Antibiotic use during pregnancy increases allergic asthma severity in murine offspring: Establishing a causal association and identifying potential mechanisms

Abstract

Introduction: Asthma is a pulmonary disease influenced by both genetics and the environment, that manifests with cough, wheezing and breathing difficulties. Many studies have linked antibiotic use during pregnancy to increased asthma severity in children; however, the underlying mechanisms have not been thoroughly investigated. Objective: This project aims to establish a mouse model to study the impact of prenatal antibiotic exposure on offspring asthma development. Further, we will investigate how the mother-offspring transfer of antibiotic-induced gut microbial dysbiosis influences immune system development and the severity of allergic asthma. Methods: Pregnant mice were treated orally with vancomycin or water (control), then the offspring were subjected to an ovalbumin experimental asthma protocol. Asthma severity was assessed in allergic offspring (bronchoalveolar lavage (BAL) differential cell counts, cytokine and serum antibody measurements, lung histology and airway reactivity). 16sRNA sequencing and gas chromatography were used to longitudinally examine fecal gut microbiome composition and short chain fatty acid concentrations in mothers and offspring. Offspring small intestine, blood and lung were immunophenotyped by flow cytometry, and intestinal inflammation and barrier permeability were assessed (through lipocalin-2, lipopolysaccharide and FITC-Dextran assays). Finally, immunohistochemistry was performed on the maternal intestine during lactation, and breast milk composition was assessed. Results: Asthma phenotype: Allergic offspring from vancomycin treated mothers showed a more severe asthma phenotype than allergic offspring from control mothers (increased: BAL eosinophils, serum total IgG1, OVA IgG1 and OVA IgE, lung inflamma-tion and airway resistance). Microbiota analysis: Maternal vancomycin treatment was associated with gut dysbiosis in mothers and offspring. Gram-negative Bacteroides and Escherichia were enriched, whereas short-chain fatty acid (SCFA) producers Ruminococcus and Clostridium were depleted. This was associated with decreased fecal SCFA concentrations, increased intestinal inflammation in the offspring, compromised gut barrier integrity and lipopolysaccharide dissemination to the circulation. Flow cytometry: Offspring intestinal dysbiosis was associated with an inflammatory ILC3 phenotype in the intestine. Blood from dysbiotic offspring showed increased RORgt+ T helper cell percentages and eosinophils activation, and the lungs also held increased RORgt+ Th cell percentages in early life and after asthma induction. Conclusion: Prenatal antibiotic exposure was associated with gut dysbiosis, decreased SCFA concentrations and inflammation in the gut of suckling mice, leading to disposition of LPS in the serum. This was accompanied by increased RORgt+ Th cell percentages in the blood and lung during early life. We hypothesize that this process contributes to the increased asthma severity seen in our model.

Einleitung: Asthma ist eine sowohl genetisch als auch durch die Umwelt beeinflusste Lungenerkrankung, die sich durch Husten, Keuchen und Atemnot äußert. Der Zusammenhang zwischen der Einnahme von Antibiotika während der Schwangerschaft und dem erhöhten Asthmaschweregrad bei Kindern wurde in vielen Studien vorgeschlagen. Allerdings sind die Mechanismen jedoch noch nicht gründlich untersucht worden. Zielsetzung: Das Ziel in diesem Projekt ist, ein Mausmodell zu etablieren, um die Auswirkungen der pränatalen Antibiotikaexposition auf die Asthmaentwicklung bei Nachkommen zu untersuchen. Außerdem soll die Wirkung der Dysbioseübertragung auf die Immunsystem- und Asthmaentwicklung untersucht werden. Methoden: Trächtige Mäuse wurden mit Vancomycin oder Wasser behandelt, dann wurden die Nachkommen einem Asthma-Protokoll unterzogen. Der Asthmaschweregrad wurde bei Nachkommen ermittelt (durch Die Bestimmung der Leukozytenzahl der bronchoalveoläre Lavage, Zytokin- und Serumantikörpermessungen, Lungenhistologie und bronchiale Hyperreaktivität-Test). RNA-Sequenzierung und Gaschromatographie wurden eingesetzt, um die Darmmikrobiom-Zusammensetzung und die Konzentration kurzkettiger Fettsäuren zu erforschen. Dünndarm, Blut und Lunge der Nachkommen wurden immunphänotypisiert, und die Darmentzündung und das Leaky-Gut wurden untersucht. Schließlich wurde der mütterliche Darm und die Milchzusammensetzung während der Stillzeit untersucht. Ergebnisse: Asthma-Analyse: Pränatal-Antibiotika-Nachkommen zeigten einen schwereren Asthmagrad als Pränatal-Kontrolle-Nachkommen (erhöht: BAL-Eosinophilen, Serum-Gesamt-IgG1, OVA-IgG1 und OVA-IgE, Lungenentzündung und Atemwegswider-stand). Mikrobiota-Analyse: Die Vancomycin-Behandlung war mit einer Darmdysbiose bei Müttern und Nachkommen verbunden. Gram-negative Bacteroides und Escherichia waren angereichert, während die Produzenten kurzkettiger Fettsäuren (SCFA), Ruminococcus und Clostridium, dezimiert waren. Dies ging mit verringerten fäkalen SCFA-Konzentrationen, einer erhöhten Darmentzündung bei den Nachkommen, Leaky-Gut und der Verbreitung von Lipopolysacchariden in den Blutkreislauf einher. Durchflusszytometrie: Die Darmdysbiose der Nachkommen war mit einem entzündlichen ILC3-Phänotyp im Darm verbunden. Das Blut wies einen erhöhten Anteil an RORgt+ T-Helferzellen (Th-Zellen) und eine erhöhte Eosinophilen-Aktivierung auf, und auch in der Lunge war der Anteil an RORgt+ Th-Zellen im frühen Leben und nach der Asthma-Induktion erhöht. Schlussfolgerung: Die pränatale Antibiotikaexposition war mit einer Darmdysbiose, verminderten SCFA-Konzentrationen und Entzündungen im Darm säugender Mäuse verbunden, was zu einer Disposition von LPS im Serum führte. Dies ging mit einem erhöhten Anteil an RORgt+ Th-Zellen im Blut und in der Lunge während des frühen Lebens einher. Wir stellen die Hypothese auf, dass dieser Prozess zu dem in unserem Modell beobachteten erhöhten Schweregrad des Asthmas beiträgt.