Experimental models to study intestinal microbes-mucus interactions in health and disease

A close symbiotic relationship exists between the intestinal microbiota and its host. A critical component of gut homeostasis is the presence of a mucus layer covering the gastrointestinal tract. Mucus is a viscoelastic gel at the interface between the luminal content and the host tissue that provides a habitat to the gut microbiota and protects the intestinal epithelium. The review starts by setting up the biological context underpinning the need for experimental models to study gut bacteria-mucus interactions in the digestive environment. We provide an overview of the structure and function of intestinal mucus and mucins, their interactions with intestinal bacteria (including commensal, probiotics and pathogenic microorganisms) and their role in modulating health and disease states. We then describe the characteristics and potentials of experimental models currently available to study the mechanisms underpinning the interaction of mucus with gut microbes, including in vitro, ex vivo and in vivo models. We then discuss the limitations and challenges facing this field of research

Modulation par les fibres alimentaires et le mucus intestinal de la pathogénicité des Escherichia coli entérotoxinogènes (ETEC)

The human digestive tract is a key player at the boundary between the external environment and the host. At the interface between the digestive lumen and the intestinal epithelium, the mucus layer, a complex viscoelastic adherent secretion, acts as a major modulator of human health. In order to reach the intestinal cells and/or colonize, several enteric pathogens have to interact with and get through this physical, chemical and biological line of defense. Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC), the main pathogenic agent of travelers’ diarrhea, does not escape this rule. To fulfil its infection cycle, ETEC is equipped with an arsenal of adhesins and mucinases allowing cellular adhesion and mucus degradation, respectively. These colonization mechanisms facilitate the production and release of heat labile (LT) and/or heat-stable (ST) enterotoxins, ultimately responsible for cholera-like watery diarrhea. To date the treatment of ETEC infection remains mainly symptomatic with a frequent use of antibiotics. Given the global burden of antibiotic resistance and its negative impact on human health, it is urgent to find new preventive strategies against these infections. Among the candidates, dietary fibers have been recently investigated for their antagonistic properties against enteric pathogens. A low number of studies has suggested that they may act through various means: (i) direct antagonism (bacteriostatic effect, inhibition of cell adhesion and toxin production) or (ii) indirect antagonism via modulation of gut microbiota composition/activity or decoy of resident gut microbes from mucus layer consumption. In this context, this joint doctoral research work between Ghent University (Belgium) and Université Clermont Auvergne (France) aimed to (1) unravel how the mucus compartment can modulate the prototypical ETEC strain H10407 survival and virulence, and (2) decipher if dietary fiber-containing products could present ETEC anti-infectious properties, notably by preventing ETEC-mucus interactions. In the first axis, we confirmed the prototypical ETEC strain H10407 adhesion propensity for the intestinal mucus by using different simple in vitro approaches. The introduction of mucin secretion and physical surface in the dynamic TIM-1 digestive model showed that mucus could favor ETEC survival during gastrointestinal passage without significantly affecting its virulence. However, when reaching the host intestinal cells simulated by mucus-secreting Caco-2/HT29-MTX co-culture, ETEC virulence gene expression was significantly induced confirming that the host is a key driver of pathogen’s virulence. When simulating the complex microbial background of the human gut, mucin addition did not impact significantly ETEC survival, but we showed that the mucosal compartment was colonized by a specific microbiota particularly affected by ETEC. In the second axis, a screening program was first performed to select among 8 fiber candidates from cereals, legumes or microbes the two most relevant based on their anti-infectious properties against ETEC strain H10407, namely a lentil fiber extract and specific yeast cell walls from Saccharomyces cerevisiae. In-depth investigations indicated that the lentil extract reduced LT toxin concentration while the yeast product decreased ETEC adhesion to the mucus secreting co-culture model. Also, in cell assays, both lentils and yeast fiber products were able to modulate ETEC virulence gene expression and innate immune response induction. Mainly yeast cell walls were able to strengthen intestinal barrier function. Finally, in batch experiments with fecal microbiota, we reported that the yeast product supported the prevalence of some phylogroups as Parabacteroides or commensal E. coli, which could be of interest in traveler’s diarrhea prevention. (...)Le tube digestif humain est un acteur clé à la frontière entre l'environnement externe et l'hôte. À l'interface entre la lumière digestive et l'épithélium intestinal, la couche de mucus, une sécrétion viscoélastique complexe et adhérente, agit comme un modulateur majeur de la santé humaine. Afin d'atteindre les cellules intestinales et/ou de les coloniser, plusieurs agents pathogènes entériques doivent interagir avec cette ligne de défense physique, chimique et biologique et la traverser. L’Escherichia coli entérotoxinogène (ETEC), principal agent pathogène de la diarrhée du voyageur, n'échappe pas à cette règle. Pour accomplir son cycle infectieux, l’ETEC est équipé d'un arsenal d'adhésines et de mucinases permettant respectivement d’adhérer à et de dégrader le mucus. Ces mécanismes de colonisation facilitent la production et la libération des entérotoxines thermolabile (LT) et/ou thermostable (ST), responsables in fine de la diarrhée aqueuse de type cholérique. À ce jour, le traitement des infections à ETEC reste principalement symptomatique avec un recours fréquent aux antibiotiques. Compte tenu du poids mondial de la résistance aux antibiotiques et de son impact négatif sur la santé humaine, il est urgent de trouver de nouvelles stratégies préventives. Parmi les candidats, les fibres alimentaires ont été récemment étudiées pour leurs propriétés antagonistes contre des agents pathogènes entériques. Des études ont suggéré qu'elles peuvent agir par différents moyens : (i) antagonisme direct (effet bactériostatique, inhibition de l'adhésion cellulaire et de la production de toxines) ou (ii) antagonisme indirect notamment via la modulation de la composition/activité du microbiote intestinal ou l’inhibition de la dégradation du mucus par les microorganismes résidents. Dans ce contexte, ce travail de recherche doctorale conjoint entre l'Université de Gand (Belgique) et l'Université Clermont Auvergne (France) visait à (1) élucider comment le compartiment du mucus peut moduler la survie et la virulence de la souche prototypique ETEC H10407, et (2) étudier si des produits contenant des fibres alimentaires pourraient présenter des propriétés anti-infectieuses pour ETEC, notamment en empêchant les interactions ETEC-mucus. Dans le premier axe, nous avons confirmé la propension à l'adhésion de la souche prototypique d’ETEC H10407 pour le mucus intestinal en utilisant différentes approches simples in vitro. L'introduction d’une sécrétion de mucine et d’une matrice de mucus solide dans le modèle digestif dynamique TIM-1 a montré que le mucus pouvait favoriser la survie des ETEC lors du passage gastro-intestinal sans affecter significativement leur virulence. En revanche, lorsque la souche H10407 adhère sur des cellules intestinales de l'hôte simulées par la co-culture Caco-2/HT29-MTX sécrétant du mucus, l'expression des gènes de virulence est significativement induite. Ceci confirme que l'hôte est un facteur clé de la virulence du pathogène. Lors d’expériences de batch fermentaire simulant les interactions pathogènes-microbiote, l'ajout de mucine n'a pas eu d'impact significatif sur la survie de ETEC, mais nous avons montré que le compartiment muqueux était colonisé par un microbiote spécifique particulièrement affecté par l’infection. Dans le deuxième axe, un programme de criblage a d'abord été réalisé pour sélectionner parmi 8 produit contenant des fibres les deux plus à même d’exercer des propriétés anti-infectieuses contre la souche ETEC H10407. Ont été sélectionnés un extrait de fibre de lentilles et un extrait de parois de levure Saccharomyces cerevisiae. Des études approfondies ont indiqué que l'extrait de lentilles réduisait la concentration de toxine LT tandis que les parois de levure diminuaient l'adhésion des ETEC au modèle de co-culture sécrétant du mucus. (...

Modulation par les fibres alimentaires et le mucus intestinal de la pathogénicité des Escherichia coli entérotoxinogènes (ETEC)

Le tube digestif humain est un acteur clé à la frontière entre l'environnement externe et l'hôte. À l'interface entre la lumière digestive et l'épithélium intestinal, la couche de mucus, une sécrétion viscoélastique complexe et adhérente, agit comme un modulateur majeur de la santé humaine. Afin d'atteindre les cellules intestinales et/ou de les coloniser, plusieurs agents pathogènes entériques doivent interagir avec cette ligne de défense physique, chimique et biologique et la traverser. L’Escherichia coli entérotoxinogène (ETEC), principal agent pathogène de la diarrhée du voyageur, n'échappe pas à cette règle. Pour accomplir son cycle infectieux, l’ETEC est équipé d'un arsenal d'adhésines et de mucinases permettant respectivement d’adhérer à et de dégrader le mucus. Ces mécanismes de colonisation facilitent la production et la libération des entérotoxines thermolabile (LT) et/ou thermostable (ST), responsables in fine de la diarrhée aqueuse de type cholérique. À ce jour, le traitement des infections à ETEC reste principalement symptomatique avec un recours fréquent aux antibiotiques. Compte tenu du poids mondial de la résistance aux antibiotiques et de son impact négatif sur la santé humaine, il est urgent de trouver de nouvelles stratégies préventives. Parmi les candidats, les fibres alimentaires ont été récemment étudiées pour leurs propriétés antagonistes contre des agents pathogènes entériques. Des études ont suggéré qu'elles peuvent agir par différents moyens : (i) antagonisme direct (effet bactériostatique, inhibition de l'adhésion cellulaire et de la production de toxines) ou (ii) antagonisme indirect notamment via la modulation de la composition/activité du microbiote intestinal ou l’inhibition de la dégradation du mucus par les microorganismes résidents. Dans ce contexte, ce travail de recherche doctorale conjoint entre l'Université de Gand (Belgique) et l'Université Clermont Auvergne (France) visait à (1) élucider comment le compartiment du mucus peut moduler la survie et la virulence de la souche prototypique ETEC H10407, et (2) étudier si des produits contenant des fibres alimentaires pourraient présenter des propriétés anti-infectieuses pour ETEC, notamment en empêchant les interactions ETEC-mucus. Dans le premier axe, nous avons confirmé la propension à l'adhésion de la souche prototypique d’ETEC H10407 pour le mucus intestinal en utilisant différentes approches simples in vitro. L'introduction d’une sécrétion de mucine et d’une matrice de mucus solide dans le modèle digestif dynamique TIM-1 a montré que le mucus pouvait favoriser la survie des ETEC lors du passage gastro-intestinal sans affecter significativement leur virulence. En revanche, lorsque la souche H10407 adhère sur des cellules intestinales de l'hôte simulées par la co-culture Caco-2/HT29-MTX sécrétant du mucus, l'expression des gènes de virulence est significativement induite. Ceci confirme que l'hôte est un facteur clé de la virulence du pathogène. Lors d’expériences de batch fermentaire simulant les interactions pathogènes-microbiote, l'ajout de mucine n'a pas eu d'impact significatif sur la survie de ETEC, mais nous avons montré que le compartiment muqueux était colonisé par un microbiote spécifique particulièrement affecté par l’infection. Dans le deuxième axe, un programme de criblage a d'abord été réalisé pour sélectionner parmi 8 produit contenant des fibres les deux plus à même d’exercer des propriétés anti-infectieuses contre la souche ETEC H10407. Ont été sélectionnés un extrait de fibre de lentilles et un extrait de parois de levure Saccharomyces cerevisiae. Des études approfondies ont indiqué que l'extrait de lentilles réduisait la concentration de toxine LT tandis que les parois de levure diminuaient l'adhésion des ETEC au modèle de co-culture sécrétant du mucus. (...)The human digestive tract is a key player at the boundary between the external environment and the host. At the interface between the digestive lumen and the intestinal epithelium, the mucus layer, a complex viscoelastic adherent secretion, acts as a major modulator of human health. In order to reach the intestinal cells and/or colonize, several enteric pathogens have to interact with and get through this physical, chemical and biological line of defense. Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC), the main pathogenic agent of travelers’ diarrhea, does not escape this rule. To fulfil its infection cycle, ETEC is equipped with an arsenal of adhesins and mucinases allowing cellular adhesion and mucus degradation, respectively. These colonization mechanisms facilitate the production and release of heat labile (LT) and/or heat-stable (ST) enterotoxins, ultimately responsible for cholera-like watery diarrhea. To date the treatment of ETEC infection remains mainly symptomatic with a frequent use of antibiotics. Given the global burden of antibiotic resistance and its negative impact on human health, it is urgent to find new preventive strategies against these infections. Among the candidates, dietary fibers have been recently investigated for their antagonistic properties against enteric pathogens. A low number of studies has suggested that they may act through various means: (i) direct antagonism (bacteriostatic effect, inhibition of cell adhesion and toxin production) or (ii) indirect antagonism via modulation of gut microbiota composition/activity or decoy of resident gut microbes from mucus layer consumption. In this context, this joint doctoral research work between Ghent University (Belgium) and Université Clermont Auvergne (France) aimed to (1) unravel how the mucus compartment can modulate the prototypical ETEC strain H10407 survival and virulence, and (2) decipher if dietary fiber-containing products could present ETEC anti-infectious properties, notably by preventing ETEC-mucus interactions. In the first axis, we confirmed the prototypical ETEC strain H10407 adhesion propensity for the intestinal mucus by using different simple in vitro approaches. The introduction of mucin secretion and physical surface in the dynamic TIM-1 digestive model showed that mucus could favor ETEC survival during gastrointestinal passage without significantly affecting its virulence. However, when reaching the host intestinal cells simulated by mucus-secreting Caco-2/HT29-MTX co-culture, ETEC virulence gene expression was significantly induced confirming that the host is a key driver of pathogen’s virulence. When simulating the complex microbial background of the human gut, mucin addition did not impact significantly ETEC survival, but we showed that the mucosal compartment was colonized by a specific microbiota particularly affected by ETEC. In the second axis, a screening program was first performed to select among 8 fiber candidates from cereals, legumes or microbes the two most relevant based on their anti-infectious properties against ETEC strain H10407, namely a lentil fiber extract and specific yeast cell walls from Saccharomyces cerevisiae. In-depth investigations indicated that the lentil extract reduced LT toxin concentration while the yeast product decreased ETEC adhesion to the mucus secreting co-culture model. Also, in cell assays, both lentils and yeast fiber products were able to modulate ETEC virulence gene expression and innate immune response induction. Mainly yeast cell walls were able to strengthen intestinal barrier function. Finally, in batch experiments with fecal microbiota, we reported that the yeast product supported the prevalence of some phylogroups as Parabacteroides or commensal E. coli, which could be of interest in traveler’s diarrhea prevention. (...

Propriétés modulatrices des fibres alimentaires et rôle du mucus intestinal sur la pathogénicité d’Escherichia coli entérotoxinogène (ETEC)

The human digestive tract is a key player at the boundary between the external milieu and the host. At the interface between the digestive lumen and the intestinal epithelium, the mucus layer, a complex viscoelastic adherent secretion, acts as a major modulator of human health. In order to reach the intestinal cells and/or colonize, several enteric pathogens have to interact with and get through this physical, chemical and biological line of defense. Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC), the main pathogenic agent of travelers’ diarrhea, does not escape this rule. To fulfil its infection cycle, ETEC is equipped with an arsenal of adhesins and mucinases allowing cellular adhesion and mucus degradation, respectively. These colonization mechanisms facilitate the production and release of heat labile (LT) and/or heat-stable (ST) enterotoxins, ultimately responsible for cholera-like watery diarrhea. To date the treatment of ETEC infection remains mainly symptomatic with a frequent use of antibiotics. Given the global burden of antibiotic resistance and its negative impact on human health, it is urgent to find new preventive strategies against these infections. Among the candidates, dietary fibers have been recently investigated for their antagonistic properties against enteric pathogens. A low number of studies has suggested that they may act through various means: (i) direct antagonism (bacteriostatic effect, inhibition of cell adhesion and toxin production) or (ii) indirect antagonism via modulation of gut microbiota composition/activity or decoy of resident gut microbes from mucus layer consumption. In this context, this joint doctoral research work between Ghent University (Belgium) and Université Clermont Auvergne (France) aimed to (1) unravel how the mucus compartment can modulate the prototypical ETEC strain H10407 survival and virulence, and (2) decipher if dietary fiber-containing products could present ETEC anti-infectious properties, notably by preventing ETEC-mucus interactions.Le tube digestif humain est un acteur clé à la frontière entre le milieu extérieur et l'hôte. À l'interface entre la lumière digestive et l'épithélium intestinal, la couche de mucus, une sécrétion adhérente viscoélastique complexe, agit comme un modulateur majeur de la santé humaine. Afin d'atteindre les cellules intestinales et/ou de les coloniser, plusieurs agents pathogènes entériques doivent interagir avec cette ligne de défense physique, chimique et biologique et la traverser. Escherichia coli entérotoxinogène (ETEC), le principal agent pathogène de la diarrhée du voyageur, n'échappe pas à cette règle. Pour accomplir son cycle infectieux, ETEC est équipé d'un arsenal d'adhésines et de mucinases permettant respectivement l'adhésion cellulaire et la dégradation du mucus. Ces mécanismes de colonisation facilitent la production et la libération d'entérotoxines thermolabiles (LT) et/ou thermostables (ST), responsables in fine de la diarrhée aqueuse de type cholérique. À ce jour, le traitement de l'infection par ETEC reste principalement symptomatique avec un recours fréquent aux antibiotiques. Compte tenu du poids mondial de la résistance aux antibiotiques et de son impact négatif sur la santé humaine, il est urgent de trouver de nouvelles stratégies préventives contre ces infections. Parmi les candidats, les fibres alimentaires ont été récemment étudiées pour leurs propriétés antagonistes contre les agents pathogènes entériques. Un faible nombre d'études a suggéré qu'elles peuvent agir par différents moyens : (i) antagonisme direct (effet bactériostatique, inhibition de l'adhésion cellulaire et de la production de toxines) ou (ii) antagonisme indirect via la modulation de la composition/activité du microbiote intestinal ou le leurre des microbes intestinaux résidents à partir de la consommation de la couche de mucus. Dans ce contexte, ce travail de recherche doctorale conjoint entre l'Université de Gand (Belgique) et l'Université Clermont Auvergne (France) visait à (1) comprendre comment le compartiment du mucus peut moduler la survie et la virulence de la souche prototypique ETEC H10407, et (2) déchiffrer si les produits contenant des fibres alimentaires pourraient présenter des propriétés anti-infectieuses pour ETEC, notamment en empêchant les interactions ETEC-mucus

Role of mucus compartment in Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) pathogenicity?

International audienc

Tripartite relationship between gut microbiota, intestinal mucus and fibers: towards preventive strategies against enteric infections

International audienceThe human gut is inhabited by a large variety of microorganims involved in many physiological processes and collectively refered as to gut microbiota. Disrupted microbiome has been associated with negative health outcomes and especially could promote the onset of enteric infections. To sustain their growth and persistence within the human digestive tract, gut microbes and enteric pathogens rely on two main polysaccharide compartments, namely dietary fibers and mucus carbohydrates. Several evidences suggest that the three-way relationship between gut microbiota, dietary fibers and mucus layer could unravel the capacity of enteric pathogens to colonize the human digestive tract and ultimately lead to infection. The review starts by shedding light on similarities and differences between dietary fibers and mucus carbohydrates structures and functions. Next, we provide an overview of the interactions of these two components with the third partner, namely the gut microbiota, under health and diseased situations. The review will then provide insights into the relevance of using dietary fibers interventions to prevent enteric infections with a focus on gut microbial imbalance and impaired-mucus integrity. Facing the numerous challenges in studying microbiota-pathogen-dietary fiber-mucus interactions, we lastly describe the characteristics and potentialities of currently available in vitro models of the human gut

Use of a fiber-based strategy to prevent bacteria-mucus interactions in enterotoxigenic Escherichia coli infections?

International audienc

In vitro evaluation of dietary fiber anti-infectious properties against food-borne enterotoxigenic Escherichia coli

International audienceDietary fibers have well-known beneficial effects on human health, but their anti-infectious properties against human enteric pathogens have been poorly investigated. Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) is the main agent of travelers’ diarrhea, against which targeted preventive strategies are currently lacking. ETEC pathogenesis relies on multiple virulence factors allowing interactions with the intestinal mucosal layer and toxins triggering the onset of diarrheal symptoms. Here, we used complementary in vitro assays to study the antagonistic properties of eight fiber-containing products from cereals, legumes or microbes against the prototypical human ETEC strain H10407. Inhibitory effects of these products on the pathogen were tested through growth, toxin production and mucus/cell adhesion inhibition assays. None of the tested compounds inhibited ETEC strain H10407 growth, while lentil extract was able to decrease heat labile toxin (LT) concentration in culture media. Lentil extract and specific yeast cell walls also interfered with ETEC strain H10407 adhesion to mucin beads and human intestinal cells. These results constitute a first step in the use of dietary fibers as a nutritional strategy to prevent ETEC infection. Further work will be dedicated to the study of fiber/ETEC interactions within a complex gut microbial background

Deciphering the role of intestinal mucus in enterotoxigenic Escherichia coli infection: toward a fiber-based preventive strategy?

International audienc