Colonization Resistance: an endogenous barrier against Campylobacter jejuni

Abstract

Colonization resistance (CR) represents a fundamental defense mechanism which the resident microbiota deploy to protect the host from invading enteric bacterial pathogens including Campylobacter jejuni a leading cause of food-borne enteritis worldwide. However, understanding of CR in campylobacteriosis remains incomplete due to the complexity of the intestinal microbiome and the variability across different model systems. To address this, we employed various murine models displaying varying susceptibilities to intestinal colonization by C. jejuni, encompassing a range of microbiota-specific compositions, and a varying degree of microbiome complexity. We investigated pathogen colonization dynamics, microbiota composition, and metabolome signatures that are associated with mice showing CR. Notably, specific pathogen-free (SPF) mice exhibited robust CR against C. jejuni due to their distinctive murine intestinal microbiota, effectively suppressing pathogen proliferation within the gut. Similarly, murine microbiota-associated mice (mma) which were depleted of their microbiota and replenished with murine-specific microbiota demonstrated effective CR. In contrast, secondary abiotic mice (SAB), and human microbiota-associated (hma), were highly susceptible to pathogen colonization, showing the role of murine-specific microbiota in orchestrating CR. Moreover, microbial community analysis revealed that in comparison to hma mice, SPF and mma mice had higher numbers of lactobacilli and Mouse Intestinal Bacteroides, and lower numbers of enterobacteria, enterococci, and clostridia. Metabolomic profiling identified distinct patterns of metabolites in mice with CR, particularly elevated levels of antimicrobial bile acids and fatty acids, and reduced concentrations of amino acids essential for C. jejuni growth. Expanding our research to a gnotobiotic animal model with a defined microbial community, we utilized the OligoMM12 mice. This model, designed to mimic the complex murine microbial community through a defined low-complexity microbiome, demonstrated its applicability beyond Salmonella infections. Unlike SPF mice, OligoMM12 mice were susceptible to C. jejuni infection. 16S rRNA sequencing revealed that C. jejuni colonization did not cause any major shifts in the microbiota composition of these mice. Moreover, targeted metabolome analysis validated our findings from the other models of the specific metabolomic signatures associated with CR against C. jejuni, highlighting the critical roles of nutrient competition and antimicrobial metabolites such as fatty acids and bile acids. In summary, this thesis sheds light on the intricate dynamics of host-microbiota-pathogen interactions, laying the foundation for future research aimed at deciphering the precise mechanisms of CR.

Kolonisationsresistenz (CR) ist ein wesentlicher Abwehrmechanismus der ansässigen Mikrobiota, die den Wirt vor eindringenden bakteriellen Darmpathogenen wie Campylobacter jejuni schützen, einem der weltweit führenden Verursacher lebensmittelbedingter Enteritis. Aufgrund der Komplexität des intestinalen Mikrobioms und der Variabilität verschiedener Modellsysteme ist das Verständnis von CR bei Campylobacteriose jedoch noch lückenhaft. Zur Problemlösung verwendeten wir verschiedene Mausmodelle mit variabler Empfindlichkeit bei einer Besiedlung des Darms mit C. jejuni, einer Reihe von mikrobiota-spezifischen Zusammensetzungen sowie einem unterschiedlichen Grad an Komplexität des Mikrobioms. Wir untersuchten die Dynamik der Erregerbesiedlung, die Zusammensetzung der Mikrobiota und die Metabolom-Signaturen, die mit CR-Mäusen assoziiert sind. Insbesondere spezifisch pathogenfreie (SPF) Mäuse zeigten wegen ihrer ausgeprägten murinen Darmmikrobiota eine robuste CR gegen C. jejuni, die die Vermehrung des Pathogens im Darm effektiv unterdrückt. Ähnlich zeigten Mäuse mit mausassoziierter Mikrobiota (mma), deren Mikrobiota entfernt und mit mma aufgefüllt wurde, eine effektive CR. Im Gegensatz dazu waren sekundäre abiotische Mäuse (SAB) und humane mikrobiota-assoziierte Mäuse (hma) sehr anfällig für die Besiedlung mit Krankheitserregern. Dies betont die Rolle der mma bei der Orchestrierung von CR. Zusätzlich ergab die Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft, dass SPF- und mma-Mäuse im Vergleich zu hma-Mäusen eine höhere Anzahl von Laktobazillen und Mouse Intestinal Bacteroides und eine geringere Anzahl von Enterobakterien, Enterokokken und Clostridien aufwiesen. Bei der Erstellung von Stoffwechselprofilen wurden bei CR-Mäusen unterschiedliche Muster von Metaboliten identifiziert, v.a. erhöhte Werte antimikrobieller Gallen- und Fettsäuren sowie geringere Konzentrationen von für das Wachstum von C. jejuni essenziellen Aminosäuren. Zur Erweiterung unserer Forschung auf ein gnotobiotisches Tiermodell mit einer definierten mikrobiellen Gemeinschaft, nutzten wir OligoMM12-Mäuse, ein Modell, das die komplexe mikrobielle Gemeinschaft von Mäusen durch ein definiertes, niedrig-komplexes Mikrobiom imitieren soll. Im Gegensatz zu SPF-Mäusen waren OligoMM12-Mäuse anfällig für eine Infektion mit C. jejuni. Die 16S rRNA-Sequenzierung ergab bei der Besiedlung mit C. jejuni keine größeren Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota dieser Mäuse. Weiterhin bestätigte eine gezielte Metabolomanalyse unsere Erkenntnisse aus den anderen Modellen über die spezifischen metabolomischen Signaturen, die mit der CR gegen C. jejuni in Verbindung stehen und betonte die tragende Rolle der Nährstoffkonkurrenz und antimikrobieller Metaboliten wie Fett- und Gallensäuren. Zusammenfassend beleuchtet diese Arbeit die komplexe Dynamik der Interaktionen zwischen Wirt, Mikrobiota und Pathogen und legt damit den Grundstein für künftige Forschung zur Entschlüsselung der genauen Mechanismen von CR.