Pseudomonas aeruginosa interactions with its host and with commensal escherichia coli

Abstract

Το ανθρώπινο μικροβίωμα αποτελείται από μικροοργανισμούς που φιλοξενούνται σε διάφορα μέρη του ανθρώπινου σώματος. Περιοχές που έρχονται σε επαφή με το περιβάλλον ή με την καταναλωθέντα τροφή όπως, το δέρμα, το αναπνευστικό σύστημα και ο γαστρεντερικός σωλήνας έχουν διαφορετικές μικροβιακές συνθέσεις. Το ανθρώπινο εντερικό μικροβίωμα είναι το μεγαλύτερο και το πολυπλοκότερο από τα υπόλοιπα και διαδραματίζει κεντρικό ρόλο τόσο στην ομοιόσταση, όσο και στη νόσο. Η έρευνα μας επικεντρώνεται σε βακτηριακές λοιμώξεις, ιδιαίτερα από το ανθρώπινο ευκαιριακό παθογόνο Pseudomonas aeruginosa, που επιδεικνύει αντίσταση σε πολλά αντιβιοτικά. Η μόλυνση της Δροσόφιλας, Drosophila melanogaster, της κοινής μύγας του ξιδιού από το βακτήριο αυτό, προκαλεί υψηλή θνησιμότητα λόγο συστημικής λοίμωξης. Δείξαμε ότι η Δροσόφιλα, μπορεί να προετοιμαστεί έναντι σε μια θανατηφόρα δευτερογενή μόλυνση και να ενεργοποιήσει την ανοσολογική της απάντηση μέσω χημικών και κυτταρικών αποκρίσεων, εάν αρχικά διεγερθεί με χαμηλής παθογονικότητας ή νεκρά Ρ. aeruginosa βακτήρια.Επεκτείναμε τη μελέτη μας, ερευνώντας τη μολυσματικότητα 30 βακτηριακών στελεχών Pseudomonas, με πλήρως αλληλουχημένα γονιδιώματα, σε ζωικά μοντέλα. Ανάλογα με την λοιμοτοξικότητα που παρουσίασαν, τα στελέχη θεωρήθηκαν ‘υψηλά’, 'μέτρια' ή ‘χαμηλά’ σε μολυσματικότητα και χρησιμοποιήθηκαν ως σημεία αναφοράς για περαιτέρω γονιδιωματική και μεταγραφική ανάλυση. Σκοπός μας ήταν, να εντοπίσουμε τους βασικούς μηχανισμούς που σχετίζονται με τη διαφορά στη μολυσματικότητα μεταξύ των στελεχών αυτών, σε μια προσπάθεια να ανακαλύψουμε νέους αντι-μολυσματικούς στόχους. Μελετήσαμε επίσης, αριθμό ανθρώπινων εντερικών βακτηρίων στη Δροσόφιλα και παρατηρήσαμε αρκετές αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Επικεντρωθήκαμε κυρίως, στην αλληλεπίδραση της Ρ. aeruginosa με τον ξενιστή και το Escherichia coli, ένα κοινό βακτήριο του εντέρου των θηλαστικών. Μελετήσαμε την αλληλεπίδραση τους, σε καλλιέργειες αλλά και σε μοντέλα επιμόλυνσης, Δροσόφιλα και ποντίκι, όπου και δείξαμε ότι η Ρ. aeruginosa και το E. coli ανταγωνίζονται άμεσα, μέσω του μηχανισμού διακυτταρικής επικοινωνίας και του μεταβολισμού, αντίστοιχα. Επιπλέον, αναπτύσσοντας ένα μοντέλο επιμόλυνσης Ρ. aeruginosa σε ποντίκια; το οποίο μιμείται την κατάσταση των ανοσοκατεσταλμένων ασθενών, δείξαμε ότι η χρήση αντιβιοτικών εξαλείφει το φυσιολογικό μικροβίωμα του εντέρου συμπεριλαμβανομένου του ενδογενούς E. coli και ευνοεί τη μόλυνση και την παθογένεια του ξενιστή από την Ρ. aeruginosa. Οι διατροφικές συνήθειες, είναι επίσης πολύ σημαντικές για τη διατήρηση της υγιούς μικροχλωρίδας. Συγκεκριμένα, ερευνήσαμε στα ποντίκια το ρόλο τριών ακραίων και συμβατικών τροφών και τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζουν την αλληλεπίδραση των E. coli - P. aeruginosa βακτηρίων. Παρατηρήσαμε ότι, η ζύμωση σακχάρων σε γαλακτικό και οξικό οξύ μέσω της συμβατικής δίαιτας, καθώς και της δίαιτας με βάση το λίπος, βοηθούν το E. coli να αποτρέψει τον αποικισμό του εντέρου των ποντικιών με P. aeruginosa. Αντίστοιχα, η πυοκυανίνη, μια τοξίνη της P. aeruginosa με βακτηριοκτόνες ιδιότητες, μπορεί να αναστείλει την ανάπτυξη του E. coli σε συνθήκες απουσίας σακχάρων. Η ενίσχυση της ζύμωσης του E. coli και τών οξυγαλακτικών βακτηρίων μέσω της χρήσης πρεβιοτικών και προβιοτικών θα μπορούσε να αποτελέσει σημαντική προληπτική πρακτική έναντι των ευκαιριακών ανθρώπινων παθογόνων, όπως το P. aeruginosa. Συλλογικά, η μελέτη μας ανέδειξε νέες αλληλεπιδράσεις ξενιστή-παθογόνου και βακτηρίων επιβεβαιώνοντας την πολυπλοκότητα των βακτηριακών λοιμώξεων και τον ρόλο της διατροφής και της μικροχλωρίδας τόσο στην υγεία, όσο και στην νόσο.

The human microbiome is a collection of microorganisms that live in communities throughout the human body. Areas that are exposed to the environment or consumed food like the skin, respiratory system and the gastrointestinal tract have distinct microbial compositions. The largest and most complex of all bacterial communities resides in the gut, where it plays a pivotal role in homeostasis and disease. Our research focuses on bacterial infections, particularly by the human opportunistic bacterium Pseudomonas aeruginosa. P. aeruginosa is a major nosocomial pathogen and is highly prone to antibiotic resistance.P. aeruginosa infection of the common fruit fly, Drosophila melanogaster, is highly lethal; since, it can evade the hosts defenses and spread systemically. We demonstrated that Drosophila can be primed immunologically by attenuated or dead P. aeruginosa against a lethal secondary infection. This phenomenon was attributed to humoral and cellular immune responses. Increasing evidence corroborate to an immunological memory in invertebrates; we observed a transient protection when primed with dead bacteria that is heavily depended on phagocytosis at the late stages of priming, but also a lasting protection when primed with a persistent low-in-virulence P. aeruginosa. To further study the virulence of Pseudomonas, we examined 30 fully sequenced Pseudomonas strains in animal models. We categorized their pathogenic profiles in 'high', 'medium' and 'low' in pathogenicity as a benchmark for further transcriptomic and genomic investigation. This approach will elucidate the core mechanisms related to difference in P. aeruginosa virulence among strains in an effort to provide novel anti- infective targets. In our study we also assessed an array of human intestinal bacteria in Drosophila and observed many interactions. We focused on the interaction of P. aeruginosa with the host and Escherichia coli, a common commensal. We studied this in culture and in fly and mouse animal models where we showed that P. aeruginosa and E. coli antagonize each other directly using their quorum sensing and metabolism respectively. Moreover, we developed a model of Pseudomonas infection in mice mimicking hospitalized and immunocompromised individuals. Antibiotic use eradicates the normal gut microbiota including commensal E. coli, favoring P. aeruginosa infection and disease, especially during immunodeficiency. Dietary habits are also very important in the maintenance of a healthy microbiome. In our study we investigated the role of three extreme and a conventional diet in mice, and the way they affect E. coli - P. aeruginosa interaction. We found that moderate sugar fermentation to lactic and acetic acid through conventional diet and a fat-based diet assist E. coli in preventing P. aeruginosa colonization in the mouse gut. And vice versa P. aeruginosa pyocyanin, a toxin with bactericidal properties can inhibit the growth of E. coli in the absence of sugars. Boosting fermentation by E. coli and lactic acid bacteria with the use of prebiotics and probiotics could be a meaningful preventive practice against opportunistic human pathogens, such as P. aeruginosa. Collectively, our study identified novel host-pathogen and bacterial interactions that reveal the complexity behind bacterial infections and the role of diet and microbiota in health and disease.