Abstract Supplementation with members of the early-life microbiota or ‘probiotics’ is becoming increasingly popular to attempt to beneficially manipulate the preterm gut microbiota. We performed a large longitudinal study comprising two preterm groups; 101 orally supplemented with Bifidobacterium and Lactobacillus (Bif/Lacto) and 133 non-supplemented (Control) matched by age, sex, birth-mode, and diet. 16S rRNA metataxonomic profiling on stool samples (n = 592) indicated a predominance of Bifidobacterium , and a reduction of pathobionts in the Bif/Lacto group. Metabolic phenotyping found a parallel increase in fecal acetate and lactate in the Bif/Lacto group compared to the Control group, which positively correlated with Bifidobacterium abundance consistent with the ability of the supplemented Bifidobacterium strain to metabolize human milk oligosaccharides and reduced gut pH. This study demonstrates that microbiota supplementation can modify the preterm microbiome and the gastrointestinal environment to more closely resemble that of a full-term infant.

Abstract The gut microbiota plays a central role in regulating host metabolism. While substantial progress has been made in discerning how the microbiota influences host functions post birth and beyond, little is known about how key members of the maternal gut microbiota can influence feto-placental growth. Notably, in pregnant women, Bifidobacterium represents a key beneficial microbiota genus, with levels observed to increase across pregnancy. Here, using germ-free and specific-pathogen-free mice, we demonstrate that the bacterium Bifidobacterium breve UCC2003 modulates maternal body adaptations, placental structure and nutrient transporter capacity, with implications for fetal metabolism and growth. Maternal and placental metabolome were affected by maternal gut microbiota ( i . e . acetate, formate and carnitine). Histological analysis of the placenta confirmed that Bifidobacterium modifies placental structure via changes in Igf2P0, Dlk1, Mapk1 and Mapk14 expression. Additionally, B. breve UCC2003, acting through Slc2a1 and Fatp1-4 transporters, was shown to restore fetal glycaemia and fetal growth in association with changes in the fetal hepatic transcriptome. Our work emphasizes the importance of the maternal gut microbiota on feto-placental development and sets a foundation for future research towards the use of probiotics during pregnancy.

Abstract Breast cancer is the leading cause of cancer mortality in women worldwide and commonly metastasizes to the bone marrow, drastically reducing patient prognosis and survival. In the bone marrow niche, metastatic cells can enter into a dormant state, thereby evading immune surveillance and treatment, and can be reactivated to enter a proliferative state due to poorly understood cues. Mesenchymal stromal cells (MSCs) maintain cells in this niche partly by secreting extracellular matrix and paracrine factors and by responding to regenerative cues. MSCs also produce extracellular vesicles (EVs) that carry a range of cargoes, some of which are implicated in cell signalling. Here, we investigate if the changing metabolic state of MSCs alters the cargoes they package into EVs, and how these changing cargoes act on dormant breast cancer cells (BCCs) using an in vitro BCC spheroid model and a scratch assay to create a regenerative demand on MSCs. Our findings show that EVs produced by standard MSCs contain glycolytic metabolites that maintain BCC dormancy. When MSCs are placed under a regenerative demand and increase their respiration to fuel differentiation, these metabolites disappear from the EV cargo and their absence encourages rapid growth in the BCC spheroids. This work implicates EVs in cancer cell dormancy in the bone marrow niche and indicates that pressures on the niche, such as regeneration, can be a driver of BCC activation.

The gut microbiota of infants in low-middle income countries like Cambodia remain underrepresented in microbiome research. This study aimed to explore the faecal gut microbiota composition and faecal cytokine profiles in a cohort of infants living in a rural province of Cambodia and explore the impact of sample storage conditions and infant environment on microbiota composition. Faecal samples collected at three time points from 32 infants (96 samples in total) after 7 months of age were analysed using 16S rRNA amplicon sequencing to determine the composition of the microbiota. Bacterial strains were isolated and subjected to whole genome sequencing and genomic analysis and concentrations of faecal cytokines were also measured. Initially, we compared the effects of two sample collection methods due to the challenges of faecal sample collection and storage in a rural location. Storage of faecal samples in a DNA preservation solution retained a greater abundance of Bacteroides. Analyses of microbiota composition of samples stored in DNA preservation solution indicated that Bifidobacterium was the most abundant genus with Bifidobacterium longum the most abundant species, particularly in breastfed infants. Most infants had detectable pathogenic taxa indicating frequent pathogen exposure, with Shigella and Klebsiella more abundant in infants with recent diarrheal illness. We did not detect antibiotic-associated perturbations in the gut microbiota, and no associations were found between the gut microbiota and infant growth. Genomic analysis of isolated strains indicated the presence of gene clusters encoding the ability to digest human milk oligosaccharides in B. longum and Bifidobacterium breve isolates. The presence of antibiotic-resistant genes was also identified in potentially pathogenic species, as well as in beneficial genera including Bifidobacterium. Faecal cytokine analysis showed higher concentrations of Interlukin-1alpha and vascular endothelial growth factor in breastfed infants, which may influence the infant gut mucosal immune system. This study provides insights into an underrepresented population of rural Cambodian infants, emphasising the impact of pathogen exposure and breastfeeding on gut microbiota composition and faecal immune profiles.

Members of the genus Bifidobacterium represent an important bacterial group for promoting health during early life. Previous studies have indicated that bifidobacterial exopolysaccharides (EPS) are involved in host interactions, with purified EPS also suggested to modulate microbe-microbe interactions by acting as a nutrient substrate. To further explore the role of EPS as a potential dietary component, we determined the longitudinal effects of bifidobacterial EPS on microbial communities and metabolite profiles using an infant model colon system. Bifidobacterium breve UCC2003 was utilised as a representative early life bifidobacterial strain, and a corresponding isogenic EPS-deletion mutant (B. breve UCC2003 EPS-). Initial transcriptomics analysis of the EPS mutant vs. parent B. breve UCC2003 strain highlighted differential expression in a discrete number of genes, including the eps biosynthetic cluster, though overall growth dynamics between the two strains were unaffected. Model colon vessels were inoculated with B. breve strains and microbiome dynamics were monitored using metataxonomic (via 16S rRNA sequencing) and metabolomic (via 1H NMR) approaches. Baseline early life microbiota profiles were similar between vessels, with persistence of B. breve (EPS+ and EPS-) observed between 0-36h. Within the EPS-positive vessel there was a significant shift in microbiome and metabolite profiles until the end of the study (405h); we observed increases of Escherichia and Tyzzerella, and short-chain fatty acids including acetate, propionate and formate, including further correlations between taxa and metabolites which were not observed in the EPS-negative vessel. These data indicate that the B. breve UCC2003 EPS is potentially being metabolised by members of the infant microbial community, leading to differential microbial metabolism and altered metabolite by-products. Overall, these findings may allow for development of EPS-specific strategies to beneficially alter the early life microbiota to promote infant health.

The diverse community of commensal microbes that comprise the gut microbiota is known to play an integral role in human health, not least through its ability to regulate host immune responses and metabolic pathways. Alterations to the homeostasis of this community, including through the use of broad-spectrum antibiotics, have already been associated with the progression of several cancers, namely melanoma and liver. The aggressive nature of breast cancer (BrCa), largely due to its ability to metastasize early, has ranked the disease with the second highest mortality rate of all cancers globally. Yet the body of research into the complex relationship between the microbiota and BrCa is still limited. This study found that a depletion of the microbiota, through the administration of antibiotics, significantly increased the rate of primary tumour progression in mouse BrCa models. We show that antibiotic-induced microbiota disturbances lead to changes in behaviour of a relatively obscure tumour immune cell population: mast cells. We observed increases in tumour stroma-associated mast cells in antibiotic treated animals. Moreover, inhibition of mast cell degranulation, via cromolyn, slowed tumour progression in antibiotic treated animals but not in control animals. Thus, it appears that a perturbed microbiota drives stroma-associated mast cell recruitment and activation, which in turn promotes primary tumour growth through an as yet unknown mechanism.

Background: Breast cancer is the second most prevalent cancer worldwide with around 1.7 million new cases diagnosed every year. Whilst prognosis is generally favourable in early stages, this worsens significantly in advanced disease. Therefore, it is pertinent to focus on mitigating factors that may slow growth or progression. Recently, the gut microbiome has been implicated in a wide-range of roles in tumour biology. Through modulation of immunity, the gut microbiota can improve the efficacy of several immunotherapies. However, despite the prevalence of breast cancer, there is still a lack of microbiota studies in this field, including exploring the influence of external microbiome-modulating factors such as antibiotics. We describe herein how disruption of the gut microbiota via antibiotics may be detrimental to patient outcomes through acceleration of tumour growth. Results: Supplementing animals with a cocktail of antibiotics leads to gut microbiota alterations and is accompanied by significant acceleration of tumour growth. Surprisingly, and distinct from previous microbiome-tumour studies, the mechanism driving these effects do not appear to be due to gross immunological changes. Analysis of intratumoural immune cell populations and cytokine production are not affected by antibiotic administration. Through global tumour transcriptomics, we have uncovered dysregulated gene expression networks relating to protein and lipid metabolism that are correlated with accelerated tumour growth. Fecal metabolomics revealed a reduction of the microbial-derived short-chain fatty acid butyrate that may contribute to accelerated tumour growth. Finally, through use of a routinely administered antibiotic in breast cancer patients, Cephalexin, we have shown that tumour growth is also significantly affected. Metataxanomic sequencing and analysis highlighted significant antibiotic-associated reductions in the butyrate producing genera Odoribacter and Anaeotruncus, and increased abundance of Bacteroides. Conclusions: Our data indicate that perturbation of the microbiota by antibiotics may have negative impacts on breast cancer patient outcomes. This is of importance as antibiotics are regularly prescribed to breast cancer patients undergoing mastectomy or breast reconstruction. We have also shown that the metabolic impact of disruption to the microbiome should be considered alongside the potent immunological effects. We believe our work lays the foundation for improving the use of antibiotics in patients, and with further investigation could potentially inform clinical practice.

Abstract Post-operative infection is a major complication in patients recovering from orthopaedic surgery. As such, there is a clinical need to develop biomaterials for use in regenerative surgery that can promote mesenchymal stem cell (MSC) osteospecific differentiation and that can prevent infection caused by biofilm-forming pathogens. Nanotopographical approaches to pathogen control are being identified, including in orthopaedic materials such as titanium and its alloys. These topographies use high aspect ratio nanospikes or nanowires to prevent bacterial adhesion but these features puncture adhering cells, thus also reducing MSC adhesion. Here, we use a poly(ethyl acrylate) (PEA) polymer coating on titanium nanowires to spontaneously organise fibronectin (FN) and to deliver bone morphogenetic protein 2 (BMP2) to enhance MSC adhesion and osteospecific signalling. This nanotopography when combined with the PEA coating enhanced osteogenesis and reduced adhesion of Pseudomonas aeruginosa in culture. Using a novel MSC– Pseudomonas aeruginosa co-culture, we also show that the coated nanotopographies protect MSCs from cytotoxic quorum sensing and signalling molecules. We conclude that the PEA polymer-coated nanotopography can both support MSCs and prevent pathogens from adhering to a biomaterial surface, thus protecting from biofilm formation and bacterial infection and supporting osteogenic repair.

Abstract Osteoporosis disrupts the fine-tuned balance between bone formation and resorption leading to reductions in bone quantity and quality, ultimately leading to increased fracture risk. Prevention and treatment of osteoporotic fractures is essential, for reductions in mortality, morbidity and the economic burden, particularly considering the ageing global population. Extreme bone loss that mimics time-accelerated osteoporosis develops in the paralysed limbs following complete spinal cord injury (SCI). In vitro nanoscale vibration (1 kHz, 30- or 90 nm amplitude) has been shown to drive differentiation of mesenchymal stem cells towards osteoblast-like phenotypes, enhancing osteogenesis, and inhibiting osteoclastogenesis, simultaneously. Here we develop and characterise a wearable device designed to deliver continuous nano-amplitude vibration to the hindlimb long bones of rats with complete SCI. We investigate whether a clinically feasible dose of nanovibration (4-hours/day, 5-days/week for 6 weeks) is effective at reversing the established SCI-induced osteoporosis. Laser interferometry and finite element analysis confirmed transmission of nanovibration into the bone, and micro-computed tomography and serum bone formation and resorption markers assessed effectiveness. The intervention did not reverse SCI-induced osteoporosis. However, serum analysis indicated an elevated concentration of the bone formation marker procollagen type 1 N-terminal propeptide (P1NP) in rats receiving 40 nm amplitude nanovibration, suggesting increased synthesis of type 1 collagen, the major organic component of bone. Therefore, enhanced doses of nanovibrational stimulus may yet prove beneficial in attenuating/reversing osteoporosis, particularly in less severe forms of osteoporosis.

Abstract The human skin microbiome represents a variety of complex microbial ecosystems that play a key role in host health. Molecular methods to study these communities have been developed but have been largely limited to low-throughput quantification and short amplicon sequencing, providing limited functional information about the communities present. Shotgun metagenomic sequencing has emerged as a preferred method for microbiome studies as it provides more comprehensive information about the species/strains present in a niche and the genes they encode. However, the relatively low bacterial biomass of skin, in comparison to other areas such as the gut microbiome, makes obtaining sufficient DNA for shotgun metagenomic sequencing challenging. Here we describe an optimised high-throughput method for extraction of high molecular weight DNA suitable for shotgun metagenomic sequencing. We validated the performance of the extraction method, and analysis pipeline on skin swabs collected from both adults and babies. The pipeline effectively characterised the bacterial skin microbiota with a cost and throughput suitable for larger longitudinal sets of samples. Application of this method will allow greater insights into community compositions and functional capabilities of the skin microbiome. Impact Statement Determining the functional capabilities of microbial communities within different human microbiomes is important to understand their impacts on health. Extraction of sufficient DNA is challenging, especially from low biomass samples, such as skin swabs suitable for shotgun metagenomics, which is needed for taxonomic resolution and functional information. Here we describe an optimised DNA extraction method that produces enough DNA from skin swabs, suitable for shotgun metagenomics, and demonstrate it can be used to effectively characterise the skin microbiota. This method will allow future studies to identify taxonomic and functional changes in the skin microbiota which is needed to develop interventions to improve and maintain skin health. Data Summary All sequence data and codes can be accessed at: NCBI Bio Project ID: PRJNA937622 DOI: https://github.com/quadram-institute-bioscience/coronahit_guppy DOI: https://github.com/ilianaserghiou/Serghiou-et-al.-2023-Codes