Role of bacteria and mucosal immune system and their interaction in the pathogenesis of inflammatory bowel disease

• Thesis title in Czech: Úloha bakterií,mukózního imunitního syst=ému a jejich interakce v patogenezi zánětlivých střevních onemocnění
• Thesis title in English: Role of bacteria and mucosal immune system and their interaction in the pathogenesis of inflammatory bowel disease
• Key words: zánětlivé onemocnění střev; dysbiózou; Zárodečné bez myši; mikroflóry; epitel; E-coli; epitel; těsný křižovatka; butyrát, Clostridium tyrobutyricum, konfokální fluorimetrie, dextran sulfát-indukované kolitidy, SCID micehemolysin
• English key words: inflammatory bowel disease; Dysbiosis; Germ-free mice; Microbiota; epithelium; E.coli; epithelium; tight junction; butyrate, Clostridium tyrobutyricum, confocal fluorimetry, dextran sodium sulphate-induced colitis, SCID micehemolysin
• Academic year of topic announcement: 2009/2010
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Cell Biology (31-151)
• Supervisor: Ing. Tomáš Hudcovic, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 12.09.2011
• Date of assignment: 12.09.2011
• Confirmed by Study dept. on: 12.09.2011
• Date and time of defence: 13.02.2017 10:00
• Date of electronic submission: 06.10.2016
• Date of proceeded defence: 13.02.2017
• Opponents: prof. MUDr. Ludmila Prokešová, CSc.

Preliminary scope of work

Etiologie a patogeneze chronického zánětlivého onemocnění střevního traktu (IBD). není doposud zcela jasná. Je obecně přijato tvrzení, že zánět je důsledkem nepřiměřené imunitní reakce na antigeny rezidentní mikrobioty u geneticky citlivých jedinců. U pacientů s IBD dochází ke změnám ve složení střevní mikrobioty, kdy je většinou zvýšen výskyt jednoho druhu bakterie a naopak dochází ke snížení výskytu ostatních bakteriálních druhů. IBD je velmi komplexní onemocnění a pro pochopení jeho vzniku a rozvoje je nutné brat v úvahu také složité interakce mezi genetickými faktory, imunitním systémem, střevní mikrobiotou a životním prostředím. V předkládané dizertační práci jsme se zaměřili na interakci mezi střevní mikrobiotou spojenou s IBD a mukózním imunitním systémem. V gnotobiotickém myším modelu jsme zkoumali schopnost bakterií asociovaných s mukózou (MAB), které byly odebrány od pacientů s aktivním IBD, vyvolat spontánní kolitidu. Byl posuzován vliv těchto bakterií na vznik a vývoj experimentálně vyvolané kolitidy dextran sulfátem sodným (DSS). Spolu s analýzou složení střevní mikrobioty, původně bezmikrobních myší kolonizovaných MAB od IBD pacientů, jsme ukázali, že škodlivé bakterie mají schopnost zvyšovat náchylnost k DSS vyvolané kolitidě. Objasnili jsme mechanismus působení E. coli p 19 A, která se vyskytuje často u IBD pacientů a která díky své hemolytické aktivitě poškozuje integritu střevního epitelu. Zaměřili jsme svou pozornost i na vliv nepatogenní bakterie s probiotickými účinky Clostridium tyrobutyricum. Tato bakterie, produkující butyrát, je klíčovou složkou při udržování homeostázy a zábránila rozvoji DSS kolitidy u myší. Střevní mikrobiota má zásadní vliv na imunitní system a v konečném důsledku i na celkové zdraví jedince. Tato dizertační práce nám umožňuje lépe porozumět bakteriím komunikujícím s imunitním systémem a přináší nové terapeutické možnosti v léčbě IBD.

Preliminary scope of work in English

Although the etiology and pathogenesis of inflammatory bowel disease (IBD) is not fully understood, it is generally accepted that the inflammation results from aberrant immune responses to antigens of gut microbiota in genetically susceptible individuals (Sartor et al., 2006). Alteration in intestinal microbiota has been found in IBD patients with increased abundance of certain bacteria and decreased abundance of others. Due to the complexity of the disease, multifaceted interactions between genetic factors, host immune response, gut microbiota and environment factors need to be taken into account.
In this thesis, the pathogenesis of IBD was first reviewed in respect with the four factors mentioned above. Then we concentrated on the interaction between IBD-associated bacteria and mucosal immune system. We investigated the ability of mucosal-associated bacteria (MAB) from IBD patients to induce spontaneous colitis in germ-free (GF) mice and the impact of those bacteria on the development of dextran sulfate sodium (DSS)-colitis. Together with the analysis of the composition of gut microbiota of MAB colonized mice, we demonstrated the potential deleterious microbes were able to increase the susceptibility to DSS-colitis once they found a suitable niche. We revealed the mechanism of an E.coli strain which were reported to be more frequently isolated from IBD patients to damage the integrity of the intestinal epithelium by its hemolytic activity. Not only focusing on the “bad guys”, we also elucidated the protective effect of the probiotic strain Clostridium tyrobutyricum against acute colitis by promoting the mucosal immune homeostasis and we found butyrate produced by the bacterium as a key component to elicit the anti-inflammatory capacity.
Gut microbiota has a profound impact on immune response with subsequently affecting the total health of a host. This thesis provides us better knowledge of bacteria interacting with the immune system and may bring new insights to treatment of IBD.