Dietary influence on intestinal microbiota and immune responses in mice : roles of high-fat diet and reactive oxygen species (ROS)

Abstract

The gastrointestinal tract harbors trillions of bacteria. Host and microbiota co-evolved in a mutualism relationship with a certain degree of dependency, where the host provides a nutrient-rich environment and benefits from microbiota metabolism. While the intestinal epithelial layer needs to be thin enough to allow the passage of nutrients, it is also the primary defense barrier in the intestine to prevent the passage of undesired material, such as pathogens. The immune system has evolved in the direction to tolerate beneficial bacteria and avoid the overgrowth of harmful ones. A balanced and diverse microbiota, and a continuous interaction with the immune system, are the key to the intestinal homeostasis. Although host genetics and environment are relevant, diet is an obvious modulating factor for microbiota composition and by consequence in regulating the immune response and host metabolism. This thesis presents studies where diet proves to have a relevant effect on microbiota modulation and how microbiota-dependent mechanism affects the host. In paper I, we fed mice with a low-fat diet (LFD) and a high-fat diet (HFD). We performed a long-term experiment; both diets were lacking soluble fibers, to avoid it as a cofounder; we analyzed the small intestine in the different sections, and not as a whole; and we included microbiota sequencing associated with reactive oxygen species (ROS) as part of ours analysis. The microbiota in mice fed HFD shifted towards dysbiosis and the affected gut barrier allowed the passage of bacteria into the lamina propria. We also observed the activation of immune response pathways related to the presence of pathogens, increased production of pro-inflammatory cytokines and increased ROS production along the intestine. Paper II was an extension of the previous study, where mice fed HFD received different dosages of coffee representing low and moderate coffee consumption by humans. Results suggested that coffee attenuates the microbial dysbiosis caused by HFD in a dose-depended matter for some bacterial groups. In fact, moderate coffee group presented a microbiota profile more similar to mice fed LFD. Immune response and ROS production were also ameliorated by coffee, indicating the restoring of the gut barrier. In paper III, we demonstrated that the production of ROS by epithelial cells in ileum plays an important role in the intestinal homeostasis. The number of microbiota in the ileum is larger than in the rest of the small intestine, possibly due to its proximity to the large intestine. In mice deficient in iNOS and NOX1, peroxynitrite production in the ileum was diminished and the bacterial load was increased, with a composition resembling cecum. The ROS production in ileum may therefore be of relevance to prevent bacterial reflux from the large intestine and regulate bacterial community. Lastly, in paper IV, we sought to understand in more detail the role of NOX1 in the colon. Under infection, pro-inflammatory cytokines activate NOX2 to enhance the production of peroxynitrite. However, during low-grade inflammation, it is plausible that NOX1 is the primary source of peroxynitrite. We used a low dose of DSS to induce low-grade inflammation in the colon of wild type mice and mice deficient in NOX1. In the absence of NOX1, we observed a reduced peroxynitrite production, a mildly increased inflammatory response and a microbial profile characteristic of pro-inflammation. We, therefore, propose that NOX1 has a role in shaping the colonic microbiota, which may have a consequence for intestinal health.

Tarmen er vert for trillioner av bakterier. Gjennom evolusjonen har vert og bakterier utviklet seg i et mutualistisk samliv hvor verten bidrar med et næringsrikt miljø og drar nytte av bakterienes metabolisme. Mens tarmepitellaget må være tynt nok til at næringsstoffer kan passere, virker det også som en primær forsvarsbarriere i tarmen for å forhindre passasje av uønskede molekyler og for eksempel patogene bakterier. Immunsystemet har utviklet seg til å tåle gunstige bakterier og unngå overvekst av skadelige. Et balansert og mangfoldig mikrobielt miljø, og en kontinuerlig interaksjon med immunforsvaret, er nøkkelen til en sunn tarm og homeostase. Selv om vertsgenetikk og miljø er relevant, er kosthold en åpenbar modulerende faktor for mikrobiotasammensetning og en utløsende faktor for å regulere immunresponsen og vertsmetabolismen. Denne oppgaven presenterer studier der kosthold viser seg å ha en relevant effekt på mikrobiota-modulering og hvordan mikrobiota-avhengig mekanisme påvirker verten. I artikkel I ble mus matet med en lav-fett diett (LFD) og en høy-fett diett (HFD). Dette var et fôringsforsøk som pågikk i 18 uker; begge diettene manglet løselige fibre for å unngå inklusjon av konfunderende faktorer; vi analyserte tynntarmen i de forskjellige seksjonene, og ikke som en helhet; og vi inkluderte mikrobiotasekvensering assosiert med reaktive oksygenarter (ROS) som en del av vår analyse. Mikrobiotaen hos mus som ble gitt HFD ble forskjøvet mot dysbiose, og den berørte tarmbarrieren tillot passasje av bakterier inn i lamina propria. Det ble også observert aktivering av immunresponsveier relatert til tilstedeværelse av patogen, økt produksjon av pro-inflammatoriske cytokiner og økt ROS-produksjon langs tarmen. Artikkel II var en forlengelse av det studiet beskrevet i artikkel I, der mus som ble fôret med HFD fikk forskjellige doser kaffe som representerte lavt og moderat kaffeforbruk av mennesker. Resultatet antydet at kaffe demper mikrobiell dysbiose forårsaket av HFD noen bakteriegrupper. Gruppen som ble gitt moderat doser resulterte i en mikrobiota-profil mer lik mus på en LFD. Immunrespons og ROS-produksjon ble også forbedret med kaffe, noe som indikerte gjenoppretting av tarmbarrieren. I artikkel III demonstrerte vi at produksjon av ROS epitelceller i ileum spiller en viktig rolle i tarmhomeostasen. Antallet mikrobiota i ileum er større enn i resten av tynntarmen, trolig på grunn av dens nærhet til tykktarmen. Hos mus med mangel på iNOS og NOX1, ble peroksynitrittproduksjonen i ileum redusert og bakteriebelastningen ble økt, med en bakteriell sammensetning som lignet det vi fant i cøkum. ROS-produksjonen i ileum kan derfor være av relevans for å forhindre refluks fra tykktarmen og regulere bakteriesamfunnet. Til slutt, i artikkel IV, prøvde vi å forstå rollen til NOX1 i tykktarm i en tilstand vi karakteriserte som en lavgradig betennelse. Under infeksjon aktiverer pro-inflammatoriske cytokiner NOX2 for å øke produksjonen av peroksynitritt. Ved svak betennelse er det imidlertid sannsynlig at NOX1 er den primære kilden til peroksynitritt. Vi brukte en lav dose med DSS for å indusere lavgradig betennelse i tykktarmen hos villtype-mus og hos mus som var mangelfulle for NOX1. Vi Det ble observerte en endring i peroksynitrittproduksjonen og mangel på en kompensasjonsmekanisme i fravær av NOX1. Mus som manglet NOX1 viste en liten, men økt betennelsesrespons og dysbiotisk mikrobiota-profil.