Development of obesity and type 2 diabetes (T2D) are associated with gut microbiota (GM) changes. The gut viral community is predominated by bacteriophages (phages), which are viruses that attack bacteria in a host-specific manner. The antagonistic behaviour of phages has the potential to alter the GM. As a proof-of-concept, we demonstrate the efficacy of faecal virome transplantation (FVT) from lean donors for shifting the phenotype of obese mice into closer resemblance of lean mice.The FVT consisted of viromes with distinct profiles extracted from the caecal content of mice from different vendors that were fed a low-fat (LF) diet for 14 weeks. Male C57BL/6NTac mice were divided into five groups: LF (as diet control), high-fat (HF) diet, HF+ampicillin (Amp), HF+Amp+FVT and HF+FVT. At weeks 6 and 7 of the study, the HF+FVT and HF+Amp+FVT mice were treated with FVT by oral gavage. The Amp groups were treated with Amp 24 hours prior to first FVT treatment.Six weeks after first FVT, the HF+FVT mice showed a significant decrease in weight gain compared with the HF group. Further, glucose tolerance was comparable between the LF and HF+FVT mice, while the other HF groups all had impaired glucose tolerance. These observations were supported by significant shifts in GM composition, blood plasma metabolome and expression levels of genes associated with obesity and T2D development.Transfer of caecal viral communities from mice with a lean phenotype into mice with an obese phenotype led to reduced weight gain and normalised blood glucose parameters relative to lean mice. We hypothesise that this effect is mediated via FVT-induced GM changes.

ABSTRACT The effect of fecal microbiota transplantation (FMT) on various gut-related diseases is intensively investigated in clinical trials. In addition to bacteria, the gut microbiome also contains eukaryotic, archaeal, and bacterial viruses (bacteriophages, in short phages), which collectively is referred to as the gut virome. Application of FMT in clinical settings is associated with a potential risk for the recipient of transferring infectious eukaryotic viruses or bacteria, despite strict screening procedures for the donor material. A safer and more targeted method to modulate the gut microbiota is therefore needed to extend the application width of FMT. Emerging evidence suggests that gut phages play a key role in maintaining a balanced gut microbiome as well as in FMT efficacy. Thus, a phageome from a cultured fecal donor microbiome may be a more efficient alternative to modulate the gut bacteriome than FMT. Here, we analyzed the dynamic changes of the viromes of mice cecal and human fecal matter inoculated chemostat cultures. Sequencing results showed that the relative abundance of eukaryotic viruses remarkably decreased during continuous cultivation, likely due to the lack of eukaryotic hosts. The corresponding phageome profiles showed dilution rate dependency, a reproducibility between biological replicates, and maintained high diversity of phages although being different from the inoculum phageome. This proof-of-concept study may constitute the first step of developing therapeutic tools to target a broad spectrum of gut-related diseases and thereby replacing FMT with a safer phage-mediated therapy.

Abstract Metabolic syndrome encompasses amongst other conditions like obesity, type-2 diabetes, and metabolic dysfunction associated fatty liver disease (MAFLD), which are all associated with gut microbiome (GM) dysbiosis. Fecal microbiota transplantation (FMT) has been explored to treat metabolic syndrome by restoring the GM. FMT is generally safe, but motivated by case reports, accidental transfer of pathogenic bacteria remains a concern. As a safer alternative, fecal virome transplantation (FVT, sterile-filtrated feces) has the advantage over FMT in that mainly bacteriophages are transferred and FVT from lean male donors has shown promise in alleviating the metabolic effects of a high-fat diet in a preclinical mouse study. However, FVT still carries the risk of eukaryotic viral infections. To address this, we here apply recently developed modification methodologies to inactivate or remove the eukaryotic viral component of FVT while maintaining an active enteric bacteriophage community. Modified FVTs were compared with unmodified FVT and saline in an animal model of diet-induced obesity using male C57BL/6N mice. In contrast to the obese control group, mice administered a modified FVT, nearly depleted from eukaryotic viruses (0.1%), exhibited enhanced blood glucose clearance, although without a concurrent reduction in weight gain. The unmodified FVT improved liver pathology and reduced the proportions of immune cells in the adipose tissue with a non-uniform response. GM analysis suggested that bacteriophage-mediated GM modulation had influenced these outcomes. When optimized, this may pave the way for developing safe bacteriophage-based therapies targeting metabolic syndrome through GM restoration.

Abstract Background Fecal microbiota transplantation (FMT) and fecal virome transplantation (FVT, sterile filtrated donor feces) have been effective in treating recurrent Clostridioides difficile infections, possibly through bacteriophage-mediated modulation of the gut microbiome. However, challenges like donor variability, costly screening, coupled with concerns over pathogen transfer (incl. eukaryotic viruses) with FMT or FVT hinder their wider clinical application in treating less acute diseases. Methods To overcome these challenges, we developed methods to broaden FVT’s clinical application while maintaining efficacy and increasing safety. Specifically, we employed the following approaches: (1) chemostat-fermentation to reproduce the bacteriophage FVT donor component and remove eukaryotic viruses (FVT-ChP), (2) solvent-detergent treatment to inactivate enveloped viruses (FVT-SDT), and (3) pyronin-Y treatment to inhibit RNA virus replication (FVT-PyT). We assessed the efficacy of these processed FVTs in a C. difficile infection mouse model and compared them with untreated FVT (FVT-UnT), FMT, and saline. Results FVT-SDT, FVT-UnT, and FVT-ChP reduced the incidence of mice reaching the humane endpoint (0/8, 2/7, and 3/8, respectively) compared to FMT, FVT-PyT, and saline (5/8, 7/8, and 5/7, respectively) and significantly reduced the load of colonizing C. difficile cells and associated toxin A/B levels. There was a potential elimination of C. difficile colonization, with seven out of eight mice treated with FVT-SDT testing negative with qPCR. In contrast, all other treatments exhibited the continued presence of C. difficile . Moreover, the results were supported by changes in the gut microbiome profiles, cecal cytokine levels, and histopathological findings. Assessment of viral engraftment following FMT/FVT treatment and host-phage correlations analysis suggested that transfer of phages likely were an important contributing factor associated with treatment efficacy. Conclusions This proof-of-concept study shows that specific modifications of FVT hold promise in addressing challenges related to donor variability and infection risks. Two strategies lead to treatments significantly limiting C. difficile colonization in mice, with solvent/detergent treatment and chemostat propagation of donor phages emerging as promising approaches.

Abstract Metabolic syndrome encompasses amongst other conditions like obesity and type-2 diabetes and is associated with gut microbiome (GM) dysbiosis. Fecal microbiota transplantation (FMT) has been explored to treat metabolic syndrome by restoring the GM; however, concerns on accidentally transferring pathogenic microbes remain. As a safer alternative, fecal virome transplantation (FVT, sterile-filtrated feces) has the advantage over FMT in that mainly bacteriophages are transferred. FVT from lean male donors have shown promise in alleviating the metabolic effects of high-fat diet in a preclinical mouse study. However, FVT still carries the risk of eukaryotic viral infections. To address this, recently developed methods are applied for removing or inactivating eukaryotic viruses in the viral component of FVT. Modified FVTs are compared with unmodified FVT and saline in a diet-induced obesity model on male C57BL/6 N mice. Contrasted with obese control, mice administered a modified FVT (nearly depleted for eukaryotic viruses) exhibits enhanced blood glucose clearance but not weight loss. The unmodified FVT improves liver pathology and reduces the proportions of immune cells in the adipose tissue with a non-uniform response. GM analysis suggests that bacteriophage-mediated GM modulation influences outcomes. Optimizing these approaches could lead to the development of safe bacteriophage-based therapies targeting metabolic syndrome through GM restoration.

Abstract Many prokaryotes harbor the adaptive CRISPR-Cas system, which stores small nucleotide fragments from previous invasions of nucleic acids via viruses or plasmids. This molecular archive blocks further invaders carrying identical or similar nucleotide sequences. However, very few of these systems have been experimentally confirmed to be active in gut bacteria. Here, we experimentally demonstrate that the type I-C CRISPR-Cas system of the prevalent gut bacterium Eggerthella lenta can specifically target and cleave foreign DNA in vitro by using a plasmid transformation assay. We also show that the CRISPR-Cas system acquires new immunities (spacers) from the genome of a virulent E. lenta phage using traditional phage-assays in vitro but also in vivo using gnotobiotic (GB) mice. An increased number of spacer acquisition events were observed when E. lenta was exposed to a low multiplicity of infection in vitro , and three phage genes were found to contain protospacer hotspots. Interestingly, much less new spacer acquisitions were detected in vivo than in vitro . Longitudinal analysis of phage-bacteria interactions showed sustained coexistence in the gut of GB mice, with phage abundance being approximately one log higher than the bacteria. Our findings show that while the type I-C CRISPR-Cas system is active in vitro and in vivo , a highly virulent phage in vitro was still able co-exist with its bacterial host in vivo . Taken altogether, our results suggest that the CRISPR-Cas defense system of E. lenta provides only partial immunity in the gut.

Often physiological studies using mice from one vendor show different outcome when being reproduced using mice from another vendor. These divergent phenotypes between similar mouse strains from different vendors have been assigned to differences in the gut microbiome. During recent years, evidence has mounted that the gut viral community plays a key role in shaping the gut microbiome and may thus also influence mouse phenotype. However, to date inter-vendor variation in the murine gut virome has not been studied. Using a metavirome approach, combined with 16S rRNA gene sequencing, we here compare the composition of the viral and bacterial gut community of C57BL/6N mice from three different vendors exposed to either a chow-based low-fat diet or high-fat diet. Interestingly, both the bacterial and the viral component of the gut community differed significantly between vendors. The different diets also strongly influenced both the viral and bacterial gut community, but surprisingly the effect of vendor exceeded the effect of diet. In conclusion, the vendor effect is substantial on not only the gut bacterial community, but also strongly influences viral community composition. Given the effect of GM on mice phenotype this is essential to consider, for increasing reproducibility of mouse studies.

A bacterial strain, designated WCA 9 b2, was isolated from the caecal content of an 18 week old obese C57BL/6NTac male mouse. According to phenotypic analyses, the isolate is rod-shaped, Gram-positive, strictly anaerobic, spore-forming and non-motile under the conditions tested. Bacterial colonies were irregular and non-pigmented. Analysis of the 16S rRNA gene indicated that the isolate belonged to the family Lachnospiraceae with Clostridium scindens ATTC 35704 (94.9% sequence identity) and Dorea formicigenerans ATCC 27755 (94.8%) being the closest relatives. Whole genome sequencing showed average nucleotide identity (ANI) ranging from 69.80 to 74.23% and percentage of conserved proteins (POCP) values < 50% against the nine closest relatives. The genome-based G+C content of genomic DNA was 44.4%. The predominant metabolic end products of glucose fermentation were acetate and succinate. Based on these data, we propose that strain WCA 9 b2 represents a novel species within a novel genus, for which the name Sporaefaciens musculi gen. nov., sp. nov. is proposed. The type strain is WCA 9 b2 (=DSM 106039T = CCUG xxxxxT).

Abstract Probiotics have been suggested as nutritional supplements to improve gastrointestinal health. However, the probiotics marketed today only colonize the densely populated gut to a limited extent. Bacteriophages comprise the majority of viruses in the human gut virome and there are strong indications that they play important roles in shaping the gut microbiome (GM). Here we investigate the use of fecal virome transplantation (FVT) as a mean to alter GM composition to lead the way for persistent colonization of two types of probiotics: Lacticaseibacillus rhamnosus GG (LGG) representing a well-established probiotic and Akkermansia muciniphila (AKM) representing a putative next-generation probiotic. Male and female C57BL/6NTac mice were cohoused in pairs at 4 weeks of age and received the following treatment by oral gavage at week 5 and 6: AKM+FVT, probiotic sham (Pro-sham)+FVT, LGG+Saline, AKM+Saline, and control (Pro-sham+Saline). The FVT originated from donor mice with high relative abundance of A. muciniphila . All animals were terminated at age 9 weeks. The FVT treatment did not increase the relative abundance of the administered LGG or AKM in the recipient mice. Instead FVT significantly (p<0.05) increased the abundance of naturally occurring A. muciniphila compared to the control. This highlights the potential of stimulating the commensal “probiotics” that already are permanent members of the gut. Being co-housed male and female, a fraction of the female mice became pregnant. Unexpectedly, the FVT treated mice were found to have a significantly (p<0.05) higher fertility rate independent of probiotic administration. These preliminary observations urge for follow-up studies investigating GM/fertility interactions.

Aim The alpha-glucosidase inhibitor acarbose is approved for the treatment of type 2 diabetes (T2D). It acts in the lumen of the gut by reducing intestinal hydrolysis and absorption of ingested carbohydrates. This reduces postprandial blood glucose concentration and increases the content of carbohydrates in the distal parts of the intestine potentially influencing gut microbiome (GM) composition and possibly impacting the gut microbiome (GM) dysbiosis associated with T2D. Here, we investigated the effect of acarbose on GM composition in patients with T2D. Methods Faecal samples were collected in a previously conducted randomised, placebo-controlled, double-blind, crossover study in which 15 individuals with metformin-treated T2D (age 57–85 years, HbA1c 40–74 mmol/mol, BMI 23.6–34.6 kg/m 2 ) were subjected to two 14-day treatment periods with acarbose and placebo, respectively, separated by a 6-week wash-out period. Faecal samples were collected before and by the end of each treatment period. The GM profiles were evaluated by 16S rRNA gene amplicon sequencing. Results The GM profiles after the treatment periods with acarbose or placebo remained unaffected ( P > 0.7) when compared with the GM profiles before treatment. This applied to the analysis of within-sample diversity (α-diversity) and between-sample bacterial composition diversity (β-diversity). Additionally, no dominant bacterial species differentiated the treatment groups, and only minor increases in the relative abundances of Klebsiella spp. and Escherichia coli ( P < 0.05) were observed after acarbose treatment. Conclusion In patients with metformin-treated T2D, 14 days of treatment with acarbose showed only minor effects on GM as seen in increased relative abundances of Klebsiella spp. and Escherichia coli .