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Oral delivery of NOD2-activating Lactobacillus peptidoglycans prevents postmenopausal osteoporosis via gut microbiota modulation - 04/02/26

Doi : 10.1016/j.biopha.2026.118976 
Jiseon Kim a, 1, Ok-Jin Park a, 1, Chaeyeon Park a, Yeongkag Kwon a, Cheol-Heui Yun b, c, Seung Hyun Han a,
a Department of Oral Microbiology and Immunology and DRI, School of Dentistry, Seoul National University, Seoul 08826, South Korea 
b Department of Agricultural Biotechnology, and Research Institute of Agriculture and Life Sciences, Seoul National University, Seoul 08826, South Korea 
c Institute of Green Bio Science Technology, Seoul National University, Pyeongchang 25354, South Korea 

Correspondence to: Department of Oral Microbiology and Immunology and DRI, School of Dentistry, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 08826, South Korea. Department of Oral Microbiology and Immunology and DRI, School of Dentistry, Seoul National University 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu Seoul 08826 South Korea

Abstract

Excessive osteoclast activity contributes to osteoporosis, a condition marked by reduced bone density. While certain probiotics have shown potential in enhancing bone mass, the specific bioactive components and their therapeutic efficacy remain unclear. In this study, we isolated peptidoglycans (PGNs) from eleven Lactobacillus species and evaluated their effects on ovariectomized (OVX) mouse models of osteoporosis. Oral administration of PGNs, particularly from Lactiplantibacillus plantarum , Lacticaseibacillus casei , and Lactobacillus ruminis , significantly restored trabecular bone volume in OVX mice. Among them, L. plantarum PGN (Lp.PGN) demonstrated the most potent effect, enhancing bone volume when administered intraperitoneally or intravenously. Histological analysis revealed increased Runx2-positive osteoblasts and reduced TRAP-positive osteoclasts in Lp.PGN-treated mice. Calcein double labeling confirmed enhanced new bone formation. In vitro, Lp.PGN promoted osteoblast mineralization and suppressed osteoclast differentiation in co-culture systems. Notably, Lp.PGN failed to improve bone mass in NOD2-deficient OVX mice, indicating that NOD2 signaling is essential for its osteoprotective effects. Additionally, Lp.PGN reduced pro-inflammatory cytokines and the RANKL/OPG ratio, and modulated gut microbiota composition by decreasing Proteobacteria and increasing Firmicutes, resembling the profile of sham-operated controls. In conclusion, NOD2-activating PGN attenuates bone loss under osteoporotic conditions by increasing osteoblast differentiation and suppressing osteoclast differentiation. Lp.PGN could play an important role in enhancing bone mass through NOD2 signaling, and NOD2 ligands could be considered as postbiotic-based therapeutic agents for the treatment of bone diseases.

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Graphical Abstract




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Highlights

Intragastric administration of most Lactobacillus PGNs increases the bone volume in an OVX-induced osteoporosis mouse model.
Lactobacillus plantarum PGN decreases osteoclast differentiation by downregulating pro-inflammatory cytokines.
L. plantarum PGN increases osteoblast differentiation by upregulating Runx2 expression.
NOD2 is crucial to L. plantarum PGN-induced osteoblast differentiation and bone formation.
Intragastric administration of L. plantarum PGN modulates the gut microbiota in OVX mice.

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Keywords :  Lactobacillus plantarum , Peptidoglycan, NOD2, Osteoporosis, Osteoblast, Osteoclast


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