The potential role of tap water bacteria in inflammatory bowel disease

Abstract

Microbial dysbiosis is implicated to play a substantial part in several pathophysiological processes, and one disease receiving great attention in recent years owing to its affiliation with an abnormal microbial state of the gut is inflammatory bowel disease. Being a multifactorial disease, other factors implicated to contribute to its commence include genetics, components of the immune system and environmental factors. Albeit suggestions of tap water serving as an environmental trigger in the aetiology of IBD has been made, its potential impact on the gastrointestinal microbiota remains an untouched area of investigation. Thus, in this study we sought to investigate associations of tap water on the microbiota of gastrointestinal mucosa that could substantiate research conducted to unveil environmental and microbial factors contributing to the onset and/or maintenance of this disease. A total of 426 biopsies and 227 water samples retrieved from 129 and 223 patients respectively, served as material for analysis, and included both adult and pediatric patients from Norwegian IBD and control cohorts. The V3-V4 region of the 16S ribosomal ribonucleic acid gene was amplified using a nested approached to polymerase chain reaction, and sequenced by use of the Illumina MiSeq sequencing platform. Our findings exposed significant associations between tap water and biopsies with respect to an operational taxonomic unit belonging to Enterobacteriaceae at a p-value of 0,016 using Fisher exact as statistical approach. We further disclosed highly significant increases of the same OTU in pediatric IBD sufferers, especially in the ulcerative colitis cohort compared to cohorts of both age groups. This gave a p-value <0,05 when pairwise comparisons with the Conover-Inman method was employed on the median percentagewise prevalence of this OTU. Further analysis by Conover-Inman test also revealed augmented levels of this OTU in biopsies of inflamed origin compared to biopsies of normal state at a p-value of 0,000. Thus, our results serve as important contributors to research on the environmental aspects of IBD, and also with respect to the role of Enterobacteriaceae as a potential microbial key player in the onset and/or maintenance of this disease.

Mikrobiell dysbiose er implisert å spille en vesentlig rolle i flere patofysiologiske prosesser, og en sykdom som de senere år har mottatt stor oppmerksomhet på grunn av sin assosiasjon med anormale mikrobielle forhold i tarmen er inflammatorisk tarmsykdom. Som en multifaktoriell sykdom, antas det at også genetikk, immunologiske komponenter og miljøpåvirkninger medvirker til dens oppblomstring. På tross av forslag om drikkevann som en mulig miljøtrigger i etiologien av IBD, er dens påvirkning på gastrointestinal mikrobiota forblitt et relativt urørt forskningsområde. Derfor ønsket vi i denne studien å undersøke sammenhenger mellom drikkevann og den gastrointestinale mikrobiotaen i mukosa, og bidra med avdekkingen av miljømessige og mikrobielle faktorer som kan medvirke til oppblomstringen og/eller opprettholdelsen av denne sykdommen. Totalt 426 biopsier og 227 vannprøver fra 129 og 223 pasienter ble benyttet som analysemateriale og inkluderte prøver fra både voksne og barn fra en norsk IBD og kontroll kohort. V3-V4 regionen av 16S rRNA genet ble amplifisert ved å bruke en nestet tilnærming til polymerase kjedereaksjon, og sekvensert ved å bruke Illumina MiSeq som sekvensplattform. Vi avdekket signifikante sammenhenger mellom drikkevann og biopsier når det kom til en operasjonell taksonomisk enhet tilhørende Enterobacteriaceae med en p-verdi på 0,016 når Fisher exact ble benyttet som statistisk tilnærming. Vi fant og signifikante økninger av den samme OTUen i barn med IBD, da spesielt i ulcerøs kolitt kohorten sammenlignet med kohorter av begge aldersgrupper. Dette viste en p-verdi <0,05 når parvise sammenligninger med Conover-Inman av medianen av denne OTUens prosentvis prevalens ble benyttet. Videre analyse med Conover-Inman avdekket og økte mengder av denne OTUen i inflammert vev sammenlignet med normalt vev med en p-verdi på 0,000. Våre resultater utgjør dermed viktige bidrag i forskningen på det miljømessige aspektet av IBD, og også i forskning som omhandler Enterobacteriaceae som en potensiell nøkkelbakterie i oppblomstringen og/eller opprettholdelsen av denne sykdommen.