Stroke is the second-leading cause of death worldwide and tremendous efforts are being made to fully characterize the pathophysiology of this disease and to identify new therapeutic targets. Importantly, stroke is associated with a high rate of complications contributing to the worsening of outcome. In the recent years, microbiota, particularly the commensal bacterial population of the gut, gathered attention of neuroscientists. Gut microbiota not only affects the development of the immune system and plays an important role in host metabolic processes, but also contributes to the physiological function of the central nervous system. We hypothesized that gut microbiota may impact the outcome of cerebral ischemia and tested this hypothesis in an experimental stroke model using microbiota-depleted mice after broad-spectrum antibiotic pretreatment. The broad-spectrum antibiotics, implemented in our study, are often used in clinical practice for treating post-stroke infections. We subjected microbiota-depleted C57BL/6J mice with and without continuous antibiotic treatment, microbiota-depleted mice recolonized with conventional microbiota and conventionally colonized animals to experimental stroke (middle cerebral artery occlusion, MCAo) and sham operation. We monitored general health parameters, assessed infarct size using magnetic resonance imaging and histology, investigated intestinal samples histologically and measured main immune parameters. We observed significantly increased mortality in microbiota-depleted MCAo mice when antibiotic treatment was stopped before operation, as compared to sham-operated animals and conventionally colonized mice. All microbiota-depleted animals developed severe colitis. We showed that continuous antibiotic treatment or recolonization with conventional microbiota before surgery prevents the development of this phenotype. We did not find any differences in infarct volumes between either of the investigated groups. In line with previous studies, MCAo animals developed immunosuppression on day 5 after experimental stroke. In summary, this is the first report showing that complex intestinal microbiota protects the host from severe lethal complications after experimental stroke. In this study, we took the advantage of an extreme model of microbiota depletion, nevertheless our results may have direct clinical implications, what needs to be tested in the clinical setting. Antibiotics used in treatment of severe post-stroke pneumonia in combination with post-stroke immunosuppresion may disturb commensal microbiota, as well as host immunological barriers. This in turn may have similar effects, as in the mouse model, but also systemic, proinflammatory and in consequence negative effects on the ischemic brain.
Der Schlaganfall ist die zweithäufigste Todesursache weltweit und enorme Anstrengungen werden unternommen, um die Pathophysiologie dieser Erkrankung besser zu verstehen und um neue therapeutische Ansätze zu entwickeln. Schlaganfälle sind mit einer hohen Rate von Komplikationen verbunden, die zur Verschlechterung der Prognose beitragen. Mikrobiota, besonders die kommensale Bakterienpopulation des Darms, erregte in den letzten Jahren vermehrt die Aufmerksamkeit von Neurowissenschaftlern. Die Darmmikrobiota beteiligt sich nicht nur an der Entwicklung des Immunsystems und spielt eine wichtige Rolle bei den Wirt-Stoffwechselprozessen, sondern trägt auch zu der physiologischen Funktion des zentralen Nervensystems bei. Wir stellten die Hypothese auf, dass Darmmikrobiota einen Einfluss auf die Prognose nach Schlaganfall hat und testeten diese Hypothese in einem experimentellen Modell der zerebralen Ischämie in Mikrobiota-depletierten Mäusen nach Breitspektrum-Antibiotika Vorbehandlung. Die hier verwendeten Antibiotika werden häufig in der klinischen Praxis zur Behandlung von Schlaganfall-assoziierten Infektionen verwendet. Wir unterzogen Mikrobiota-depletierte C57BL/6J Mäuse mit und ohne kontinuierliche Antibiose, Mikrobiota-depletierte Mäuse nach Rekolonisation mit konventioneller Mikrobiota und konventionell kolonisierte Tiere einem experimentellen Schlaganfall (Okklusion der mittleren zerebralen Arterie, MCAo) oder einer sogenannten Sham-Operation. Wir beobachteten den generellen Gesundheitszustand der Tiere, untersuchten die Infarktgröße mittels Magnetresonanztomographie und Histologie, analysierten Darmproben mittels Histologie und bestimmten die Hauptimmunparameter. Wir stellten eine signifikante Erhöhung der Sterblichkeitsrate bei Mikrobiota-depletierten MCAo Mäusen ohne kontinuierliche Antibiose im Vergleich zu Sham-operierten Tieren und konventionell kolonisierten Mäusen fest. Alle Mikrobiota-depletierten Tiere entwickelten eine schwere Colitis. Wir konnten zeigen, dass dieser Phänotyp durch kontinuierliche Antibiose oder Rekolonisation mit konventioneller Mikrobiota vor der Operation verhindert werden kann. Wir fanden keine Unterschiede in den Infarktvolumina zwischen den untersuchten Gruppen. Die MCAo Tiere entwickelten eine Immunsuppression an Tag 5 nach dem experimentellen Schlaganfall, was im Einklang mit früheren Studien steht. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit erstmalig, dass die komplexe Mikrobiota des Darmes vor schweren, tödlichen intestinalen Komplikationen nach experimentellem Schlaganfall schützt. Obwohl für diese Studie zu den Folgen der Mikrobiota-Depletion eine sehr breite, über die normale klinische Praxis hinausgehende Antibiose eingesetzt wurde, haben diese Befunde möglicherweise auch klinische Implikationen, die in klinischen Studien untersucht werden sollten. So könnte die antibiotische Therapie der häufigen, schweren Schlaganfall-assoziierten Pneumonien in Kombination mit der Schlaganfall- induzierten Immundepression sowohl eine Veränderung der Darmmikrobiota als auch der immunologischen Barriere verursachen. Damit können ähnliche Effekte wie im Maus-Modell verbunden sein, aber auch systemische, proinflammatorische und in Konsequenz negative Effekte auf das ischämische Hirn.
