The Gut Bacterial Flora - Focus on Early Life and Physiological Traits

Abstract

The gastrointestinal tract of the foetus is considered sterile but during vaginal birth the neonate comes into contact with bacteria from the maternal vaginal and intestinal microbiota.

The main focus of this doctoral thesis was to elucidate the initial bacterial ecosystem in newborns and to relate microbial perturbations to physiological traits. The bacterial flora was mainly studied with molecular-genetic methods.

When the microbiota was assessed in one-week-old infants, reduced faecal bacterial diversity was found in infants developing atopic eczema at the age of 18 months compared to those infants not developing eczema.

To further elucidate the pioneer microbiota, stool samples from healthy full-term vaginally-born neonates was studied. Lactobacillus was found in all newborns within 48 hours after birth. Species commonly found in the vaginal microbiota were to some extent detected among the babies. Other bacterial groups were found in varying prevalence. Interestingly, a subgroup of neonates born large for gestational age had significantly more Proteobacteria compared to neonates born appropriate for gestational age.

Maternal microbiota and dietary habits are known to impact offspring physiology. Results presented in this thesis show impaired physiology in suckling rat pups to dams of the outbred Sprague-Dawley stock when these were treated with high-energy dense diet during the gestation and lactation period. Offspring body weight, adiposity, gut permeability and systemic inflammation were further accentuated if the Gram-negative Escherichia coli was given to the dams in combination with the high-energy dense feed. In a similar experimental design, the pups were monitored in a longitudinal study. E. coli exposure from foetal life until six months of age decreased the diversity of the caecal microbiota along with enhanced adiposity. In contrast, when the Gram-positive Lactobacillus plantarum was given instead of E. coli, body weight gain and fat accumulation were lower in addition to a more favourable gut microbiota, implying the prospect of effect on health homeostasis by bacterial consumption. This thesis suggests that a high load of E. coli should be avoided in pregnant mothers and in children, and treatment with L. plantarum may be a therapeutic option. However, more extensive research is needed to establish the relationship between inflammation, obesity and the bacterial flora of the gut. A general conclusion concerning the microbiota is that the intestinal ecosystem should be studied at least at the hierarchical level of genus or family, but preferably on the species level since looking at the phylum level can give superficial information.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Fetma, övervikt och allergi är ett problem i många delar av världen och förändringar i tarmens bakterieflora kan vara en av flera orsaker. Människan har tio gånger fler mikroorganismer än mänskliga celler. Flest mikroorganismer finns i tarmen och de brukar gemensamt kallas för tarmfloran. Många bakterier är helt oskadliga och en del är dessutom nödvändiga för att vi till exempel ska kunna motstå sjukdomar och tillgodogöra oss näringen i maten vi äter. En del bakterier som finns naturligt i tarmfloran har dock förmågan att skapa en mild inflammation i hela kroppen, utan att vi för den saken känner oss sjuka.

Det övergripande målet med det här avhandlingsarbetet har varit att klargöra sammansättningen av spädbarns första tarmflora, samt att undersöka om man med bakterietillskott kan påverka fetma och inflammationsnivå. För att studera det sistnämnda gav vi råttor antingen inflammationsskapande bakterier eller probiotika tillsammans med en energirik kost. Probiotika kallas sådana bakterier som ger hälsomässiga fördelar när man äter dem.

Till skillnad från barn och vuxna så befinner sig ett foster i en steril miljö. I samband med en vaginal förlossning kommer barnet däremot i kontakt med de första bakterierna som kommer från mammans vagina och tarmkanal. Spädbarn har ett outvecklat immunförsvar som behöver stimuleras för att kroppen ska lära sig vilka ämnen som är ofarliga respektive farliga. Forskning tyder på att det är viktigt att nyfödda barn utsätts för rätt sorts bakterier för att programmeringen av immunförsvaret ska bli bra.

För att ta reda på vilka bakteriesorter som finns i tarmfloran så kan prov från tarmslemhinnan eller avföring analyseras. Tidigare odlades bakterier från exempelvis avföring fram på laboratoriet, men nya genbaserade tekniker gör att det numera är möjligt att studera även svårodlade och döda bakterier. Det är framförallt sådana genbaserade metoder som har använts i studierna som presenteras i denna avhandling.

Resultat som presenteras i denna avhandling visar att barn med allergiskt eksem vid ett och ett halvt års ålder hade en lägre mångfald i sin tarmflora när de bara var en vecka gamla, jämfört med de barn som inte hade allergiskt eksem. Det tyder på att en tidig stimulering av immunförsvaret med fler sorters bakterier minskar risken för allergiutveckling.

Eftersom sammansättningen av tarmfloran vid en veckas ålder är viktig för den framtida hälsan så antog vi att bakteriesammansättningen är betydelsefull även innan barnet är en vecka. Vi valde därför att undersöka tarmfloran hos spädbarn som föddes genom vaginal förlossning eftersom de barnen då kom i nära kontakt med sin mammas tarm- och vaginalbakterier. Laktobaciller är bakterier som är vanliga i kvinnors vagina och resultat från vår studie visar att alla barn hade laktobaciller inom de två första dagarna i livet. Samma laktobacillarter som normalt finns i kvinnors vagina kunde hittas hos de nyfödda barnen. Det tyder således på en överföring av bakterier från mamman till barnet i samband med förlossningen. Spädbarnen hade även andra typer av bakterier men dessa förekom i varierande omfattning.

Hos nyfödda barn brukar det inte talas om övervikt och fetma. Däremot kan de nyfödda vara stora, små eller ha normal vikt i förhållande till i vilken graviditetsvecka de har fötts, med andra ord sin graviditetsålder. När vi jämförde tarmfloran hos barn som var stora för sin graviditetsålder med de som hade normal vikt så visade det sig att barnen som var stora för sin graviditetsålder hade mer av inflammationsskapande bakterier, som exempelvis Escherichia coli, i sin tarmkanal. Barnen med normal vikt hade däremot större variation i sin tarmflora och de hade oftare bakterier som inte skapar inflammation, utan istället exempelvis laktobaciller som kan ha motsatt effekt.

Den ökade kroppsmassan hos feta och överviktiga individer är sammankopplad med mild inflammation vilket i sin tur kan leda till andra sjukdomstillstånd såsom exempelvis diabetes. Sambandet mellan fetma och tarmens bakterieflora är inte helt klarlagt men troligen beror det på att tarmflorans komposition är störd och det kan bidra till den milda inflammation som finns hos feta individer. Mycket forskning återstår dock för att förstå det komplexa samspelet mellan tarmflora, fetma och inflammation.

Det är sedan tidigare känt att mammans levnadsvanor påverkar fostret. För att närmare studera hur mammans kost och bakterieflora påverkar barnet och dess hälsa gav vi råtthonor mat med högt energiinnehåll under dräktigheten och perioden då de diade sina ungar. Det visade sig att ungarna vid två veckors ålder hade högre kroppsvikt och mer fett i kroppen samt högre inflammationsnivå om deras mamma fick energirik föda jämfört med ungar vars mamma fick en mer balanserad kost. Om råttmammorna förutom energirik mat dessutom fick E. coli-bakterier i dricksvattnet så gick ungarna upp ännu mer i vikt och mängden kroppsfett ökade ytterligare samtidigt som inflammationsnivån och tarmens genomsläpplighet också ökade. Det är alltså inte hälsosamt att utsättas för en alltför energirik kost och inflammationsskapande bakterier som E. coli under fostertiden och tidigt i livet.

I ett annat experiment följde vi råttungarna tills de blev vuxna. Precis som i den tidigare studien så fick deras mammor en kost med högt energiinnehåll under dräktigheten och diperioden. En grupp råttor fick dessutom E. coli i dricksvattnet medan en annan grupp fick en probiotisk stam av Lactobacillus plantarum i sitt dricksvatten. Samma behandling fortsatte för ungarna efter att de skiljts från sina mammor och den pågick tills de var sex månader. Råttor kan då anses vara medelålders. Resultatet blev att de djur som fick L. plantarum gick upp mindre i vikt och hade mindre fettmängd samtidigt som tarmfloran var annorlunda. Till exempel hade djuren som fått L. plantarum en större mångfald av bakterier i sin tarmflora.

Sammanfattningsvis visar resultaten som presenteras i denna avhandling att den tidiga tarmfloran har betydelse för såväl allergiutveckling som fetma. En ogynnsam tarmflora kan till exempel vara en orsak till uppkomst av fetma. Resultaten visar också att det är möjligt att påverka hälsotillståndet beroende på vilken typ av bakterier man konsumerar. Intag av den använda probiotiska stammen av L. plantarum kan vara ett sätt att uppnå en bättre hälsa.

• author: Linninge, Caroline
• supervisor: Siv Ahrné; Göran Molin
• opponent: Professor Rask Licht, Tine, National Food Institute, Technical University of Denmark, Danmark
• organization: Division of Food and Pharma; Department of Food Technology, Engineering and Nutrition
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Food Engineering; Nutrition and Dietetics
• keywords: gut microbiota, atopic eczema, inflammation, bacterial diversity, Escherichia coli, Lactobacillus plantarum, molecular-genetic methods
• pages: 154 pages
• defense location: Lecture Hall B, Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-05-06 09:15:00
• ISBN: 978-91-7422-269-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 148416c3-a455-44c3-9b07-7d470f9d2ce1 (old id 1890827)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:19:22
• date last changed: 2024-01-30 10:28:43