical trial assessing the therapeutic efficacy of a solid food-based diet in CD. Twenty-five healthy adults were randomly assigned to groups that received EEN or CD-TREAT for 7 days, followed by a 14-day washout, and then the diet they had not already received. The CD-TREAT diet was individualised for each participant by research dieticians; it excludes specific dietary components (such as gluten, lactose, alcohol) and matches the EEN in others (macronutrients, vitamins, minerals and fibre) using ordinary food. information on gastrointestinal symptoms and acceptability of the diet were collected. Additionally, faecal samples were collected before and after each experimental diet and changes to gut microbiome and metabolites were assessed using 16S rRNA sequencing and gas and liquid chromatography. Healthy HLA-B7 and HLA-B27 transgenic rats with gut inflammation received EEN, CD-TREAT, or standard chow for 4 weeks. CD-TREAT is a personalised diet which was designed to replicate EEN composition. Gut microbiome composition and metabolic activity was analysed in faeces, luminal content and gut tissue. Gut inflammation was assessed by histopathology and tissue cytokine expression, assessed by levels of mRNAs encoding 5 cytokines. Children (n=5) and adults (n=3) with relapsing luminal CD (weighted paediatric CD activity index [wPCDAI]≥12.5 for children and Harvey Bradsaw index [HBI]≥5) were recruited and treated with an 8-week course of CD-TREAT. Patients were followed up at weeks two, four, and eight; wPCDAI, quality of life (QOL) scores and markers of inflammation in blood, and faecal levels of calprotectin were measured. The primary outcome was clinical response (wPCDAI fall≥17.5 for children; HBI fall≥3 for adults) or clinical remission (wPCDAI<12.5 for children; HBI<5 for adults) at eight weeks. Results: Forty-one families of paediatric CD patients and 10 adult CD patients were approached for the aims of the questionnaire survey with 29 families and 4 adults sending replies (71%, 40% respectively). Most of the participants were positive on completing another EEN course, however the majority would choose a solid food-based dietalternative. Both paediatric and adult patients rated EEN to be more difficult to adhere to compared to an example solid food-based diet, with the ratings of children and their parents being strongly correlated (EEN: r = 0.83, SFD: r = 0.75, p<0.001). The majority of the respondents would agree to participate in a clinical trial assessing the efficacy of a solid food-based diet for the management of active CD. Twenty-five healthy volunteers completed the RCT. CD-TREAT was easier to follow, more filling and palatable than EEN. CD-TREAT induced similar effects to EEN on faecal short chain fatty acids, including acetate, propionate and butyrate, sulphide, pH, and bacterial load. CD-TREAT changed the microbiome and metabolome (p<0.001) in the same direction as EEN. Changes in taxon abundance correlated between EEN and CD-TREAT (R=0.65, p<0.001).Animal experiments replicated the human RCT effects on microbiome, and both EEN and CD-TREAT ameliorated ileitis (mean difference in histopathology scoring, EEN: -1.25, p=0.015; CD-TREAT: -1.0, p=0.044 compared with untreated controls). Expression of inteleukin-6 (IL-6) in ileum was lower (p=0.036) in B27 rats on CD-TREAT than their counterparts on standard chow. From the enrolled CD patients, high compliance rates with the CD-TREAT dietary plan were observed in the paediatric, but not in the adult group. In the group of children, 80% (4/5) clinically responded to CD-TREAT and 60% (3/5) entered clinical remission. Faecal calprotectin decreased by a mean (SEM) of 918 (278) mg/kg or 55% of baseline values. In the adult group 67% (2/3) clinically responded to CD-TREAT and 33% (1/3) entered clinical remission. Faecal calprotectin did not change from baseline. Conclusion: Four distinct multifaceted studies demonstrated that CD-TREAT is more acceptable than EEN, replicates the EEN effect on gut microbiome, ameliorates rat ileitis and improves disease activity and inflammatory markers as induction treatment in paediatric active CD. The high tolerability of CD-TREAT suggests that this personalised, ordinary food-based diet could potentially replace EEN as the nutritional therapy of choice to treat active CD.

Υπόβαθρο και στόχοι: Η διατροφή συνδέεται στενά με την αιτιολογία της νόσου του Crohn (CD). Η θεραπεία με αποκλειστική εντερική διατροφή (ΑΕΔ) σε CD προσφέρει ένα παράδειγμα διατροφικής θεραπείας που θα μπορούσε ενδεχομένως να αναπαραχθεί με λιγότερο περιοριστικές διατροφικές θεραπείες, βελτιώνοντας έτσι τη συμμόρφωση και την ανεκτικότητα. Η παρούσα διατριβή αρχικά στόχευσε να διερευνήσει αντιλήψεις και πεποιθήσεις γύρω από τη χρήση του ΑΕΔ και εναλλακτικών, νέων, βασισμένων στη στερεά τροφή διαιτών από ενήλικες και παιδιατρικούς ασθενείς με CD, που είχαν λάβει προηγούμενη θεραπεία με ΑΕΔ και τους φροντιστές τους. Έπειτα, σχεδιάστηκε μια εξατομικευμένη δίαιτα με βάση στερεά τρόφιμα (CD-TREAT) με παρόμοια διατροφική σύσταση και επίδραση στο εντερικό μικροβίωμα με την ΑΕΔ. Η επίδραση της δίαιτας αυτής στο μικροβίωμα του εντέρου, στη φλεγμονή του εντέρου και στην κλινική αποτελεσματικότητα αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό τυχαιοποιημένων ελεγχόμενων δοκιμών (RCT) σε υγιείς εθελοντές, ζωικά μοντέλα και μια πιλοτική δοκιμή σε παιδιά με ενεργό CD. Μεθοδολογία: Μελέτη Α: Ένα ανώνυμο ερωτηματολόγιο δόθηκε σε ενήλικες ασθενείς και οικογένειες παιδιατρικών ασθενών με CD, οι οποίοι είχαν λάβει προηγούμενη θεραπεία με ΑΕΔ. Αυτό το ερωτηματολόγιο διερεύνησε τα δημογραφικά χαρακτηριστικά των συμμετεχόντων, την αποδοχή της διατρφικής θεραπείας ΑΕΔ για τη θεραπεία μιας μελλοντικής εξάρρωσης, τη γνώμη τους για το πόσο δύσκολο θα ήταν η ΑΕΔ σε σύγκριση με μια δίαιτα που βασίζεται σε στερεά τρόφιμα, και την πρόθεσή τους να συμμετάσχουν σε μια μελλοντική κλινική δοκιμή που θα αξιολογεί τη θεραπευτική αποτελεσματικότητα μιας δίαιτας βασισμένης σε στερεά τρόφιμα σε CD. Μελέτη Β: Είκοσι πέντε υγιείς ενήλικες χωρίστηκαν τυχαία σε ομάδες που έλαβαν ΑΕΔ ή CD-TREAT για 7 ημέρες, ακολουθούμενη από 14 ημέρες wash-out και στη συνέχεια τη δίαιτα που δεν είχαν ήδη λάβει. Η δίαιτα CD-TREAT εξατομικεύτηκε για κάθε συμμετέχοντα από ερευνητές διαιτολόγους, και είναι σχεδιασμένη να αποκλείει συγκεκριμένα διατροφικά συστατικά (όπως γλουτένη, λακτόζη, αλκοόλ), να περικλείει κάποια άλλα που απαντώνται στην ΑΕΔ (μακροθρεπτικά συστατικά, βιταμίνες, μέταλλα και φυτικές ίνες) χρησιμοποιώντας καθημερινά τρόφιμα. Συλλέχθηκαν πληροφορίες σχετικά με τα γαστρεντερικά συμπτώματα και την αποδοχή της δίαιτας. Επιπρόσθετα, συλλέχθηκαν δείγματα κοπράνων πριν και μετά από κάθε πειραματική δίαιτα και οι αλλαγές στο μικροβίωμα και στους μεταβολίτες του εντέρου αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας 16S rRNA sequencing και αέρια και υγρή χρωματογραφία. Μελέτη Γ: Υγιείς διαγονιδιακοί αρουραίοι HLA-B7 και HLA-B27 με φλεγμονή του εντέρου έλαβαν ΑΕΔ, CD-TREAT ή τυπική τροφή για 4 εβδομάδες. Η σύνθεση του μικροβιώματος του εντέρου και η μεταβολική δραστηριότητα αναλύθηκαν στα κόπρανα, το περιεχόμενο του αυλού και τον ιστό του εντέρου. Η φλεγμονή του εντέρου αξιολογήθηκε με ιστοπαθολογία και έκφραση κάποιων κυτοκινών εντερικού ιστού (επίπεδα mRNA). Μελέτη Δ: Παιδιά (n=5) και ενήλικες (n=3) με υποτροπιάζουσα CD (wPCDAI≥12,5 για παιδιά και HBI≥5 γιας ενήλικες) στρατολογήθηκαν και έλαβαν CD-TREAT για 8 εβδομάδες. Οι ασθενείς παρακολουθήθηκαν τις εβδομάδες 2, 4 και 8. Μετρήθηκε η ενεργότητα της νόσου, η ποιότητα ζωής, δείκτες φλεγμονής στο αίμα και επίπεδα καλπροτεκτίνης στα κόπρανα. Η κύρια έκβαση ήταν η κλινική ανταπόκριση (πτώση wPCDAI≥17,5 για παιδιά, πτώση HBI≥3 για ενήλικες) ή κλινική ύφεση (wPCDAI<12,5 για παιδιά, HBI<5 για ενήλικες) στις οκτώ εβδομάδες. Αποτελέσματα: Μελέτη Α: 41 οικογένειες παιδιατρικών ασθενών με CD και 10 ενήλικες ασθενείς με CD προσεγγίστηκαν για τους σκοπούς της έρευνας ερωτηματολογίου με 29 οικογένειες και 4 ενήλικες να απαντούν (71%, 40% αντίστοιχα). Οι περισσότεροι από τους συμμετέχοντες ήταν θετικοί στην ολοκλήρωση μιας επαναληπτικής θεραπείας με ΑΕΔ αν χρειαστεί στο μέλλον, ωστόσο η πλειοψηφία θα επέλεγε μια δίαιτα βασισμένη σε στερεά τρόφιμα ως εναλλακτική λύση. Τόσο οι παιδιατρικοί όσο και οι ενήλικες ασθενείς αξιολόγησαν την ΑΕΔ ως πιο δύσκολη να τηρηθεί σε σύγκριση με ένα παράδειγμα δίαιτας βασισμένης στη στερεά τροφή, με τις αξιολογήσεις των παιδιών και των γονιών τους να συσχετίζονται ισχυρά (ΑΕΔ: r = 0,83, SFD: r = 0,75, p< 0,001). Η πλειονότητα των ερωτηθέντων θα συμφωνούσε να συμμετάσχει σε μια κλινική δοκιμή αξιολόγησης της αποτελεσματικότητας μιας δίαιτας βασισμένης σε στερεά τρόφιμα για τη διαχείριση του ενεργού CD. Μελέτη Β: 25 υγιείς εθελοντές ολοκλήρωσαν το RCT. Η CD-TREAT ήταν πιο εύκολο να ακολουθηθεί, πιο χορταστικό και εύγευστο από την ΑΕΔ. Η CD-TREAT προκάλεσε παρόμοια αποτελέσματα με την ΑΕΔ στα λιπαρά οξέα βραχείας αλυσίδας στα κόπρανα, στο H2S, το pH και το βακτηριακό φορτίο. Η CD-TREAT άλλαξε το μικροβίωμα και το μεταβολισμό (p<0,001) προς την ίδια κατεύθυνση με το ΑΕΔ. Οι αλλαγές στην αφθονία του μικροβιακού πληθυσμού στα κόπρανα συσχετίστηκαν μεταξύ ΑΕΔ και CD-TREAT (R=0,65, p<0,001). Μελέτη Γ: Πειράματα σε ζώα παρουσιάσαν παρόμοιες μικροβιακές επιδράσεις στο εντερικό μικροβίωμα με αυτές της ανθρώπινης RCT αλλά και όφελος στην ειλείτιδα με την χρήση της ΑΕΔ αλλά και της CD-TREAT (μέση διαφορά στην ιστοπαθολογική βαθμολογία, ΑΕΔ: -1,25, p=0,015, CD-TREAT: -1,0, p=0,044 σε σύγκριση με μάρτυρες χωρίς θεραπεία). Η έκφραση της ιντελευκίνης-6 (IL-6) στον ειλεό ήταν χαμηλότερη (ρ=0,036) σε αρουραίους Β27 σε CD-TREAT από τους ομολόγους τους στην τυπική τροφή. Μελέτη Δ: Υψηλά ποσοστά συμμόρφωσης με το διατροφικό πρόγραμμα CD-TREAT παρατηρήθηκαν στην παιδιατρική, αλλά όχι στην ομάδα των ενηλίκων. Στην ομάδα των παιδιών, το 80% (4/5) ανταποκρίθηκε κλινικά στη CD-TREAT και το 60% (3/5) εισήλθε σε κλινική ύφεση. Η καλπροτεκτίνη κοπράνων μειώθηκε κατά μέσο όρο 918 mg/kg ή 55% των τιμών κατά την στρατολόγηση. Στην ομάδα ενηλίκων, το 67% (2/3) ανταποκρίθηκε κλινικά σε CD-TREAT και το 33% (1/3) εισήλθε σε κλινική ύφεση. Η καλπροτεκτίνη των κοπράνων δεν άλλαξε από την αρχική τιμή. Συμπεράσματα: Τέσσερις ξεχωριστές πολύπλευρες μελέτες έδειξαν ότι η CD-TREAT είναι πιο αποδεκτή από την ΑΕΔ, αναπαράγει την επίδραση της ΑΕΔ στο μικροβίωμα του εντέρου, βελτιώνει την ειλεϊτιδα των αρουραίων και βελτιώνει τη δραστηριότητα της νόσου και τους φλεγμονώδεις δείκτες ως θεραπεία επαγωγής στην παιδιατρική ενεργό CD. Η υψηλή ανεκτικότητα της CD-TREAT υποδηλώνει ότι αυτή η εξατομικευμένη δίαιτα με βάση τα τρόφιμα θα μπορούσε δυνητικά να αντικαταστήσει την ΑΕΔ ως τη διατροφική θεραπεία εκλογής για τη θεραπεία του ενεργού CD.