Gastric and enteric Helicobacter species in animal models and in the human colon

Abstract

The Gram-negative genus of Helicobacter consists of many bacterial species that colonize a wide range of animal hosts. The genus can be divided into gastric species that colonize the stomach, and enteric species that preferentially colonize the colon and biliary tree of various animal hosts. Helicobacter pylori cause gastritis, gastro-duodenal ulcer disease and gastric adenocarcinoma and lymphoma in infected individuals. Enteric Helicobacter species cause typhlocolitis, hepatitis and neoplasia of the colon and liver in various rodent models of disease. A novel guinea pig model of H. pylori infection was developed and the infection was found to cause severe inflammatory changes in the stomach and an H. pylori-specific antibody response in infected animals after 3 and 7 weeks of infection. Different strains of H. pylori, with regards to the cagA gene and VacA protein expression, could infect mice. The infection was found to cause an H. pylori specific antibody response in mice infected with strains expressing the VacA protein. Simultaneous co-infection of mice with seven different strains of H. pylori showed evidence of colonization with two different strains. Gastritis was not apparent in mice infected with H. pylori for up to 17 weeks. H. pylori infection was found to lead to substantially more gastritis and serologic antibody response in guinea pigs than in mice. In guinea pigs, the infection was found to cause an elevation of acute-phase protein C3 and cholesterol, which could constitute a possibility to study an H. pylori trigger of extra-alimentary diseases. Helicobacter ganmani was isolated from interleukin-10 deficient mice with typhlocolitis and hepatitis. Analysis of serum antibodies demonstrated an immune response against H. ganmani in animals with disease. This recently described species of Helicobacter was implicated as the possible source of the disease found among the animals but this link needs to be evaluated in a controlled, experimental set-up. The importance of using Helicobacter-free animals for a wide range of experiments, especially when using immune deficient animals, needs to be stressed. Human colon biopsies from 20 patients with inflammatory bowel disease and other ailments were investigated for Helicobacter colonization. DNA resembling H. pylori was detected in two, Helicobacter cholecystus in one and Helicobacter muridarum in one patient. The latter two species have previously not been described in human tissue. No apparent link was found between the detection of Helicobacter species and human inflammatory bowel disease.



In summary, this thesis deals with development and optimization of two animal models for H. pylori infection and also explores the role of enteric Helicobacter species in human and animal disease.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Helicobacter pylori är troligen världens vanligaste bakterieinfektion och mer än 50% av jordens befolkning är infekterad. Bakterien orsakar kronisk magkatarr vilket kan utvecklas till sår både i magsäcken och i tolvfingertarmen, samt till magcancer. Behandling med antibiotika, som dödar bakterien, och syrahämmande läkemedel har revolutionerat behandlingen av magsår, som tidigare ofta behandlades med kirurgi. En stor andel av magcancerfallen skulle troligtvis kunna förebyggas genom tidig antibiotikabehandling av denna infektion. Antibiotikabehandling av alla infekterade individer är dock orealistiskt, varför forskare arbetar med att försöka identifiera faktorer förknippade med ökad risk för svår, kronisk sjukdom. Dessa faktorer kan utgöras av en benägenhet att utveckla sjukdomen hos den infekterade individen och specifika egenskaper hos bakterien. Det är av stor vikt att utreda rollen av H. pylori vid sjukdom, vilka undergrupper som eventuellt ej är förknippade med sjukdom, samt huruvida subtyper av bakterien kan ha vissa positiva effekter hos den infekterade individen. Detta för att kunna avgöra vilka individer som är betjänta av antibiotikabehandling.



Bakteriefamiljen Helicobacter innehåller utöver H. pylori, ett stort antal arter som framför allt koloniserar olika djurarter. Dessa kan delas upp i bakteriearter som främst koloniserar magsäcken och arter som främst koloniserar tjocktarm och, i viss mån, lever och gallvägar, s.k. enteriska arter. Hos möss har man funnit att flera av dessa enteriska arter (t. ex. Helicobacter hepaticus) orsakar inflammation och cancer i lever och tjocktarm. Dessa bakterier är relativt nyupptäckta och ännu så länge vet man inte mycket om deras roll vid sjukdomar hos människa, men flera studier har påvisat förekomst av enteriska Helicobacter-arter i lever och gallvägar hos individer med olika inflammatoriska och maligna tillstånd.



Djurförsök gör det möjligt att studera sjukdomsförlopp vid en infektion. För att en djurmodell skall ge så relevant information som möjligt bör man välja en modell där den sjukdom man vill studera har stora likheter med samma sjukdom hos människa. För H. pylori infektionen har ett flertal olika djurmodeller utvecklats där möss, råttor och ökenråttor använts. Svagheten med dessa modeller är att djurens magsäcksanatomi skiljer sig från människans såtillvida att den övre delen av magsäcken är större och täckt av vävnad som saknar körtlar, vilket även påverkar fysiologi och bakterieflora i magsäcken. För att studera inflammatoriska och maligna processer i tjocktarm samt i lever och gallvägar har flera musmodeller för infektion med enteriska Helicobacter-arter utvecklats, företrädesvis i genetiskt modifierade möss, t.ex. interleukin-10 defekta möss som utvecklar en kraftig inflammatorisk process mot vissa bakterier i tarmen. Sjukdomen hos dessa djur påminner starkt om inflammatorisk tarmsjukdom hos människa och används som en djurmodell för dessa sjukdomar.



En marsvinsmodell för H. pylori-infektion utvecklades där bakterien orsakade magkatarr och ett antikroppssvar jämförbart med det man finner vid tidig H. pylori-infektion hos människa. Denna studie visade att marsvin utgör en god modell för att studera H. pylori-inducerad sjukdom. Anatomiskt och fysiologiskt liknar marsvinets magsäck människans, med körtelepitel i hela magsäcken och frånvaro av störande normalflora.



Sedan undersökte vi koloniseringsförmågan hos olika stammar av H. pylori i en musmodell. Vi fann att olika stammar kunde kolonisera mössen och ge upphov till ett antikroppssvar i blodet, kopplat till specifika egenskaper hos bakterierna. Samtidig infektion med flera olika stammar av H. pylori visade att minst två stammar kunde samkolonisera magsäcken men att en enskild stam tenderade att konkurrera ut andra stammar. Däremot fann vi ingen magkatarr liknande den vid infektion hos marsvin.



För att jämföra dessa båda modeller infekterades möss och marsvin med en och samma stam av H. pylori och följdes med undersökning av antikroppssvar i blodet samt utvärderades för förekomst av magkatarr efter sju veckors infektion. Överlag koloniserade H. pylori fler marsvin än möss och gav ett tidigare antikroppssvar samt kraftigare magkatarr. Markörer för en pågående inflammatorisk reaktion (akut-fas proteiner) och blodfetter mättes hos djuren. Vi fann att H. pylori-infekterade marsvin hade förhöjda värden av akut-fas proteinet C3 samt att de visade en tendens till stegrat kolesterol i blodet. Dessa markörer har hos människa kopplats till en ökad risk för hjärt-kärl sjukdom, vilket skulle kunna ha samband med kroniska infektioner. Marsvinsmodellen för H. pylori-infektion skulle eventuellt kunna användas för att studera dessa samband.



I ett fjärde delarbete undersökte vi interleukin-10 defekta möss med spontant utvecklad inflammatorisk tarmsjukdom för Helicobacter-kolonisering. Vi fann en nyupptäckt art, Helicobacter ganmani, och fann tecken på att sjukdomen orsakades av denna bakterie. Eftersom djuren var naturligt infekterade hade vi ingen oinfekterad kontrollgrupp att tillgå varför detta fynd måste utvärderas under kontrollerade former i en experimentell infektion. H. ganmani har även påvisats i levern hos barn med kronisk leversjukdom. Naturlig Helicobacter-infektion är vanlig hos försöksdjur, framför allt möss, och denna studie och ett flertal andra studier visar att en sådan infektion orsakar sjukdom hos djuren. Det är därför av största vikt att man undersöker förekomst av Helicobacter-infektion inför djurförsök där en sådan infektion skulle kunna påverka studieresultatet.



Enteriska Helicobacter-arters roll vid sjukdom hos människa är oklar. I det sista delarbetet undersökte vi prover från tjocktarmen hos människa för Helicobacter-förekomst. Vi fann tre arter av Helicobacter varav två inte tidigare beskrivits hos människa. Fynden tyder på att Helicobacter-kolonisering av tjocktarmen hos människa är relativt ovanlig samt att en sådan kolonisering inte verkar vara förknippad med inflammatorisk tarmsjukdom.



Sammanfattningsvis har en ny marsvinsmodell för H. pylori-infektion utvecklats och fördelar med denna modell jämfört med den mer använda musmodellen visats. En relativt okänd art av Helicobacter påvisades hos möss med inflammatorisk tarmsjukdom men ytterligare studier måste genomföras för att klarlägga ett eventuellt sjukdomssamband. Flera arter av Helicobacter påvisades i tjocktarmen hos människa men deras eventuella roll vid sjukdom är ännu oklar.

• author: Sturegård, Erik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Borch, Kurt
• organization: Clinical Microbiology, Malmö (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, IL-10, Microbiology, bacteriology, virology, virologi, mykologi, hepatitis, colitis, IBD, inflammatory bowel disease, gastritis, animal model, mouse, guinea pig, Helicobacter ganmani, Helicobacter, Helicobacter pylori
• pages: 124 pages
• defense location: Rune Grubb lecture hall, BMC
• defense date: 2004-06-09 10:15:00
• ISBN: 91-628-6082-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Sturegård E, Sjunnesson H, Ho B, Willén R, Aleljung P, Ng HC and Wadström T. Severe gastritis in guinea-pigs infected with Helicobacter pylori. J Med Microbiol 47(12): 1123-29, 1998. Article: II. Sturegård E, Sjunnesson H, Nilsson H, Andersson R, Areskoug C and Wadström T. Infection with cagA- and vacA-positive and -negative strains of Helicobacter pylori in a mouse model. FEMS Immunol Med Microbiol 30(2): 115-20, 2001. Article: III. Sjunnesson H, Sturegård E, Grubb A, Willén R and Wadström T. Comparative study of Helicobacter pylori infection in guinea pigs and mice - elevation of acute-phase protein C3 in infected guinea pigs. FEMS Immunol Med Microbiol 30(2): 167-72, 2001. Article: IV. Sturegård E, Nilsson I, Sjunnesson H, Abu Al-Soud W, Hammarström L, Willén R and Wadström T. Natural infection with Helicobacter ganmani in IL-10-deficient mice with inflammatory bowel-like disease. Submitted. Article: V. Sturegård E, Hertervig E, Sjunnesson H and Wadström T. Helicobacter species in human colon biopsies. Aliment Pharm Ther 19(5), 613-14, 2004.
• id: 5cb3c3a5-e154-45f3-bfd9-ae093c35b8d4 (old id 467052)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:40:26
• date last changed: 2018-11-21 21:00:08