Metagenomics in inflammatory bowel disease

Abstract

La microbiota intestinal desempeña un papel crucial en el manteniendo la homeostasis intesitnal. Alteraciones en la composición microbiana, también conocidas como disbisosis, pueden poner en peligro el estado de salud e incrementar el riesgo a padecer una enfermedad. Aunque muchas enfermedades se han asociado a cambios en la microbiota intestinal, todavía se desconoce si dichas alteraciones son la causa o la consecuencia de las patologías. La enfermedad inflamatoria intestinal (EII) es una enfermedad inflamatoria crónica que se caracteriza por periodos de inflamación y constituye un problema de salud dado. La EII presenta dos subtipos: enfermedad de Crohn y colitis ulcerosa, con síntomas similares pero diferentes manifestaciones clínicas. La EII se ha relacionado ampliamente con cambios en la microbiota intestinal. A pesar de los múltiples estudios que existen, no hay un claro consenso en el perfil microbiano asociado a la enfermedad. Las principales discordancias se dan entre las diferencias asociadas a enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa. Algunos investigadores han demostrado que la composición microbiana en colitis ulcerosa es muy similar a la de individuos sanos y ambas difieren de la composición de enfermos de Crohn. En cambio, otros investigadores han visto que las diferencias de colitis ulcerosa y Crohn respecto a sanos son muy similares por lo que consideran ambos subtipos como una única enfermedad (EII). El principal objetivo de esta tesis es determinar la disbiosis en una cohorte de EII española para evaluar hasta qué punto las funciones y composición microbiana difieren entre Crohn y colitis y si los datos de microbioma podrían emplearse como herramientas de diagnóstico. Para ello, analizamos muestras fecales de sanos, enfermos de Crohn y enfermos de colitis usando dos metodologías: secuenciación del gen 16SARNr (o 16S ADNr) y secuenciación por fragmentación del genoma. Como se preveía, observamos la presencia de disbiosis en EII. Además, vimos que las alteraciones en composición microbiana y funciones eran diferentes para Crohn que para colitis, mostrando una mayor disbiosis en Crohn que en enfermos de colitis ulcerosa y con colitis mostrando un patrón muy similar a la microbiota de individuos sanos. Los resultados funcionales encontrados en esta tesis confirman la mayor disbiosis descrita en pacientes de Crohn en comparación con pacientes de colitis ulcerosa en composición microbiana. Estos individuos presentan una mayor cantidad de genes principalmente asociados a metabolismo y enfermedades inmunes que los enfermos de colitis ulcerosa y sanos. A pesar de que los datos de 16S ADNr y secuenciación por fragmentación no detectaron las mismas diferencias entre Crohn y colitis, ambas metodologías permitieron la clasificación de los distintos subtipos de EII con una proporción similar. Más estudios son necesarios para validar los resultados de esta tesis en otras cohortes de pacientes que incluyan Crohn localizado en colon o pacientes recién diagnosticados que no hayan sido sometidos a tratamiento antes de la aplicación de estas metodologías como herramientas diagnósticas en clínica.

The gut commensal microbiota is known to play a crucial role in maintaining intestinal homeostasis. Alterations in the microbial community composition, also known as dysbiosis, may put health status in risk and increase susceptibility to diseases. Although several diseases have been related to shifts in the gut microbiome composition, it is still uncertain whether those alterations are the cause or consequence of the disease. Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic inflammatory disease with periods of active and inactive inflammation that constitutes to an important health problem. It is divided in two subtypes: Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC) that present similar symptoms but different clinical manifestations. IBD has been widely associated with an alteration of the gut microbiome composition. Nevertheless, there is no clear consensus on the microbial pattern characteristic of the disorders. Main discordances between studies are related to differences between UC and CD. Some previous publications indicate that UC microbial composition is very similar to healthy and differs from CD whereas others consider both subtypes as a unique entity and find high alterations in UC and CD microbial composition in comparison with the microbiome of healthy individuals. The aim of this thesis was to characterize the dysbiosis in a Spanish IBD cohort to evaluate to which extend the gut microbiome composition and function could be differentiated between CD and UC and whether microbiome data could be used as diagnostic and prognostic tools. For this purpose, we analyzed fecal samples of healthy individuals, CD (affected in the ileum) and UC patients using two different methodologies: 16S rRNA gene (or 16S rDNA) and shotgun (short genomic fragments) sequencing. As expected, we observed the presence of dysbiosis in IBD. Furthermore, we showed that microbial composition and function alterations were different for CD and UC, with greater dysbiosis in CD than in UC and with UC resembling more to a healthy state. Functional findings also confirmed this higher dysbiosis in CD than in UC and revealed genes implicated in metabolism pathways and in immune diseases in higher abundance in CD compared with healthy individuals and UC. Although 16S rDNA and shotgun data did not detect differences in the dysbiosis in CD and UC in a consistent manner, both methodologies allowed the classification of IBD subtypes in a similar proportion. Future studies should validate these results using other patient cohorts such as colonic CD or recently diagnosed patients before the application of these techniques as diagnostic tools in clinical practice.