The bodies of most animals are populated by highly complex and genetically diverse communities of microorganisms. The majority of these microbes reside within the intestines in largely stable but dynamically interactive climax communities that positively interact with their host. Studies from this laboratory have shown that stressor exposure impacts the stability of the microbiota and leads to bacterial translocation. The biological importance of these alterations, however, is not well understood. To determine whether the microbiome contributes to stressor-induced immunoenhancement, mice were exposed to a social stressor called social disruption (SDR), that increases circulating cytokines and primes the innate immune system for enhanced reactivity. Bacterial populations in the cecum were characterized using bacterial tag-encoded FLX amplicon pyrosequencing. Stressor exposure significantly changed the community structure of the microbiota, particularly when the microbiota were assessed immediately after stressor exposure. Most notably, stressor exposure decreased the relative abundance of bacteria in the genus Bacteroides, while increasing the relative abundance of bacteria in the genus Clostridium. The stressor also increased circulating levels of IL-6 and MCP-1, which were significantly correlated with stressor-induced changes to three bacterial genera (i.e., Coprococcus, Pseudobutyrivibrio, and Dorea). In follow up experiments, mice were treated with an antibiotic cocktail to determine whether reducing the microbiota would abrogate the stressor-induced increases in circulating cytokines. Exposure to SDR failed to increase IL-6 and MCP-1 in the antibiotic treated mice. These data show that exposure to SDR significantly affects bacterial populations in the intestines, and remarkably also suggest that the microbiota are necessary for stressor-induced increases in circulating cytokines.

Abstract Background Activation of the peripheral innate immune system stimulates the secretion of CNS cytokines that modulate the behavioral symptoms of sickness. Excessive production of cytokines by microglia, however, may cause long-lasting behavioral and cognitive complications. The purpose of this study was to determine if minocycline, an anti-inflammatory agent and purported microglial inhibitor, attenuates lipopolysaccharide (LPS)-induced neuroinflammation, sickness behavior, and anhedonia. Methods In the first set of experiments the effect of minocycline pretreatment on LPS-induced microglia activation was assessed in BV-2 microglia cell cultures. In the second study, adult (3–6 m) BALB/c mice received an intraperitoneal (i.p.) injection of vehicle or minocycline (50 mg/kg) for three consecutive days. On the third day, mice were also injected (i.p.) with saline or Escherichia coli LPS (0.33 mg/kg) and behavior (i.e., sickness and anhedonia) and markers of neuroinflammation (i.e., microglia activation and inflammatory cytokines) were determined. In the final study, adult and aged BALB/c mice were treated with the same minocycline and LPS injection regimen and markers of neuroinflammation were determined. All data were analyzed using Statistical Analysis Systems General Linear Model procedures and were subjected to one-, two-, or three-way ANOVA to determine significant main effects and interactions. Results Minocycline blocked LPS-stimulated inflammatory cytokine secretion in the BV-2 microglia-derived cell line and reduced LPS-induced Toll-like-receptor-2 (TLR2) surface expression on brain microglia. Moreover, minocycline facilitated the recovery from sickness behavior (i.e., anorexia, weight loss, and social withdrawal) and prevented anhedonia in adult mice challenged with LPS. Furthermore, the minocycline associated recovery from LPS-induced sickness behavior was paralleled by reduced mRNA levels of Interleukin (IL)-1β, IL-6, and indoleamine 2, 3 dioxygenase (IDO) in the cortex and hippocampus. Finally, in aged mice, where exaggerated neuroinflammation was elicited by LPS, minocycline pretreatment was still effective in markedly reducing mRNA levels of IL-1β, TLR2 and IDO in the hippocampus. Conclusion These data indicate that minocycline mitigates neuroinflammation in the adult and aged brain and modulates the cytokine-associated changes in motivation and behavior.

Psychosocial stress is associated with altered immune function and development of psychological disorders including anxiety and depression. Here we show that repeated social defeat in mice increased c-Fos staining in brain regions associated with fear and threat appraisal and promoted anxiety-like behavior in a β-adrenergic receptor-dependent manner. Repeated social defeat also significantly increased the number of CD11b + /CD45 high /Ly6C high macrophages that trafficked to the brain. In addition, several inflammatory markers were increased on the surface of microglia (CD14, CD86, and TLR4) and macrophages (CD14 and CD86) after social defeat. Repeated social defeat also increased the presence of deramified microglia in the medial amygdala, prefrontal cortex, and hippocampus. Moreover, mRNA analysis of microglia indicated that repeated social defeat increased levels of interleukin (IL)-1β and reduced levels of glucocorticoid responsive genes [glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ) and FK506 binding protein-51 (FKBP51)]. The stress-dependent changes in microglia and macrophages were prevented by propranolol, a β-adrenergic receptor antagonist. Microglia isolated from socially defeated mice and cultured ex vivo produced markedly higher levels of IL-6, tumor necrosis factor-α, and monocyte chemoattractant protein-1 after stimulation with lipopolysaccharide compared with microglia from control mice. Last, repeated social defeat increased c-Fos activation in IL-1 receptor type-1-deficient mice, but did not promote anxiety-like behavior or microglia activation in the absence of functional IL-1 receptor type-1. These findings indicate that repeated social defeat-induced anxiety-like behavior and enhanced reactivity of microglia was dependent on activation of β-adrenergic and IL-1 receptors.

Significance Chronic exposure to adverse social environments is associated with increased risk of disease, and stress-related increases in the expression of proinflammatory genes appear to contribute to these effects. The present study identifies a biological mechanism of such effects in the ability of the sympathetic nervous system to up-regulate bone marrow production of immature, proinflammatory monocytes. These effects are mediated by β-adrenergic receptors and the myelopoietic growth factor GM-CSF, and suggest new targets for interventions to protect health in the context of chronic social stress.

The integrity of the indigenous microflora of the intestines after maternal separation was investigated in infant rhesus monkeys to determine whether psychological stress may lead to an internal environment conducive to pathogen infection. The stability of the indigenous microflora were estimated by enumeration of total and gram-negative aerobic and facultatively anaerobic bacterial species, specifically Lactobacilli, from coprocultures taken before and after maternal separation. In addition, behavioral and cortisol responses to separation were correlated to the microflora. A significant decrease in fecal bacteria, especially Lactobacilli, was evident on day 3 postseparation, with a return to baseline by the end of the week. The drop in the microflora was correlated with the display of stress-indicative behaviors, but not with cortisol secretion. In addition, infants who displayed numerous stress-indicative behaviors were more susceptible to opportunistic bacterial infection. These results suggest that strong emotional reactions to disruption of the mother-infant bond may increase vulnerability to disease.

The microbiota of the mammalian gastrointestinal (GI) tract consists of diverse populations of commensal bacteria that interact with host physiological function. Dysregulating these populations, through exogenous means such as antibiotics or dietary changes, can have adverse consequences on the health of the host. Studies from laboratories such as ours have demonstrated that exposure to psychological stressors disrupts the population profile of intestinal microbiota. To date, such studies have primarily focused on prolonged stressors (repeated across several days) and have assessed fecal bacterial populations. It is not known whether shorter stressors can also impact the microbiota, and whether colonic mucosa-associated populations can also be affected. The mucosa-associated microbiota exist in close proximity to elements of the host immune system and the two are tightly interrelated. Therefore, alterations in these populations should be emphasized. Additionally, stressors can induce differential responses in anxiety-like behavior and corticosterone outputs in variant strains of mice. Thus, whether stressor exposure can have contrasting effects on the colonic microbiota in inbred C57BL/6 mice and outbred CD-1 mice was also examined. In the present study, we used high throughput pyrosequencing to assess the effects of a single 2-hour exposure to a social stressor, called social disruption (SDR), on colonic mucosa-associated microbial profiles of C57BL/6 mice. The data indicate that exposure to the stressor significantly changed the community profile and significantly reduced the relative proportions of two genera and one family of highly abundant intestinal bacteria, including the genus Lactobacillus. This finding was confirmed using a quantitative real-time polymerase chain reaction (qPCR) technique. The use of qPCR also identified mouse strain-specific differences in bacterial abundances. L. reuteri, an immunomodulatory species, was decreased in stressor-exposed CD-1 mice, but not C57BL/6 mice. These data illustrate that stressor exposure can affect microbial populations, including the lactobacilli, that are closely associated with the colonic mucosa. Because the lactobacilli can have beneficial effects on human health, stressor-induced reductions of their population could have important health implications.

ABSTRACT The gastrointestinal tract is colonized by an enormous array of microbes that are known to have many beneficial effects on the host. Previous studies have indicated that stressor exposure can disrupt the stability of the intestinal microbiota, but the extent of these changes, as well as the effects on enteric infection, has not been well characterized. In order to examine the ability of stressors to induce changes in the gut microbiota, we exposed mice to a prolonged restraint stressor and then characterized microbial populations in the intestines using both traditional culture techniques and bacterial tag-encoded FLX amplicon pyrosequencing (bTEFAP). Exposure to the stressor led to an overgrowth of facultatively anaerobic microbiota while at the same time significantly reducing microbial richness and diversity in the ceca of stressed mice. Some of these effects could be explained by a stressor-induced reduction in the relative abundance of bacteria in the family Porphyromonadaceae . To determine whether these alterations would lead to increased pathogen colonization, stressed mice, as well as nonstressed controls, were challenged orally with the enteric murine pathogen Citrobacter rodentium . Exposure to the restraint stressor led to a significant increase in C. rodentium colonization over that in nonstressed control mice. The increased colonization was associated with increased tumor necrosis factor alpha (TNF-α) gene expression in colonic tissue. Together, these data demonstrate that a prolonged stressor can significantly change the composition of the intestinal microbiota and suggest that this disruption of the microbiota increases susceptibility to an enteric pathogen.

Abstract Maternal stress during pregnancy is widespread and stress-induced fetal neuroinflammation is thought to derive from a disruption in intrauterine immune homeostasis, though the exact origins are incompletely defined. We aimed to identify divergent immune and microbial metagenome profiles of stressed gestating mice that may underlie detrimental inflammatory signaling at the maternal-fetal interface. In response to stress, maternal glucocorticoid circuit activation corresponded with diminished spleen mass and IL-1β production, reflecting systemic immunosuppression. At the maternal-fetal interface, density of placental mononuclear leukocytes decreased with stress. Yet maternal whole blood leukocyte analysis indicated monocytosis and classical M1 phenotypic shifts. Genome-resolved microbial metagenomic analyses revealed reductions in genes, microbial strains, and metabolic pathways in stressed dams that are primarily associated with pro-inflammatory function. Overall, these data indicate that stress disrupts maternal immunological and microbial regulation during pregnancy, characterized by concurrent anti- and pro-inflammatory signatures, which may displace immune equilibrium at the maternal-fetal interface.