Targeting the gut microbiota to investigate the role of secondary bile acids in colorectal cancer

Wortmann, Esther; Hornef, Mathias Walter; Clavel, Thomas; Blank, Lars M.

doi:43033

Targeting the gut microbiota to investigate the role of secondary bile acids in colorectal cancer = Einfluss sekundärer Gallensäuren auf Kolorektalkrebs mit Fokus auf das Darmmikrobiom

Wortmann, Esther^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Esther Wortmann, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Clavel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Hornef, Mathias Walter (Thesis advisor)^RWTH* ; Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-00801
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/977573/files/977573.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 395357507 - SFB 1371: Microbiome Signatures -- Funktionelle Relevanz des Mikrobioms im Verdauungstrakt (395357507) (395357507)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Kolorektalkrebs ist eine der tödlichsten Krebsarten weltweit. Die Produktion von sekundären Gallensäuren durch Darmbakterien wurde mit Kolorektalkrebs in Verbindung gesetzt, allerdings wurde noch keine Kausalität bewiesen und in vivo Mechanismen sind unklar. Wir nutzten mehrere Tiermodelle, Mikrobiota-orientierte Vorgehen und "multi-omics" Methoden, um diese Punkte zu adressieren. Als Erstes führten wir eine fäkale Mikrobiota-Transplantation (FMT) von APC1311/+ Schweinen in keimfreie Apc1638N/+ Mäusen durch, um zu untersuchen, ob Kolorektalkrebs durch die Mikrobiota transferiert werden kann. Die Mikrobiota von Mäusen, die mit Stuhl von Schweinen kolonisiert wurden, welche mit einer Diät reich an rotem Fleisch und Schmalz (RL) gefüttert worden waren, unterschied sich von der Mikrobiota von Mäusen, die mit der Kontroll-Mikrobiota (CTRL) kolonisiert wurden. Die Mikrobiota-Struktur von CTRL-Empfängermäusen war dabei stärker beeinflusst durch den Zusatz von Cholsäure in der Diät als RL-Empfängermäuse, was darauf hinweist, dass die RL-Mikrobiota resistenter gegen Gallensäurestress ist. Die meisten Läsionen wurden im Dünndarm der Apc1638N/+ Mäuse gefunden, wobei es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Kolonisierungsgruppen gab. Als Zweites wurden keimfreie Wildtyp-Mäuse, die eine fettreiche Diät erhielten, mit einem synthetischen Konsortium mit oder ohne der Bakterienspezies Extibacter muris kolonisiert, welche sekundäre Gallensäuren durch 7α-Dehydroxylierung produziert. Karzinogenese wurde durch AOM/DSS Behandlung induziert. Mäuse mit E. muris entwickelten signifikant mehr Tumore im Vergleich zu Mäusen ohne E. muris. Als Drittes testeten wir den Effekt von E. muris auf das Dickdarmepithel durch RNA-Sequenzierung einzelner Zellen in Mäusen, die mit dem Minimalkonsortium OMM12 kolonisiert wurden, um die Wirts-Reaktion auf sekundäre Gallensäuren zu evaluieren. Die zusätzliche Kolonisierung mit E. muris (OMM12+E) war dabei mit einem höheren Anteil an resorptiven Enterozyten assoziiert, gekennzeichnet durch hohe Expression von Gallensäure-Transportern und -Rezeptoren, und einem geringeren Anteil an Becherzellen. Analyse mit PROGENy zeigte eine Hochregulierung von verschiedenen Signalwegen in OMM12+E Mäusen: Hypoxie, NFκB, und dem Tumorsuppressor-Signalweg p53. Als letztes testeten wir, ob die Zugabe des Gallensäuren-bindenden Colestyramin (COL) zur Diät das Krankheitsbild durch Reduktion bakterieller sekundärer Gallensäureproduktion verbessern könnte. Die RL Diät führte zu höherer Zellproliferation und weniger Becherzellen im distalen Kolon, sowie höherer T Zell-Infiltration im proximalen Kolon. Diese Effekte wurden durch COL-Supplementierung in der Diät verhindert. Des Weiteren wurden folgende Effekte der RL Diät auf die Mikrobiota durch COL verhindert: tiefere Shannon effective Kennzahlen im Zäkum, hohe relative Abundanz an Bacillota und ein tiefer Anteil an Bacteroidota, sowie erhöhte Abundanz von Lactobacillus johnsonii (SOTU1). Die COL Diät führte auch zu signifikant höheren Mengen an konjugierten primären und sekundären Gallensäuren, besonders im Zäkum und Kolon, wobei die Mengen von individuellen Gallensäuren nicht signifikant beeinflusst wurden. Wir schließen daraus, dass physiologische Mengen an mikrobiell produzierten sekundären Gallensäuren, besonders DCA, bei einer Diät reich an Fett frühe Ereignisse in der Tumorgenese fördern. Dies geschieht möglicherweise durch die Beeinflussung von Epithel-Zelltypen sowie deren Genexpression. Unsere Ergebnisse betonen die komplexe Interaktion zwischen Diät, Mikrobiota und Wirt in der Entstehung von Kolorektalkrebs und zeigen die Bedeutung einer Diät auf, welche die mikrobielle sekundäre Gallensäureproduktion begrenzt.

Colorectal cancer (CRC) is one of the most fatal cancer types worldwide. The production of secondary bile acids (SBAs) by gut bacteria has been linked to CRC. However, proof of causality and mechanistic insights in vivo are scarce. We used several animal models, microbiota-targeted approaches, and multi-omics techniques to address these points. First, we performed faecal microbiota transplants from APC1311/+ pigs to germfree Apc1638N/+ mice to investigate if a CRC phenotype can be transferred by the microbiota. The microbiota of mice colonised with stool from the pigs that were fed a diet high in red meat and lard (RL) clustered separately from that of recipient mice that received the control (CTRL) microbiota. Microbiota structure of CTRL recipients was more affected by the cholic acid supplemented diet compared to RL recipients, suggesting that the RL microbiota was more resistant to bile acid (BA) stress. Most lesions were found in the small intestine of Apc1638N/+ mice, with no significant differences due to colonisation type. Second, germfree wild type mice fed a high-fat diet were colonised with a synthetic community with or without the bacterial species Extibacter muris, which produces SBAs by 7α-dehydroxylation. Carcinogenesis was induced by AOM/DSS treatment. Mice with E. muris had significantly more tumours compared to those mice without E. muris. Third, to assess host responses to SBAs in the gut, we tested the effects of E. muris on the colonic epithelium in gnotobiotic Apc1638N/+ mice colonised with the minimal microbial consortium OMM12, using single-cell RNA sequencing. Colonisation with E. muris (OMM12+E) was associated with a higher fraction of absorptive enterocytes, characterised by high expression of multiple BA transporters and receptors, and a lower fraction of cell clusters classified as goblet cells. PROGENy analysis revealed upregulation of hypoxia, NFκB, and the tumor suppressor p53 pathway in OMM12+E mice. Finally, we tested whether the BA scavenger colestyramine (COL) could improve disease by reducing the bacterial production of SBAs when added to the diet of APC1311/+ pigs. RL diet feeding lead to enhanced cell proliferation and lower goblet cell numbers in the distal colon, and to increased T cell infiltration in the proximal colon. These effects were counteracted by COL supplementation in the diet. COL also counteracted the following effects of the RL diet on the microbiota: lower Shannon effective counts in the caecum, high relative abundance of Bacillota and a low fraction of Bacteroidota, and increased levels of Lactobacillus johnsonii (SOTU1). Additionally, the COL diet also lead to significantly higher levels of conjugated primary BAs and SBAs, especially in the caecum and colon, while levels of individual SBA species were not significantly affected. We conclude that physiological levels of microbially produced SBA, especially DCA, promote early events of tumorigenesis under high fat diet conditions, potentially by affecting epithelial cells types and gene expression. Our results highlight the complex interactions between diet, microbiota, and the host in CRC development and point at the importance of consuming diets that limit microbial SBA production.

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