Profiles of the human intestinal microbiota during antibiotic perturbation and resilience

Heinsen, Femke-Anouska

Each human being harbors an individual and quite stable community of microorganisms within the gastrointestinal tract, whereas the highest density can be found in the large intestine. The ability of the microbiota to recover after an external perturbation is referred to as the resilience phenomenon. The aim of this study was the investigation of resilience of the colonic microbiota after a three day course of antibiotic perturbation with paromomycin and a subsequent therapy with probiotic VSL#3 or placebo over a period of 43 days. For this observation 16S rRNA gene libraries of the luminal as well as 16S rRNA and 16S rRNA gene amplicon libraries of the mucosa-associated microbiota were generated and sequenced via sequencing techniques according to the method of Sanger and pyrosequencing, respectively. This enabled the establishment of microbial profiles at different timepoints throughout the whole study. A quantitative real-time PCR was performed additionally. Antibiotic treatment resulted in decrease of richness and diversity within the luminal as well as the present and active mucosa-associated microbiota. This was underlined by a decrease in abundance of Operational Taxonomic Units (OTUs) homologous to Lachnospiraceae, Faecalibacterium and Blautia, which were identified as indicator species. Subsequent resilience was characterised by a complete recovery of richness and diversity of the mucosa-associated microbiota. Diversity of the luminal microbiota was not restored to pretreatment levels until the end of the study. Abundances of OTUs altered due to antibiotc treatment recovered in the course of the study in the luminal as well as the mucosa-associated microbiota. Probiotc VSL#3 had no influence on resilience of diversity and richness. Apart from a significant increase of luminal VSL#3 constituent Streptococcus thermophilus no further changes of microbial profiles were observed in either the luminal or the mucosa-associated microbiota due to probiotic therapy. Probiotic VSL#3 did not result in accelerated resilience of microbial composition after antibiotic perturbation. It must be emphasized that VSL#3 was shown to improve bowel function and symptoms in diseased individuals as well as result in an increase of short chain fatty acids and beneficial effects on molecular level within other studies. VSL#3 is therefore assumed to influence function rather than composition of the colonic microbiota. Future studies should address functional-related questions, thereby elucidating possible mechanisms by which probiotics confer a health benefit to the human host.

Jeder Mensch besitzt eine individuelle und relativ stabile Gemeinschaft von Mikroorganismen innerhalb des Gastrointestinaltraktes, wobei die höchste Dichte innerhalb des Dickdarmes zu finden ist. Die Fähigkeit der Mikrobiota nach einer Schädigung zu regenerieren wird als Resilienz-Phänomen bezeichnet. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Resilienz der humanen Dickdarmmikrobiota nach einer drei-tägigen Perturbation mit dem Antibiotikum Paromomycin und anschließender 43-tägiger Probiotika- oder Plazebobehandlung. Dafür wurden 16S rRNA-Genbibliotheken der luminalen sowie 16S rRNA und 16S rRNA-Gen Amplikonbibliotheken der mukosa-assoziierten Mikrobiota generiert und mittels Sanger- bzw. Pyrosequenzierung analysiert. Dies ermöglichte die Erstellung von mikrobiellen Profilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Studie. Zusätzlich wurde eine quantitative real-time PCR durchgeführt. Die Antibiotikabehandlung resultierte in einer Abnahme des Artenreichtums und der -diversität der luminalen sowie der mukosa-assoziierten Mikrobiota. Dies wurde durch eine Abnahme in der Abundanz von Operational Taxonomic Units (OTUs) mit Homologie zu Lachnospiraceae, Faecalibacterium und Blautia, die auch als Indikator Spezies identifiziert wurden, unterstrichen. Die nachfolgende Resilienz war durch eine vollständige Regeneration von Artenreichtum und -diversität der mukosa-assoziierten Mikrobiota gekennzeichnet. Die Diversität der luminalen Mikrobiota konnte bis zum Ende der Studie das anfänglichen Niveau nicht erreichen. Die durch die Antibiotikagabe veränderten Abundanzen der OTUs der luminalen wie auch der mukosa-assoziierten Mikrobiota erholten sich im Laufe der Studie. Das Probiotikum VSL#3 hatte keinen Einfluss auf die Resilienz von Artenreichtum und -diversität. Außer einem signifikanten Anstieg des im VSL#3 enthaltenen Streptococcus thermophilus im Lumen, konnten keine weiteren Veränderungen in den mikrobiellen Profilen durch die Probiotikagabe beobachtet werden. Das Probiotikum VSL#3 hatte keinen Einfluss auf die Resilienz der mikrobiellen Zusammensetzung nach Antibiotikagabe. Allerdings wurde gezeigt, dass VSL#3 Gabe eine Verbesserung von Darmfunktion und Symptomen bei erkrankten Individuen sowie einen Anstieg von kurzkettigen Fettsäuren und günstige Einflüsse auf molekularer Ebene zur Folge hatte. Daher wird angenommen, dass VSL#3 eher die Funktionen als die Zusammensetzung der Mikrobiota beeinflusst. Zukünftige Studien sollten funktionell bedingte Fragestellungen beantworten, die es ermöglichen die Mechanismen, durch die Probiotika ihre vorteilhafte Wirkung hervorrufen, aufzuklären.

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Heinsen, Femke-Anouska: Profiles of the human intestinal microbiota during antibiotic perturbation and resilience. 2012.

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