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Shiga toxin producing E. coli strains (STEC) are a great concern to human health. Upon an infection with as few as 100 bacteria, humans can develop disease symptoms ranging from watery to bloody diarrhea or even develop the hemolytic uremic syndrome (HUS). The major factor contributing to the disease symptoms is Shiga toxin (Stx) which can bind to the eukaryotic cells in the intestine of the human and induce cell death via apoptosis. Based, among other things, on the microbiota composition, the impact of STEC can vary. Some bacteria of the microbiota can interfere with the colonization of STEC strains in the first place. Others cannot impair the colonization but interfere with the toxin production and there are still others which are even infected by stx encoding phages, being released from STEC strains. Those previously harmless bacteria subsequently contribute to the toxin increase and worsen the disease progression. Since the genetic information of Stx is encoded on a prophage, antibiotic treatment of patients can lead to an increased toxin and stx-phage release and is therefore not recommended. Several STEC epidemics in different countries, which even resulted in the death of some patients, demonstrated that there is an urgent need for alternative treatment strategies.
The E. coli strain Nissle 1917 (EcN) has been used as a probiotic to treat gastrointestinal infections for more than 100 years. It harbors several fitness factors which contribute to the establishment of an intact intestinal barrier in the human gut. Moreover, studies with EcN unraveled that the probiotic E. coli can interfere with the colonization of STEC strains and their toxin production. This study aimed to investigate if EcN could be a possible alternative or supplementary treatment strategy for STEC infected patients, or a preventive treatment for the patient’s close contact persons.
Therefore, EcN was firstly investigated for a possible stx-prophage integration into its’s genome which would eliminate it from being a potential treatment due to the possibility of disease worsening. Despite the presence of the stx-phage surface receptor YaeT, EcN demonstrated a complete resistance towards the lysis and the lysogeny by stx-phages, which was proven by PCR, phage-plaque assays and phage enrichment approaches. Transcriptome data could unravel that a lambdoid prophage in the genome of EcN is involved in the resistance towards the phage infection. Other commensal E. coli tested presented a stx-phage resistance as well and in silico analysis revealed that all of them harbor a complete lambdoid prophage besides the stx-phage susceptible K-12 strain MG1655. We assume that the resistance of EcN towards a stx-phage infection is connected to the presence of an intact lambdoid prophage which interferes with superinfection.
Further experiments regarding the impact of the microcin negative EcN mutant SK22D towards STEC strains depicted that SK22D did not only interfere with the toxin production but also negatively regulated the transcription of the entire stx-prophage in coculture with all STEC strains tested (O157:H7, O26:H11, O145:H25, O103:H2, O111:H- and two O104:H4 isolates from the 2011 outbreak in Germany). This influence on the pathogenic factor production was evinced to be cell contact independent as SK22D could even interfere with the pathogenic factor production when being separated from the STEC strain EDL933 by a Transwell membrane with the pore size of 0.4 µm. From this data we concluded, that factor(s) released by SK22D interfere with the lysis of STEC strains by stabilizing the lysogenic state.
Another positive aspect of EcN towards the pathogenicity of STEC strains was encountered when EcN was incubated with isolated stx-phages. The probiotic strain could reduce the infectivity of the phages towards a MG1655 lysis from ~ 1e7 pfus/ml to 0 after 44 h of incubation. Various approaches to determine the characteristics of the factor(s) of EcN which are involved in the phage inactivation depicted it to be a heat resistant stationary phase protein on the surface of EcN, which could be a component of its biofilm.
Regarding the protective role of EcN we could further evince that SK22D was capable of interfering with the lysogenic K 12 mediated increase of Stx and stx phages. Lysogenic K-12 strains were characterized by a huge increase of Stx and stx-phage production. The presence of SK22D anyhow, could interfere with this K-12 mediated pathogenic factor increase. Transwell and stx phage infection kinetics led to the proposal that SK22D interfered with the stx-phage infection of K-12 strains in the first place rather than disturbing the lysis of lysogenic K 12. The protection from the phage infection could be due to the growth of K 12 strains within the SK22D culture, whereby the phage susceptible strains are masked from phage detection.
Summarizing, this work could underline the beneficial attributes of EcN towards the STEC pathogenicity in vitro. These results should be considered as pioneers for future in vivo studies to enable EcN medication as a supportive STEC infection treatment strategy.
Die Hemmwirkung des regelmäßigen Konsums probiotischer Lactobacillus reuteri-Stämme auf die Ausprägung oraler Entzündungen ist mittlerweile durch eine ganze Reihe klinischer Interventionsstudien gut belegt. Die allgemeinen Lebensumstände der untersuchten Probanden waren dabei jedoch in der Regel wenig standardisiert, so dass eine mögliche Beeinträchtigung der Validität der Studiendaten durch nicht kontrollierte externe Faktoren wie etwa Lebensstil oder Ernährung bislang nicht ausgeschlossen werden konnte. Daher war es das Ziel dieser prospektiven, randomisierten, doppelt verblindeten und placebokontrollierten Interventionsstudie über einen Beobachtungszeitraum von sechs Wochen die Auswirkungen des täglichen Konsums probiotischer, L. reuteri-haltiger Lutschtabletten auf Parameter der oralen Gesundheit von 72 Besatzungsmitgliedern einer Fregatte der Deutschen Marine zu evaluieren, die während einer Einsatzvorbereitung in See unter weitgehend vergleichbaren Lebens- und Ernährungsbedingungen ihren Dienst versahen.
Zu Studienbeginn, sowie nach zwei und sechs Wochen wurden an den Ramfjordzähnen (Zähne 16, 21, 24, 36, 41, 44) der Probanden die Anzahl der auf Sondierung blutenden Zahnfleischtaschen (BoP) als primärem Studien-endpunkt erfasst. Darüber hinaus wurden als sekundäre Endpunkte die Taschensondierungstiefe (PPD), das klinische Attachmentniveau (CAL), der Gingival-Index (GI) und der Plaque Control Record (PCR) aufgezeichnet. Mit Hilfe einer doppelt verblindeten Zuteilungsstrategie wurden die Probanden zufällig der L. reuteri-Gruppe (n=36) oder der Placebogruppe (n=36) zuge-ordnet. Sie erhielten nachfolgend einen für die Studiendauer ausreichenden Vorrat an L. reuteri- oder Placebo-Lutschtabletten mit der Anweisung, diese in den nächsten sechs Wochen zweimal täglich zu konsumieren.
30 Probanden der L. reuteri-Gruppe sowie 32 Probanden der Placebogruppe beendeten die Studie mit vollständig erfassten Datensätzen. Ihre Analyse enthüllte für die L. reuteri-Gruppe einen signifikanten (p<0,001) Rückgang der beobachteten BoP-Mittelwerte von initial 41% (±22 SD) aller erfassten Messstellen auf 10 % (±13 SD) nach sechs Wochen. In der Placebogruppe hingegen kam es während des Beobachtungszeitraums zu einer signifikanten (p=0.05) Zunahme der BoP-Mittelwerte gegenüber der Ausgangssituation von initial 37 % (±20 SD) auf 43 % (±17 SD) am Studienende. Auch bezüglich aller sekundären Endpunkte (PPD, CAL, GI, PCR) konnte in der L. reuteri-Gruppe eine signifikante Verbesserung der oralen Gesundheit zwischen Studienbeginn und Studienende beobachtet werden, während sich wiederum in der Placebo-Gruppe im Beobachtungszeitraum eine statistisch verifizierbare Verschlech¬terung aller erfassten sekundären Endpunkte ergab. Die Ergebnisse dieser unter weitgehend kontrollierten Lebens- und Ernährungsbedingungen durchgeführten Untersuchung belegen, dass der regelmäßigem Konsum probiotischer, L. reuteri-haltiger Lutschtabletten unter den Einsatzbedingungen in See nicht nur eine in der Placebogruppe beobachtete Verschlechterung der oralen Gesundheit verhinderte, sondern diese vielmehr im Vergleich zum Ausgangsbefund signifikant verbesserte.
Der adjunktive Konsum L. reuteri-haltiger Lutschtabletten könnte daher eine kostengünstige und einfach zu implementierende Maßnahme darstellen, um einer unter militärischen Einsatzbedingungen häufiger zu beobachtenden Verschlechterung der oralen Gesundheit wirksam vorzubeugen.