Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Einfluss von intestinaler Mikrobiota auf die chronisch entzündliche Darmerkrankung im Interleukin-10 defizienten Mausmodell

Bolsega, Silvia

The human intestine is habitat to a complex community of bacteria that are engaged in a symbiotic interaction with the host. The intestinal microbiota is influencing metabolic processes, the host`s immune system and components of the intestinal barrier (CERF-BENSUSSAN u. GABORIAU-ROUTHIAU 2010). Furthermore, changes in bacterial composition have been associated with the development of multiple disorders such as inflammatory bowel disease (IBD). Even though the exact mechanism driving IBD development is not yet known, the intestinal microbiota was identified to play a crucial role in its development (XAVIER u. PODOLSKY 2007). However, the functional and causal microbe-host interactions are difficult to address due to high microbiome complexity and individual variance (QIN et al. 2010). Therefore, to determine how specific composition of intestinal microbiota influences the onset of colitis in a susceptible host, we utilized a gnotobiotic interleukin-10 deficient (Il10-/-) mouse model. In this model experimental IBD was reduced to three defined factors: minimal microbiota, susceptible host and virus infection as an environmental trigger.   Il10-/- mice colonized with Oligo-Mouse-Microbiota (OMM) developed mild histopathological changes in the colon. In gnotobiotic mice carrying Altered Schaedler Flora (ASF) physiological gut morphology was predominantly observed. Furthermore, MNV infection did not exacerbate the mild colitis phenotype of mice colonized with OMM. However, MNV triggered moderate intestinal inflammation in mice carrying ASF. Interestingly, co-colonization with segmented filamentous bacteria (SFB) abolished signs of colitis only in mice associated with ASF. SFB mediated protective effect in the chronic and acute phase of MNV infection was associated with enhanced immune response and strengthened intestinal barrier including increased expression of tight junctions, mucus and antimicrobial peptides. In conclusion, the colitogenic effect of MNV depended on the presence of specific representatives of intestinal microbiota.   Furthermore, we aimed to identify additional microbial candidates associated with the development and severity of IBD. Therefore, analyses of histopathological changes and 16S rRNA gene sequencing were performed in Il10-/- mice of different husbandry. Our study showed that the abundance of bacterial species depended on environmental conditions and this affected the phenotype of colitis. In this context, the presence of Lachnospiraceae in Il10-/- mice was associated with a protective effect, whereas the dominant abundance of Bacteroidales and Verrucomicrobiaceae was linked with a detrimental effect.   Altogether, our results showed that the development of IBD could be modulated by the specific composition of the intestinal microbiota. Moreover, changes in the presence of specific bacterial species may have a powerful impact on the host`s health.

Die intestinale Mikrobiota eines gesunden Menschen steht in einem symbiotischen Verhältnis zum Wirt und beeinflusst die metabolischen Vorgänge des Individuums, das wirtseigene Immunsystem und die Komponenten der Darmbarriere (CERF-BENSUSSAN u. GABORIAU-ROUTHIAU 2010). Aufgrund dessen können Veränderungen in der Spezies-spezifischen Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota mit der Entstehung diverser multifaktorieller Erkrankungen wie chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED) in Verbindung gebracht werden. Die Ätiologie der CED konnte bisher nicht vollständig aufgeklärt werden, es gilt jedoch als bewiesen, dass die Pathogenese aus einer komplexen Interaktion zwischen genetischen Prädispositionen, krankheitsbegünstigenden Umweltfaktoren sowie der Zusammensetzung des intestinalen Mikrobioms resultiert (XAVIER u. PODOLSKY 2007). Das Ziel dieser Doktorarbeit war es daher, die kausalen Zusammenhänge zwischen der Spezies-spezifischen Konstellation der Darmmikrobiota und der Induktion der CED in einem suszeptiblen Wirt näher zu charakterisieren. Die Problematik der Mikrobiom-Studien besteht in der hohen Komplexität sowie der interindividuellen Varianz bezüglich der bakteriellen Kolonisation (QIN et al. 2010). Aufgrund dessen wurde in dieser Studie die experimentelle CED durch den Einsatz eines gnotobiotischen Interleukin-10 defizienten (Il10-/-) Mausmodells auf drei definierte Einflussfaktoren reduziert. Die Auswirkungen von unterschiedlichen Minimalkonsortien (Altered Schaedler Flora, ASF und Oligo-Mouse-Microbiota, OMM) auf die durch das Murine Norovirus (MNV) induzierte Colitis sollte hierbei miteinander verglichen werden. Der alleinige Einfluss der definierten Mikrobiota verursachte in OMM-kolonisierten Il10-/- Mäusen ggr. histopathologische Veränderungen, wohingegen ASF-assoziierte Gnotobioten überwiegend physiologisches Darmgewebe aufwiesen. Die Infektion mit MNV zeigte in Tieren mit OMM-Konsortium keinen colitogenen Effekt, jedoch induzierte das Virus in ASF-kolonisierten Mäusen inflammatorische Läsionen im proximalen Kolon. Interessanterweise wurden die inflammatorischen Gewebsschäden durch die Co-Kolonisation der ASF-assoziierten Mäuse mit segmentierten fadenförmigen Bakterien (SFB) aufgehoben. Die Präsenz der SFB wirkte sich protektiv auf die akute sowie die chronische MNV-Infektionsphase aus, indem zum einen eine proinflammatorische als auch eine regulatorische Immunantwort ausgelöst wurde. Zum anderen induzierte die Co-Kolonisation mit SFB in ASF-assoziierten Gnotobioten die Stärkung der epithelialen Barriere durch die Zunahme der Integrität des Epitheliums sowie die erhöhte Produktion von Mukus und antimikrobiellen Peptiden. Folglich hängt der colitogene Effekt des MNV von der Spezies-spezifischen Zusammensetzung der Mikrobiota ab.   Um weitere potenzielle Bakterienspezies mit der Pathogenese der CED in Verbindung zu bringen, wurde im zweiten Teil dieser Doktorarbeit der Einfluss einer komplexen Mikrobiota auf die Entstehung und den Schweregrad einer spontan entwickelten Darmentzündung in Il10-/- Mäusen aus unterschiedlichen Hygienebarrieren analysiert. Die Untersuchungen demonstrierten, dass die Spezies-spezifische Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota stark vom haltungsbedingten mikrobiellen Umfeld beeinflusst wurde und großen Einfluss auf den Schweregrad der entwickelten Colitis ausübte. Die Präsenz von Lachnospiraceae im Verdauungstrakt wirkte sich dabei positiv auf die Entstehung und den Verlauf einer Darmentzündung aus. Eine dominierende Abundanz von Bacteroidales und Verrucomicrobiaceae, bei gleichzeitiger Reduktion der protektiven Bakteriengattungen, übte hingegen einen proinflammatorischen Effekt aus.   Zusammenfassend zeigten die Untersuchungen dieser Doktorarbeit, dass die Spezies-spezifische Konstellation der intestinalen Mikrobiota die Pathogenese von CED entscheidend beeinflusst, da geringe Veränderungen der bakteriellen Zusammensetzung bereits erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit des Individuums haben können.

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Bolsega, Silvia: Einfluss von intestinaler Mikrobiota auf die chronisch entzündliche Darmerkrankung im Interleukin-10 defizienten Mausmodell. Hannover 2018. Tierärztliche Hochschule.

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