The effect of attenuation of symptoms mediated administration of Clostridium hylemonae DSM 15053 in Clostridioides difficile infection with animal study

Abstract

클로스트리디움 디피실 감염병 (CDI)은 유럽과 미국에서 의료 관련 설사의 첫 번째 원인인 질병으로 연간 15,000 ~ 30,000 여명의 사망을 초래한다. 항생제 과다 사용은 장내 미생물 총을 억제하여 병원균에 대한 집락 저항성을 손상시키고 클로스트리디움 디피실이 장을 감염시킬 수 있도록 한다. 그러므로 클로스트리디움 디피실 감염병에 걸린 환자의 장내 미생물군의 회복에 도움이 되는 특정 균주를 찾는 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구는 동물실험을 통한 클로스트리디움 디피실 감염병에 대한 특정 균주의 억제 효과를 확인하고, 그 기전에 대한 단서를 얻고자 한다. 선례 연구를 통해 클로스트리디움 디피실과 음의 상관관계를 가진 몇몇의 균주가 확인되었다. 그 중, 클로스트리디움 디피실 감염병에 대한 감염 저해 효과를 가지는 단일 균주 클로스트리디움 씬덴스 KCTC 5591과 같이, 담즙산 유도 유전자 (bai operon)를 갖고 있는 클로스트리디움 하일리모네 DSM 15053 균주가 선별되었다. 마우스 모델을 통해, 클로스트리디움 하일리모네 DSM 15053를 투여한 그룹에서 사망률, 체중 감소 및 임상 점수와 같은 표현형에서, 클로스트리디움 디피실 감염병에 대한 유의한 감염 저해 효과가 관찰되었다. 또한 장내 미생물 분석과 대사체 분석을 통해, 클로스트리디움 하일리모네 DSM 15053 그룹이 PBS 그룹과 비교하여, 미생물군집의 풍부도와 다양성 높으며, 다른 형태의 대사체 풀을 형성하고 있음을 확인하였다. 특히 박테로이데이스와 에스켈리치아, 시겔라와 클로스트리디움_XIVa 속의 균주는 클로스트리디움 하일리모네 DSM 15053 그룹의 미생물군집에서 높은 점유율을 보였으며, C. difficile 과 음의 상관관계를 보였다. 위와 같은 결과를 고려했을 때. 이러한 클로스트리디움 하일리모네 DSM 15053의 클로스트리디움 디피실 감염 저해 효과는, 장내 미생물총의 회복에서 기인한다는 가능성을 두고 결론 지었다. 이러한 발견은 클로스트리디움 디피실 감염병에 대한, 클로스트리디움 하일리모네 DSM 15053 특정 균주의 투여로 인한 감염 저해 효과의 확인과 더불어, 감염 저해 메커니즘을 설명할 수 있는 실마리를 제공한다.

Clostridium difficile infection (CDI) is the first cause of healthcare associated diarrhea in both Europe and the USA, causing between 15,000 and 30,000 deaths annually. Antimicrobial use cause suppression of the intestinal microbiota, thereby impairing colonization resistance and allowing C. difficile to infect the gut. It is, therefore, necessary for researchers to find specific bacterium that helpful for recovery of the intestinal microbiota of individuals with CDI. Therefore, this study aimed to verify the inhibitory effect of specific bacteria on CDI in animal study and to determine the underlying mechanism associated of the inhibitory effect. Through previous studies, several strains which had a negative correlation with C. difficile were identified. Among the strains, C. hylemonae DSM 15053 which has bile acid inducible gene (bai operon) like C. scindens KCTC 5591 was selected. Using a workflow involving mouse model, we identified significant inhibitory effects in group administered with C. hylemonae DSM 15053 by observing mortality rate, body weight loss, and clinical score etc. Also, using Microbiome analysis and Metagenomic analysis, difference in microbiota diversity and richness and metabolite pool between C. hylemonae DSM 15053 group and Phosphate buffer salins (PBS) group was observed. Among variety of taxas, g_Bacteroides and g_Escherichia/shigella, Clostridium XIVa showed high abundance in the C. hylemonae DSM 15053 group and were negatively correlated with C. difficile copies. Predicted pathway associated with the taxas were observed as well in the study. Considering all this, we concluded that the inhibitory effect of C. hylemonae DSM 15053 on C. difficile infection might be coming from the recovery of intestinal microbiota dependent fashion. These findings provide a clue to confirm the inhibitory effect of C. hylemonae DSM 15053 administration on C. difficile infection and associated mechanism.