Characterization of gut microbiota in Sprague Dawley rats from different commercial sources and therapeutic outcomes and gut microbial changes after biological and probiotic treatments in a TNBS-induced colitis model

Abstract

La microbiota comensal intestinal és essencial per a la salut tant a nivell gastrointestinal com sistèmic. En les darreres dècades, gran quantitat d'estudis han evidenciat la importància de la microbiota en la preservació de l'homeòstasi intestinal, així com la implicació que té el seu desequilibri, conegut com a disbiosi, en el desenvolupament i el curs de malalties que afecten múltiples òrgans i sistemes. La pròpia genètica de l'hoste, així com la influència de diversos factors ambientals, poden condicionar canvis en la composició i les funcions de la microbiota que derivin en una major susceptibilitat a patir malalties inflamatòries. Particularment, la malaltia inflamatòria intestinal (MII) s'acompanya d'una disminució en la diversitat microbiana i alteració en la composició de la microbiota. Els models animals de rosegador han contribuït en gran mesura a la generació de coneixement al voltant de l'etiopatogènia de la MII i al desenvolupament de teràpies per al tractament d'aquesta malaltia. Malgrat això, aquests animals estan subjectes també a variacions en la conformació de la seva microbiota, amb possibles repercusions en la reproductibilitat dels experiments que es realitzen i la seva translacionalitat a la clínica humana.

Aquest treball de tesi investiga les variacions que hi ha a la microbiota intestinal de rates Sprague Dawley, habitualment utilitzades en estudis preclínics, obtingudes de diferents orígens comercials, i alhora explora la implicació que té la microbiota en el desenvolupament de la colitis experimental induïda per TNBS i en el curs de tractaments locals de tipus biològic i probiòtic aplicats mitjançant un hidrogel endoscòpic: Covergel®.

En un primer experiment, els resultats obtinguts de la comparació de la microbiota entre quatre proveïdors comercials diferents van revelar diferències significatives en la diversitat i composició de la microbiota, així com diferent nivell d'expressió gènica de receptors de reconeixement de patrons (PRR) al còlon . En un segon experiment realitzat en condicions ambientals convencionals d'estabulació, el tractament biològic antiintegrina Vedolizumab administrat endoscòpicament amb Covergel® va demostrar tenir efectes terapèutics reduint les lesions ulceroses i revertint la disbiosi associada a la colitis experimental. D'altra banda, en el nostre darrer experiment, realitzat en condicions ambientals controlades segons l'estàndard Specific Pathogen Free (SPF), no es va reproduir la disbiosi intestinal durant la colitis i les lesions observades van ser més lleus. El tractament endoscòpic de Covergel® per si sol, així com el tractament de probiòtic VSL#3 administrat endoscòpicament amb Covergel®, van generar una millora clínica notòria a les rates amb colitis induïda que no es va observar en els animals tractats amb teràpia biològica anti-TNF-α Infliximab.

Els resultats d'aquest treball assenyalen la importància de la caracterització de la microbiota intestinal en els models de rosegador utilitzats per a la investigació de les malalties intestinals, ja que les diferències en la composició microbiana exerceixen canvis en el comportament del sistema immune i això podria tenir repercussió en la reproductibilitat dels models experimentals i dels resultats terapèutics dels tractaments objecte d'estudi. Així mateix, el tractament endoscòpic amb Covergel® confirma que el seu ús com a alliberador de fàrmacs és útil i reprodueix de manera general els efectes terapèutics propis dels fàrmacs utilitzats als estudis clínics quan s'administren de manera sistèmica. Els resultats preliminars obtinguts amb Covergel® i VSL#3 amb Covergel® quant a reducció de simptomatologia clínica són prometedors i mereixen ser investigats amb més detall.

La microbiota comensal intestinal es esencial para la salud tanto a nivel gastrointestinal como sistémico. En las últimas décadas, gran cantidad de estudios han evidenciado la importancia de la microbiota en la preservación de la homeostasis intestinal, así como la implicación que tiene su desequilibrio, conocido como disbiosis, en el desarrollo y curso de enfermedades que afectan a múltiples órganos y sistemas. La propia genética del huésped, así como la influencia de múltiples factores ambientales pueden condicionar cambios en la composición y funciones de la microbiota que deriven en una mayor susceptibilidad a padecer enfermedades inflamatorias. Particularmente, la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) se acompaña de una disminución en la diversidad y alteración en la composición microbiana del intestino. Los modelos animales de roedor han contribuido en gran medida a la generación de conocimiento en torno a la etiopatogenia de la EII y al desarrollo de terapias para el tratamiento de esta enfermedad. No obstante, estos animales están sujetos asimismo a variaciones en la conformación de su microbiota, pudiendo repercutir esto en la reproducibilidad de los experimentos que se realizan y su translacionalidad a la clínica humana.

Este trabajo de tesis investiga las variaciones que existen en la microbiota intestinal de ratas Sprague Dawley, habitualmente utilizadas en estudios preclínicos, obtenidas de diferentes orígenes comerciales, y a su vez explora la implicación que tiene la microbiota en el desarrollo de la colitis experimental inducida por TNBS y en el curso de tratamientos locales de tipo biológico y probiótico aplicados mediante un hidrogel endoscópico: Covergel®.

En un primer experimento, los resultados obtenidos de la comparación de la microbiota entre cuatro proveedores comerciales distintos revelaron diferencias significativas en la diversidad y composición de la microbiota, así como distinto nivel de expresión génica de receptores de reconocimiento de patrones (PRR) en el colon. En un segundo experimento realizado en condiciones ambientales convencionales de estabulación, el tratamiento biológico anti-integrina Vedolizumab administrada endoscópicamente con Covergel® demostró tener efectos terapéuticos reduciendo las lesiones ulcerosas y revirtiendo la disbiosis asociada a la colitis experimental. Por otro lado, en nuestro último experimento, realizado en condiciones ambientales controladas según el estándar Specific Pathogen Free (SPF), no se reprodujo la disbiosis intestinal durante la colitis y las lesiones observadas fueron más leves. El tratamiento endoscópico de Covergel® por sí solo, así como el tratamiento de probiótico VSL#3 administrado endoscópicamente con Covergel®, generaron una mejoría clínica notoria en las ratas con colitis inducida que no se observó en los animales tratados con terapia biológica anti-TNF- α Infliximab.

Los resultados de este trabajo señalan la importancia de la caracterización de la microbiota intestinal en los modelos de roedor utilizados para la investigación de las enfermedades intestinales, ya que las diferencias en composición microbiana ejercen cambios en el comportamiento del sistema inmune y esto podría tener repercusión en la reproducibilidad de los modelos experimentales y de los resultados terapéuticos de los tratamientos objeto de estudio. Asimismo, el tratamiento endoscópico con Covergel® confirma que su uso como liberador de fármacos es útil y reproduce de manera general los efectos terapéuticos propios de los fármacos utilizados cuando se administran de manera sistémica. En el caso de Vedolizumab, estos efectos terapéuticos van acompañados de cambios en la composición microbiana intestinal acorde a los cambios microbianos observados en los estudios clínicos. Los resultados preliminares obtenidos con Covergel® y VSL#3 con Covergel® en cuanto a reducción de sintomatología clínica son prometedores y merecen ser investigados en mayor detalle.

The commensal gut microbiota is essential for both, gastrointestinal and systemic health. Over the past decades, several studies have highlighted the importance of the microbiota in sustaining intestinal homeostasis and the impact of dysbiosis on the development and progression of diseases across multiple organs and systems. The host's own genetics, together with the influence of multiple environmental factors, can alter the composition and functions of the microbiota, leading to an increased susceptibility to inflammatory diseases. Particularly, inflammatory bowel disease (IBD) is correlated with a decline in microbial diversity and shifts in the intestinal microbiota composition. Rodent animal models have been pivotal in elucidating the etiopathogenesis of IBD and in the development of therapeutic strategies for managing the disease. These animals, however, are also prone to variations in their microbiota composition, which can affect the reproducibility of experiments and their translation into human clinical practice.

This work analyzes the variations in the gut microbiota of Sprague Dawley rats, commonly employed in preclinical studies and obtained from different commercial suppliers, and investigates the role of the gut microbiota in the development of TNBS-induced experimental colitis and the effects of local biological and probiotic treatments administered via an endoscopic hydrogel: Covergel®.

In the first experiment, the results obtained from comparing the microbiota of four different commercial suppliers revealed significant differences in the diversity and composition of the microbiota, as well as differing levels of gene expression of pattern recognition receptors (PRRs) in the colon. In a second experiment conducted under conventional housing conditions, the biological treatment with the anti-integrin Vedolizumab administered endoscopically with Covergel® demonstrated therapeutic effects by reducing ulcerative lesions and reversing dysbiosis associated with experimental colitis. In our last experiment, conducted under Specific Pathogen Free (SPF) controlled environmental conditions, intestinal dysbiosis was not reproduced during colitis, and the lesions observed were milder. The endoscopic treatment of Covergel® alone, as well as the probiotic VSL#3 administered endoscopically with Covergel®, generated notable clinical improvement in rats with induced colitis, which was not observed in animals treated with the anti-TNF-α biological therapy Infliximab.

This research emphasizes the importance of characterizing the gut microbiota in rodent models used for the investigation of intestinal diseases, since disparities in microbial composition can lead to changes in immune system behavior, potentially affecting the reproducibility of experiments and the outcomes of the therapies under examination. Furthermore, the endoscopic treatment with Covergel® confirms its usefulness as a drug delivery system and broadly reproduces the therapeutic effects of the used drugs when administered systemically. In the case of Vedolizumab, these effects are accompanied by changes in the intestinal microbial composition consistent with the microbial changes observed in clinical studies upon treatment. The early results obtained from using Covergel® and VSL#3-in-Covergel® in the alleviation of clinical symptoms are promising and warrant further investigation.