Promoting gut decolonization of multi-drug resistant bacteria via the microbiome

Wende, Marie, Marlene, Charlotte

doi:10.24355/dbbs.084-202407311138-0

Published

Promoting gut decolonization of multi-drug resistant bacteria via the microbiome

English
German

The WHO has declared the fight against multi-drug resistant Enterobacteriaceae (MDR-E) a high priority due to the continuously increasing prevalence of MDR-E. Despite many efforts, treatment options for infections with MDR bacteria are still limited and the search for preventive measures has been further intensified. Colonization of the human gut with MDR-E, including MDR E. coli, causes an increased risk of infection and spread to the surrounding environment, which is particularly problematic in the healthcare setting. As a complex microbiota can promote colonization resistance (CR) against invading pathogens and protect against the initial colonization of intestinal pathogens, selective decolonization of MDR-E by probiotics could be an approach to lower the MDR-E burden and thus qualify as an alternative treatment option.
In order to find promising probiotic candidates intended for use in humans, first, a resource of a commensal strain collection of E. coli (n=439) originating from fecal samples of healthy donors was assembled. Next, each member of the strain collection was co-cultured with an MDR E. coli strain in vitro, allowing assessment of their competitive potential. Strikingly, commensal E. coli strains displayed up to 1000-fold different competitive effects. Subsequently, the competitive effects of selected commensal strains were assessed in a mouse model. Selected protective strains promote gut decolonization of the MDR E. coli strain in 80 % of the tested mice, both preventively and therapeutically. By performing colonization experiments of a protective E. coli strain and MDR E. coli in gnotobiotic mice together with the analysis of microbiota in mice with different MDR E. coli clearance kinetics, we could demonstrate that the microbial context plays an essential role in the intra-species competition. As previous studies have demonstrated the importance of competition for carbohydrates between commensal and MDR Enterobacteriaceae for CR, we analyzed the competition for specific carbohydrates in vitro and identified several candidates. Moreover, by supplying sugars preferably utilized by MDR E. coli, clearance in mice could be delayed. Gene targeting and loss-of-function analysis allowed us to show that the two strains are competing for D-mannose. Finally, through a combination of the candidate probiotic strain with another bacterium, previously shown to compete with other MDR-E species, we could demonstrate that further limiting the metabolic niche of MDR-E extends the spectrum of successfully displaced MDR-E bacterial species and strains.
Altogether, these results provide valuable insights into how nutrient competition can be utilized to displace MDR-E from the gut and use this knowledge for the development of alternative treatment options in the fight against MDR-E.

Die WHO hat den Kampf gegen multiresistente Enterobacteriaceae (MDR-E) zu einer hohen Priorität erklärt, da ihre Prävalenz ständig zunimmt. Trotz vieler Bemühungen sind derzeit die Behandlungsmöglichkeiten für Infektionen mit MDR-Bakterien noch sehr begrenzt, weswegen die Suche sich weiter intensiviert hat. Die Besiedlung des menschlichen Darms mit MDR-E, u.a. MDR E. coli, führt zu einem erhöhten Infektionsrisiko des Individuums und einer erhöhten Verbreitung in der Umgebung, was in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen besonders problematisch ist. Eine selektive Dekolonisierung von MDR-E durch Probiotika stellt einen neuartigen Ansatz zur Verringerung der MDR-E-Belastung dar und könnte eine alternative Behandlungsoption bieten.
Um vielversprechende Probiotika-Kandidaten für den Einsatz beim Menschen zu finden, wurde zunächst eine Sammlung kommensaler E. coli Stämme (n=439) aus Stuhlproben gesunder Spender, erstellt. Anschließend wurde ein MDR E. coli Stamm mit jedem Mitglied der Stammsammlung in vitro kultiviert. Die E. coli Stämme zeigten unterschiedlich starke kompetitive Effekte, die sich bis um den Faktor 1000 unterscheiden. Anschließend wurde die schützende Wirkung ausgewählter kommensaler Stämme in einem Mausmodell untersucht. Ausgewählte Stämme mit kompetitiven Eigenschaften konnten den MDR E. coli Stamm in 80 % der getesteten Mäuse verdrängen, sowohl präventiv als auch therapeutisch. Durch Besiedlungsexperimente mit einem schützenden E. coli und einem MDR E. coli Stamm in gnotobiotischen Mäusen und der Mikrobiom-Analyse von Mäusen mit unterschiedlicher MDR E. coli Verdrängungskinetik, konnten wir zeigen, dass der mikrobielle Kontext eine wesentliche Rolle bei der Konkurrenz zwischen den Stämmen spielt. Da Studien die große Bedeutung der Konkurrenz um spezifische Zuckerquellen zwischen kommensalen und MDR Enterobacteriaceae gezeigt haben, haben wir die Konkurrenz um spezifische Kohlenhydrate in vitro analysiert. Darüber hinaus konnte durch die Zufuhr von Zuckern, die vorzugsweise vom MDR E. coli verwertet werden, die schützende Wirkung in Mäusen herabgesetzt werden. Durch „Gen-Targeting“ und „Loss-of-Function“- Analyse konnten wir zeigen, dass die beiden Stämme um D-Mannose konkurrieren. Durch die Kombination des probiotischen Stamms mit einem anderen Bakterium, das mit anderen MDR-E-Spezies konkurriert, konnten wir zeigen, dass eine weitere Einschränkung der metabolischen Nische das Spektrum der Schutzwirkung auf andere MDR-E erweitert. Insgesamt liefern diese Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse darüber, wie die Konkurrenz zwischen Enterobacteriaceae genutzt werden kann, um MDR-E aus dem Darm zu verdrängen und dieses Wissen für die Entwicklung alternativer Behandlungsmöglichkeiten im Kampf gegen MDR-E zu nutzen.