The effects of bacterial lysates on the gut barrier function and microbiota composition

• Thesis title in Czech: Vliv bakteriálních komponent v protekci a terapii střevních zánětů
• Thesis title in English: The effects of bacterial lysates on the gut barrier function and microbiota composition
• Key words: bakteriální lyzáty, probiotika, DSS kolitida, zvířecí modely, bezmikrobní zvířata, mikroflóra, idiopatické střevní záněty, kolorektální karcinom
• English key words: bacterial lysates, probiotics, DSS colitis, animal models, germ-free animals, microbiota, inflammatory bowel disease, colorectal carcinoma
• Academic year of topic announcement: 2007/2008
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Cell Biology (31-151)
• Supervisor: prof. MUDr. Helena Tlaskalová - Hogenová, DrSc.
• 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 of electronic submission: 08.10.2012
• Date of proceeded defence: 20.11.2012
• Opponents: prof. MUDr. Ludmila Prokešová, CSc.

Preliminary scope of work

Dynamické molekulární interakce, které neustále probíhají mezi střevní sliznicí a mikroflórou hrají důležitou roli ve vytvoření a následném udržení sližniční homeostázy.
Aberantní odpovědi slizničního imunitního systému na jinak neškodné složky střevní mikroflóry mohou vést ke vzniku mnoha onemocnění jako například nespecifických střevních zánětů. Cílem této práce bylo popsat vliv a schopnost komensálních a probiotických bakterií na vznik patologické nebo naopak zdraví prospěšné reakce hostitele.
Jedním z nejdůležitějších faktorů pro vývoj imunitního systému je kontakt s mikrobiálními komponentami. V této práci ukazujeme, ževe vývoji imunitního systému jedince existuje takzvané časové okno (u myší do tří týdnu), které umožnuje artificiální kolonizaci bezmikrobních myší perorálním podánímjedné dávky střevního obsahu. Kolonizace v pozdějším věku zbůsobí nevratné změny v reaktivitě imunitního systému.
V této práci jsme popsali, že části mrtvých komensálních a probiotických bakterií na jako je například Parabacteroides distasonis (mPd) a L. casei DN-114 001 (Lc) mají protizánětlivý účinek v experimentálním modelu střevního zánětu. Mechanismus působení bakteriálního lyzátu L. casei DN-114 001 je následující a) zlepšuje bariérovou funkci střeva b) upravuje dysbiosu ve střevě a za c) moduluje slizniční imunitní odpověd´. Narozdíl od léčby experimentálního střevního zánětu Lc, léčba mPd vede ke zvýšení titru specifických protilátek v krevním sérum.
Tyto komplexní imunomodulační schopnosti neživých bakteriálních lyzátů mohou vést k vývoji nových terapeutických přístupů pro léčbu chronických střevních zánětů a také poukazují na důležitost při výběru konkrétní bakterie. Navíc orální podávání bakteriálních lyzátů narozdíl od živých bakterií by mohlo být daleko bezpečnejší při léčbě těžce nemocných nebo imunokompromitovaných pacientů.
Dále jsme ukázali, že metabolická aktivita komensálních bakterií ovlivňuje vývoj experimentálně indukovaného kolorektálního karcinomu. Prokázali jsme, že léčba antibiotiky mění zastoupení střevní mikroflóry a tato změna je příčinou protektivního učinku antibiotik na vznik nádoru.
Pochopení vztahu mezi hostitelem a střevní mikroflórou by nám do budoucna mohlo přinést nové poznatky, které by byly využitelné při prevenci a terapii různých onemocnění, jež jsou asociovány s porušením slizniční homeostázy a dysbiozou.

Preliminary scope of work in English

Dynamic molecular interactions between the microbiota and the intestinal mucosa play an important role in the establishment and maintenance of mucosal homeostasis. Aberrant host-microbiota interaction could lead to many diseases such as inflammatory bowel disease. The aim of our study was to evaluate the commensal and probiotic bacteria activities and their ability to induce pathological or exert beneficial effects.
The most important trigger for immune system development is an exposure to microbial components. Here, we show that there is a time window at about three weeks of age, which enables the artificial colonization of germ free mice by a single oral dose of cecal content. The delayed colonization by either inoculation or co-housing causes permanent changes in immune system reactivity, which may downgrade the results of experiments performed on first generation of colonized animals.
In this thesis we report that even non-living commensal bacteria such as Parabacteroides distasonis (mPd) or well known probiotics such as L. casei DN-114 001 (Lc) possess anti-inflammatory effects in experimental model of colitis. The mechanisms that this effect is achieved by the lysate of L. casei DN-114 001 comprise: a) improvement in the gut barrier function, b) correction of the dysbiosis, and c) modulation of the mucosal immune response. Unlike the oral treatment with Lc, mPd leads to increase of specific antibodies in serum.
These complex immunomodulatory properties of bacterial lysates may lead to the development of new therapeutic approaches for treatment of chronic intestinal inflammation and also highlight the importance of individualizing and characterizing the potential capacity of bacteria as immunomodulatory agents. Moreover, oral administration of sterile bacteria, in contrast to living bacteria, may be safer in severely ill or immunocompromised patients.
Next, we demonstrated that metabolic activity of certain commensal microbes substantially influences the process of colitis associated cancer. We showed that antibiotic treatment changes the microbiota composition, and that this change is responsible for the beneficial effect on tumorigenesis.
Therefore, understanding this host-microbiota crosstalk could bring new strategies in therapy and prevention of specific disorders associated with intestinal dysbiosis and disruption of mucosal homeostasis.