BackgroundShigella is the third leading global cause of moderate or severe diarrhoea among children younger than 5 years globally, and is the leading cause in children aged 24–59 months. The mechanism of protection against Shigella infection and disease in endemic areas is uncertain. We aimed to compare the Shigella-specific antibody responses in individuals living in Shigella-endemic and non-endemic areas, and to identify correlates of protection in a Shigella-endemic location.MethodsWe applied a systems approach to retrospectively analyse serological responses to Shigella across endemic and non-endemic populations. We profiled serum samples collected from 44 individuals from the USA without previous exposure to Shigella and who were experimentally challenged with Shigella sonnei (non-endemic setting), and serum samples collected from 55 Peruvian army recruits (endemic setting). In the endemic setting, a subset of 37 samples collected from individuals infected with culture-confirmed Shigella flexneri 2a were divided into two groups: susceptible, which included individuals infected within 90 days of entering the camp (n=29); or resistant, which included individuals infected later than 90 days after entering the camp (n=8). We analysed Shigella-specific antibody isotype, subclass, and Fc receptor binding profiles across IpaB, IpaC, IpaD, and lipopolysaccharide from S flexneri 2a, 3a, and 6, and S sonnei, and O-specific polysaccharide (OSP) from S flexneri 2a and 3a and S sonnei. We also evaluated antibody-mediated complement deposition and innate immune cell activation. The main outcome of interest was the detection of antibody markers and functionality associated with protection against shigellosis in a high-burden endemic setting.FindingsAdults with endemic exposure to Shigella possessed broad and functional antibody responses across polysaccharide, glycolipid, and protein antigens compared with individuals from non-endemic regions. In a setting with high Shigella burden, elevated levels of OSP-specific Fcα receptor (FcαR) binding antibodies were associated with resistance to shigellosis, whereas total OSP-specific IgA was not, suggesting a potentially unique functionality. OSP-specific FcαR binding IgA found in resistant individuals activated bactericidal neutrophil functions including phagocytosis, degranulation, and production of reactive oxygen species. Moreover, IgA depletion from resistant serum significantly reduced binding of OSP-specific antibodies to FcαR and antibody-mediated activation of neutrophils and monocytes.InterpretationOur findings suggest that OSP-specific functional IgA responses contribute to protective immunity against Shigella infection in a high-burden setting. These findings will assist in the development and evaluation of Shigella vaccines.FundingUS National Institutes of Health.

Despite an increasingly detailed picture of the molecular mechanisms of phage-bacterial interactions, we lack an understanding of how these interactions evolve and impact disease within patients. Here we report a year-long, nation-wide study of diarrheal disease patients in Bangladesh. Among cholera patients, we quantified Vibrio cholerae (prey) and its virulent phages (predators) using metagenomics and quantitative PCR, while accounting for antibiotic exposure using quantitative mass spectrometry. Virulent phage (ICP1) and antibiotics suppressed V. cholerae to varying degrees and were inversely associated with severe dehydration depending on resistance mechanisms. In the absence of anti-phage defenses, predation was 'effective,' with a high predator:prey ratio that correlated with increased genetic diversity among the prey. In the presence of anti-phage defenses, predation was 'ineffective,' with a lower predator:prey ratio that correlated with increased genetic diversity among the predators. Phage-bacteria coevolution within patients should therefore be considered in the deployment of phage-based therapies and diagnostics.

Cholera is a severe, waterborne diarrheal disease caused by toxin-producing strains of the bacterium Vibrio cholerae. Comparative genomics has revealed "waves" of cholera transmission and evolution, in which clones are successively replaced over decades and centuries. However, the extent of V. cholerae genetic diversity within an epidemic or even within an individual patient is poorly understood. Here, we characterized V. cholerae genomic diversity at a micro-epidemiological level within and between individual patients from Bangladesh and Haiti. To capture within-patient diversity, we isolated multiple (8 to 20) V. cholerae colonies from each of eight patients, sequenced their genomes and identified point mutations and gene gain/loss events. We found limited but detectable diversity at the level of point mutations within hosts (zero to three single nucleotide variants within each patient), and comparatively higher gene content variation within hosts (at least one gain/loss event per patient, and up to 103 events in one patient). Much of the gene content variation appeared to be due to gain and loss of phage and plasmids within the V. cholerae population, with occasional exchanges between V. cholerae and other members of the gut microbiota. We also show that certain intra-host variants have phenotypic consequences. For example, the acquisition of a Bacteroides plasmid and nonsynonymous mutations in a sensor histidine kinase gene both reduced biofilm formation, an important trait for environmental survival. Together, our results show that V. cholerae is measurably evolving within patients, with possible implications for disease outcomes and transmission dynamics.

ABSTRACT Vibrio cholerae O1 causes the diarrheal disease cholera, and the small intestine is the site of active infection. During cholera, cholera toxin is secreted from V. cholerae and induces a massive fluid influx into the small intestine, which causes vomiting and diarrhea. Typically, V. cholerae genomes are sequenced from bacteria passed in stool, but rarely from vomit, a fluid that may more closely represents the site of active infection. We hypothesized that the V. cholerae O1 population bottlenecks along the gastrointestinal tract would result in reduced genetic variation in stool compared to vomit. To test this, we sequenced V. cholerae genomes from ten cholera patients with paired vomit and stool samples. Genetic diversity was low in both vomit and stool, consistent with a single infecting population rather than co-infection with divergent V. cholerae O1 lineages. The number of single nucleotide variants decreased between vomit and stool in four patients, increased in two, and remained unchanged in four. The number of genes encoded in the V. cholerae genome decreased between vomit and stool in eight patients and increased in two. Pangenome analysis of assembled short-read sequencing demonstrated that the toxin-coregulated pilus operon more frequently contained deletions in genomes from vomit compared to stool. However, these deletions were not detected by PCR or long-read sequencing, indicating that interpreting gene presence or absence patterns from short-read data alone may be incomplete. Overall, we found that V. cholerae O1 isolated from stool is genetically similar to V. cholerae recovered from the upper intestinal tract. IMPORTANCE Vibrio cholerae O1, the bacterium that causes cholera, is ingested in contaminated food or water and then colonizes the upper small intestine and is excreted in stool. Shed V. cholerae genomes are usually studied, but V. cholerae isolated from vomit may be more representative of where V. cholerae colonizes in the upper intestinal epithelium. V. cholerae may experience bottlenecks, or large reductions in bacterial population sizes or genetic diversity, as it passes through the gut. Passage through the gut may select for distinct V. cholerae mutants that are adapted for survival and gut colonization. We did not find strong evidence for such adaptive mutations, and instead observed that passage through the gut results in modest reductions in V. cholerae genetic diversity, and only in some patients. These results fill a gap in our understanding of the V. cholerae life cycle, transmission, and evolution.

Introduction: Cholera rapid diagnostic tests (RDTs) are vulnerable to virulent bacteriophage predation. We hypothesized that an enhanced cholera RDT that detects the common virulent bacteriophage ICP1 might serve as a proxy for pathogen detection. We previously developed a monoclonal antibody (mAb) to the ICP1 major capsid protein. Our objective herein was to design and assemble a first-of-its-kind RDT that detects both a bacterial pathogen (Vibrio cholerae) and associated virulent bacteriophage (ICP1). Method: Candidate mAbs were expanded to increase design options and evaluated by immunological assays (ELISA; western blot). A subset of mAbs were selected for gold conjugation and printing on the RDT. The limit of detection (LOD) of prototype RDTs were determined in diarrheal stools with the addition of ICP1. Results: Three mAb candidates were developed and evaluated for the capsid decoration protein (ORF123) and tail fiber protein (ORF93), and the prior mAb for the major capsid protein (ORF122). A single mAb sandwich RDT prototype for ORF122 was able to detect ICP1; RDTs with mAbs to ORF123 and ORF93 failed to detect ICP1 in single or dual sandwich configurations. Biologically meaningful LODs for ICP1 were achieved only after boiling the stool with ICP1; analysis by electron microscopy suggested increased epitope availability after boiling. Conclusion: In this study, we demonstrate a proof of concept for a functional RDT that can detect both the primary pathogen and a common virulent bacteriophage as a proxy for pathogen detection. Further optimization is required before scaled production and implementation.

ABSTRACT Cholera is an acute watery diarrheal disease that causes high rates of morbidity and mortality without treatment. Early detection of the etiologic agent of toxigenic Vibrio cholerae is important to mobilize treatment and mitigate outbreaks. Monoclonal antibody (mAb) based rapid diagnostic tests (RDTs) enable early detection in settings without laboratory capacity. However, the odds of an RDT testing positive are reduced by nearly 90% when the common virulent bacteriophage ICP1 is present. We hypothesize that adding a mAb for the common, and specific, virulent bacteriophage ICP1 as a proxy for V. cholerae to an RDT will increase diagnostic sensitivity when virulent ICP1 phage are present. In this study, we used an in-silico approach to identify immunogenic ICP1 protein targets that were conserved across disparate time periods and locations. Specificity of targets to cholera patients with known ICP1 was determined, and specific targets were used to produce mAbs in a murine model. Candidate mAbs to the head protein demonstrated specificity to ICP1 by ELISA and an ICP1 phage neutralization assay. The limit of detection of the final mAb candidate for ICP1 phage particles spiked into cholera stool matrix was 8 × 10 5 plaque forming units by Western blot analysis. This mAb will be incorporated into a RDT prototype for evaluation in a future diagnostic study to test the guiding hypothesis behind this study.

Abstract Two circular chromosomes are a defining feature of the family Vibrionaceae , including the pathogen Vibrio cholerae , with rare reports of isolates with a single, fused chromosome. Here we report chromosome fusions in clinical V. cholerae O1 isolates, including several independent fusion events stable enough to be transmitted between patients within a household. Fusion occurs in a 12 kilobase-pair homologous sequence shared between the two chromosomes, which may lead to reversible chromosomal fusion.

Abstract Shigella is the second leading cause of diarrheal disease-related death in young children in low and middle income countries. The mechanism of protection against shigella infection and disease in endemic areas is uncertain. While historically LPS-specific IgG titers have been associated with protection in endemic settings, emerging deeper immune approaches have recently elucidated a protective role for IpaB-specific antibody responses in a controlled human challenge model in North American volunteers. To deeply interrogate potential correlates of immunity in areas endemic for shigellosis, here we applied a systems approach to analyze the serological response to shigella across endemic and non-endemic populations. Additionally, we analyzed shigella-specific antibody responses over time in the context of endemic resistance or breakthrough infections in a high shigella burden location. Individuals with endemic exposure to shigella possessed broad and functional antibody responses across both glycolipid and protein antigens compared to individuals from non-endemic regions. In high shigella burden settings, elevated levels of OSP-specific FcαR binding antibodies were associated with resistance to shigellosis. OSP-specific FcαR binding IgA found in resistant individuals activated bactericidal neutrophil functions including phagocytosis, degranulation and reactive oxygen species production. Moreover, IgA depletion from resistant serum significantly reduced binding of OSP-specific antibodies to FcαR and antibody mediated activation of neutrophils and monocytes. Overall, our findings suggest that OSP-specific functional IgA responses contribute to protective immunity against shigella infection in high-burden settings. These findings will assist in the development and evaluation of shigella vaccines.

ABSTRACT The mechanism of protection against cholera afforded by previous illness or vaccination is currently unknown. We have recently shown that antibodies targeting O-specific polysaccharide (OSP) of Vibrio cholerae correlate highly with protection against cholera. V. cholerae is highly motile and possesses a flagellum sheathed in O-specific polysaccharide (OSP), and motility of V. cholerae correlates with virulence. Using high speed video microscopy, and building upon previous animal-related work, we demonstrate that sera, polyclonal antibody fractions, and OSP-specific monoclonal antibodies recovered from humans surviving cholera block V. cholerae motility at both subagglutinating and agglutinating concentrations. This anti-motility effect is reversed by pre-adsorbing sera and polyclonal antibody fractions with purified OSP; and is associated with OSP-specific but not flagellin-specific monoclonal antibodies. F[ab] fragments of OSP-specific polyclonal antibodies do not inhibit motility, suggesting a requirement for antibody-mediated crosslinking in motility inhibition. We show that OSP-specific antibodies do not directly affect V. cholerae viability, but that OSP-specific monoclonal antibody highly protects against death in the murine cholera model. We used in vivo competitive index studies to demonstrate that OSP-specific antibodies impede colonization and survival of V. cholerae in intestinal tissues, and that this impact is motility-dependent. Our findings suggest that the impedance of motility by antibodies targeting V. cholerae OSP contributes to protection against cholera. IMPORTANCE Cholera is a severe dehydrating illness of humans caused by Vibrio cholerae. V. cholerae is a highly motile bacterium that has a single flagellum covered in lipopolysaccharide (LPS) displaying O-specific polysaccharide (OSP), and V. cholerae motility correlates with its ability to cause disease. The mechanisms of protection against cholera are not well understood; however, since V. cholerae is a non-invasive intestinal pathogen, it is likely that antibodies that bind the pathogen or its products in the intestinal lumen contribute to protection from infection. Here, we demonstrate that OSP-specific antibodies isolated from humans surviving cholera in Bangladesh inhibit V. cholerae motility and are associated with protection against challenge in a motility-dependent manner.

ABSTRACT Vibrio cholerae can cause a range of symptoms, ranging from severe diarrhea to asymptomatic infection. Previous studies using whole genome sequencing (WGS) of multiple bacterial isolates per patient showed that V. cholerae can evolve modest genetic diversity during symptomatic infection. To further explore the extent of V. cholerae within-host diversity, we applied culture-based WGS and metagenomics to a cohort of both symptomatic and asymptomatic cholera patients from Bangladesh. While metagenomics allowed us to detect more mutations in symptomatic patients, WGS of cultured isolates was necessary to detect V. cholerae diversity in asymptomatic carriers, likely due to their low V. cholerae load. Using both metagenomics and isolate WGS, we report three lines of evidence that V. cholerae hypermutators evolve within patients. First, we identified nonsynonymous in V. cholerae DNA repair genes in five out of 11 patient metagenomes sequenced with sufficient coverage of the V. cholerae genome, and in one of three patients with isolate genomes sequenced. Second, mutations in DNA repair genes tended to be accompanied by an excess of intrahost single nucleotide variants (iSNVs). Third, these iSNVs were enriched in transversion mutations, a known hallmark of hypermutator phenotypes. While hypermutators appeared to generate mostly selectively neutral mutations, non-mutators showed signs of convergent mutation across multiple patients, suggesting V. cholerae adaptation within hosts. Our results highlight the power and limitations of metagenomics combined with isolate sequencing to characterize within-patient diversity in acute V. cholerae infections, while providing evidence for hypermutator phenotypes within cholera patients. IMPORTANCE Pathogen evolution within patients can impact phenotypes such as drug resistance and virulence, potentially affecting clinical outcomes. V. cholerae infection can result in life-threatening diarrheal disease, or asymptomatic infection. Here we describe whole-genome sequencing of V. cholerae isolates and culture-free metagenomic sequencing from stool of symptomatic cholera patients and asymptomatic carriers. Despite the typically short duration of cholera, we found evidence for adaptive mutations in the V. cholerae genome that occur independently and repeatedly within multiple symptomatic patients. We also identified V. cholerae hypermutator phenotypes within several patients, which appear to generate mainly neutral or deleterious mutations. Our work sets the stage for future studies of the role of hypermutators and within-patient evolution in explaining the variation from asymptomatic carriage to symptomatic cholera.