Metabolic and protein biomarkers associated with gut microbiota

Anne-Christine Aust, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

Vnější faktory, včetně způsobu porodu a použití antibiotik, ovlivňují rozvoj mikrobioty u novorozenců a novorozenců a profil produkovaných metabolitů. Bakteriální mikroflóra a její metabolity modulují rozvoj imunitního systému a podporují slizniční integritu. Metabolity tryptofanu (TRP) jsou důležité pro regulaci střevní homeostázy i pro ochranu neuronů před oxidativním stresem. Tato práce se zaměřuje na výzkum metabolitů tryptofanu v krvi, v mekoniu a ve stolici novorozence. U novorozenců (n = 134) narozených přirozenou vaginální cestou nebo císařským řezem byly vyšetřeny vzorky suché krevní kapky, mekonia a stolice. Metabolity tryptofanu byly analyzovány metodami hmotnostní spektrometrie. U vaginálních porodů (VD) a u porodů císařským (CD) řezem byly nalezeny rozdílné profily tryptofanových metabolitů v suché krevní kapce, odebrané druhý den po porodu. V mekoniu a stolici byla zjištěna významně odlišná hladina metabolitů IAld, ILA a TRP. To odpovídá také odlišenému složení mikrobioty vyšetřené a stanovené v mekoniu a ve stolici. Byly vyšetřeny mikrobiální metabolity kynureninu a tryptofanu ze 3 µl krve ze suché krevní kapky a stanoveny dosud neznámé hladiny metabolitů IAld, IBA a IAM u novorozenců. Byly zjištěny rozdílné metabolické profily u novorozenců narozených přirozenou vaginální cestou a císařským řezem. Výsledky poukazují na odlišný profil indolových katabolitů druhý den života u novorozenců narozených vaginální cestou a císařským řezem, který se projevuje rozdílnými metabolity TRP. Byl vypracován protokol pro in situ vyšetření mekonia a stolice. Šest metabolitů TRP bylo kvantifikováno a poprvé charakterizováno v prvních třech dnech života dítěte. Dále bylo prokázáno, že antibiotická léčba matek ovlivňuje mikrobiální vývoj dítěte a osídlení během prvních dnů života novorozence. Baktérie Peptoclostridium byly korelovány ve zvýšené koncentraci metabolitu IAA. Tato bakterie může být producentem metabolitu IAA. Dále byla sledována dynamika vývoje hladiny metabolitů v mekoniu a stolici, spojená s rozvojem mikrobioty a byl nalezen vztah k markerům IAld a ILA.

Abstract:

Environmental factors such as the mode of birth and antibiotics impact the microbiota and its produced metabolites in a newborn child. The produced bacterial metabolites modulate the infant’s immune system and support mucosal homeostasis. Tryptophan (TRP) metabolites regulate intestinal gut homeostasis and protect neurons against oxidative stress. This thesis investigates the infant’s tryptophan metabolites in neonatal blood, meconium, and stool. Therefore, 134 samples of newborn dried blood spots, meconium, and stool from study participants of the CELSPAC study were investigated for tryptophan metabolites. The TRP metabolites were quantified and profiled using tandem mass spectrometry. The investigated tryptophan metabolites showed different tryptophan profiles in dried blood spots in vaginal delivery (VD) and cesarian delivery (CD) samples taken on the second day of life. In the in situ investigation of meconium and stool, significantly different levels of IAld, ILA, and TRP metabolites were found. It corresponds to the different compositions of the microbiota investigated and determined in meconium and stool. Overall, the kynurenine and tryptophan microbial metabolites in 3µL of dried blood were profiled, and neonatal IAld, IBA, and IAM levels were reported for the first time. Divergent metabolic profiles in VD and CD neonates were observed. The results show a distinct profile of indole catabolites' on the second day of life in VD, and CD neonates demonstrated through different TRP metabolites. A protocol was developed for in situ investigation of meconium and stool. Six TRP metabolites were quantified and first reported in the newborn's first three days of life. Further, it was shown that antibiotic (ATB) treatment of mothers affects microbial development within the first days of a newborn's life. The beneficial bacteria Bifidobacterium was suppressed with ATB. Peptoclostridium was positively correlated with elevated concentrations of IAA, which could be the potential producer of this metabolite. Further, the dynamics of metabolite levels in meconium and stool associated with microbiota development were investigated, and a relationship between IAld and ILA markers was found.

Keywords

Microbiota, metabolites, tryptophan, mass spectrometry, biomarkers

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 3. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 18. 5. 2023
• Supervisor: PharmDr. Zdeněk Spáčil, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Josef Čáslavský, CSc., prof. MUDr. Mgr. Milan Raška, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology