Interakce bifidobakterií a klostridií ve střevní mikrobiotě kojenců

Bc. Blanka Krausová

Master's thesis

Interaction of bifidobacteria and clostridia in the gut microbiota of infants

Abstract:

Kojenecké druhy Bifidobacterium spp. jsou výjimečné zejména svou schopností utilizovat oligosacharidy mateřského mléka, čímž získávají konkurenční výhodu nad zbytkem mikrobiální populace střeva. V jejich přítomnosti dochází v mikrobiotě k regulaci počtů a negativních účinků klostridií, jimiž jsou například koliky či jiné pro zdraví kojence nežádoucí projevy. Mechanismy účinku inhibice klostridií bifidobakteriemi nejsou plně známy. Navíc není dostatečně známo, jak náhradní forma výživy obsahující pouze minoritní část z komplexu oligosacharidů mateřského mléka může ovlivnit vztahy uvnitř doposud nezralé střevní mikrobioty, ve které mohou být bifidobakterie chybějícím taxonem. Cílem této práce bylo vypracovat přehled týkající se mikrobiální kolonizace kojenců a zaměřit se především na význam bifidobakterií a klostridií a jejich vzájemné interakce, a dále pak zhodnotit vliv mateřského mléka a náhradní kojenecké výživy ve vztahu k výše uvedenému. Praktická část práce byla zaměřena na testování antimikrobiálního účinku probiotických kmenů bifidobakterií vůči klostridiálním kmenům izolovaných z fekálních vzorků kolitických kojenců. Testování probíhalo na úrovni in vitro, a také ex vivo, což představovalo komplexnější experimentální systém s intervencí fekální mikrobioty a prebiotické složky a probiotické bifidobakterie. Dále byla zhodnocena schopnost růstu klostridií na 2‘-fukosylaktóze (2’FL) a L-fukóze. Experimentální část práce byla provedena s použitím kultivačně závislých metod. Výsledek testování antimikrobiální aktivity in vitro se lišil v závislosti na použité metodě, přičemž antimikrobiální účinek probiotických kmenů Bifidobacterium breve BR03 a B. animalis subsp. lactis Bb-12 byl potvrzen s použitím modifikované spotové metody vůči všem testovaným klostridiálním kmenům zahrnující druhy Clostridium perfringens, C. butyricum, C. saccharobutylicum, C. neonatale a Clostridioides difficile. Antimikrobiální účinek nebyl potvrzen difúzní metodou. Antimikrobiální účinek pozorovaný v rámci ex vivo experimentu se odvíjel od druhu a kmene klostridie přítomné v testovaném vzorku stolice. Mateřské mléko jako zdroj uhlíku bylo lépe využitelné pro B. breve. Oproti tomu počáteční náhradní kojenecká výživa podporovala růst fekální mikrobioty zastoupené převážně C. perfringens. Variabilita výsledků vystihuje složitost a komplexnost střevního prostředí, ve kterém působí na vzájemné vztahy mikroorganismů řada dosud nepopsaných faktorů. Mimoto, schopnost utilizace L-fukózy prostřednictvím C. neonatale může přinést zajímavé poznatky interakce 2’FL s utilizujícími bifidobakteriemi na úrovni cross-feedingu.

Abstract:

Infant species of Bifidobacterium spp. are exceptional in their ability to utilize the oligosaccharides of breast milk, giving them a competitive advantage over the rest of the microbial population of the gut. In their presence in the microbiota, the numbers and negative effects of clostridia, such as colic and other adverse effects on the health of the infant, are regulated. The mechanisms of action of clostridial inhibition by bifidobacteria are not fully understood. In addition, it is not well known how an infant formula containing only a minority of the breast milk oligosaccharide complex can affect the relationships within the immature gut microbiota, in which bifidobacteria may be the missing taxon. The aim of this paper is to produce a review focusing on microbial colonization in infants, and here to focus on the importance of bifidobacteria and clostridia, and their interactions. Furthermore, it has the intention to evaluate the impact of breast milk and infant formula in relation to the above. The practical part of the work was aimed at testing the antimicrobial effect of probiotic strains of bifidobacteria against clostridial strains isolated from fecal samples of colitic infants. Testing was conducted at the in vitro level, and also ex vivo, representing a more complex experimental system with the intervention of the fecal microbiota with prebiotic components and probiotic bifidobacteria. In addition, the ability of clostridia to grow on 2'-fucosylactose and L-fucose was evaluated. The experimental part of the work was carried out using culture-dependent methods. The result of in vitro antimicrobial activity testing varied depending on the method used, and the antimicrobial effect of probiotic strains Bifidobacterium breve BR03 and B. animalis subsp. lactis Bb-12 was confirmed using a modified spot method against all tested clostridial strains including Clostridium perfringens, C. butyricum, C. saccharobutylicum, C. neonatale and Clostridiodes difficile species. The antimicrobial effect was not confirmed by the diffusion method. The antimicrobial effect observed in the ex vivo experiment depended on the species and strain of clostridia present in the stool sample tested. Mother's milk as a carbon source was better utilized by B. breve. In contrast, the initial infant formula supported the growth of a fecal microbiota represented predominantly by C. perfringens. The variability of the results captures the complexity of the intestinal environment, in which a number of previously undescribed factors influence the interrelationships of microorganisms. Furthermore, the ability of L-fucose utilization by C. neonatale may provide interesting insights into the interaction with 2’-fucosyllactose utilizing bifidobacteria at the level of cross-feeding.

Keywords

Clostridium, Bifidobacterium, kojenec, umělá dětská výživa, prebiotika, mikrobiota, probiotika, mateřské mléko

Keywords

Clostridium, Bifidobacterium, infant, microbiota, prebiotics, breast milk, infant formula, probiotiscs

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 21. 5. 2024
• Supervisor: doc. Ing. Věra Neužil Bunešová, Ph.D.
• Reader: Barbora Drnková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Food Quality and Processing of Agricultural Products