Abstract Neonatal immune-microbiota co-development is poorly understood, yet appropriate recognition of – and response to – pathogens and commensal microbiota is critical to health. In this longitudinal study of 148 pre- and 119 full-term infants from birth through one year of age we found that postmenstrual age, or weeks from conception, not post-natal age, is the dominant factor influencing T cell and mucosal microbiota development. Numerous features of the T cell and microbiota functional development remain unexplained, however, by either age metric and are instead shaped by discrete peri- and post-natal events. Most strikingly, we establish that prenatal antibiotics or infection disrupt the normal T cell population developmental trajectory, influencing subsequent respiratory microbial colonization and predicting respiratory morbidity. In this way, early exposures imprint the postnatal immune-microbiota axis and place an infant at significant risk for respiratory morbidity in early childhood. One Sentence Summary T cells and microbiota follow predictable, coordinated trajectories in newborns, and their coordination is an important determinant of illness in the first year. Graphical Abstract Nasal and rectal microbiome was assessed weekly in the NICU, monthly post-discharge, and when respiratory illness symptoms occurred. T cells were characterized at birth (cord blood), 36-42 weeks postmenstrual age, and at 12 months. Quarterly respiratory morbidity surveys determined the 12-month outcome of persistent respiratory disease. More frequent illnesses and chronic disease outcomes occurred by one year of age if development of these systems was discordant or disrupted.

ABSTRACT Rationale Respiratory Syncytial Virus (RSV) infection is a leading cause of infant respiratory disease and hospitalization. Infant airway microbiota occupying the nasopharynx have been associated with respiratory disease risk and severity. The extent to which interactions between RSV and microbiota occur in the airway, and their impact on respiratory disease severity and infection susceptibility, are not well understood. Objectives To characterize associations between the nasal microbiota and RSV infection before, during, and after infants’ first respiratory illness. Methods Nasal 16S rRNA microbial community profiling of two cohorts of infants in the first year of life: 1) a cross-sectional cohort of 89 RSV infected infants sampled during illness and 102 population matched healthy controls, and 2) an individually matched longitudinal cohort of 12 infants who developed RSV infection and 12 who did not, sampled at time points before, during, and after infection. Measurements and Main Results We identified 12 taxa significantly associated with RSV infection. All 12 were differentially abundant during infection, with seven differentially abundant prior to infection, and eight differentially abundant after infection. Eight of these taxa were associated with disease severity. Nasal microbiota composition was more discriminative of healthy vs. infected than of disease severity. Conclusions Our findings elucidate the chronology of nasal microbiota dysbiosis and suggest an altered developmental trajectory associated with first-time RSV infection. Microbial temporal dynamics reveal indicators of disease risk, correlates of illness and severity, and the impact of RSV infection on microbiota composition. Identified taxa represent appealing targets for additional translationally-oriented research.

ABSTRACT Staphylococcus aureus is an opportunistic pathogen causing osteomyelitis through hematogenous seeding or contamination of implants and open wounds following orthopedic surgeries. The severity of S. aureus -mediated osteomyelitis is enhanced in obesity-related type 2 diabetes (obesity/T2D) due to chronic inflammation impairing both adaptive and innate immunity. Obesity-induced inflammation is linked to gut dysbiosis, with modification of the gut microbiota by high-fiber diets leading to a reduction in the symptoms and complications of obesity/T2D. However, our understanding of the mechanisms by which modifications of the gut microbiota alter host infection responses is limited. To address this gap, we monitored tibial S. aureus infections in obese/T2D mice treated with the inulin-like fructan fiber, oligofructose. Treatment with oligofructose significantly decreased S. aureus colonization and lowered proinflammatory signaling post-infection in obese/T2D mice, as observed by decreased circulating inflammatory cytokines (TNF-α) and chemokines (IP-10, KC, MIG, MCP-1, and RANTES), indicating partial reduction in inflammation. Oligofructose markedly shifted diversity in the gut microbiota of obese/T2D mice mice, with notable increases in the anti-inflammatory bacterium, Bifidobacterium pseudolongum . Analysis of the cecum and plasma metabolome suggested polyamine production was increased, specifically spermine and spermidine. Oral administration of these polyamines to obese/T2D mice resulted in reduced infection severity similar to oligofructose supplementation, suggesting polyamines can mediate the beneficial effects of fiber on osteomyelitis severity. These results demonstrate the contribution of gut microbiota metabolites to the control of bacterial infections distal to the gut and polyamines as an adjunct therapeutic for osteomyelitis in obesity/T2D. Importance Individuals with obesity-related type 2 diabetes (obesity/T2D) are at a five times increased risk for invasive Staphylococcus aureus osteomyelitis (bone infection) following orthopedic surgeries. With increasing antibiotic resistance and limited discoveries of novel antibiotics, it is imperative we explore other avenues for therapeutics. In this study, we demonstrated that the dietary fiber oligofructose markedly reduced osteomyelitis severity and hyperinflammation following acute implant-associated osteomyelitis in obese/T2D mice. Reduced infection severity is associated with changes in gut microbiota composition and metabolism as indicated by increased production of natural polyamines in the gut and circulating plasma. This work identifies a novel role for the gut microbiome in mediating control of bacterial infections and polyamines as beneficial metabolites involved in improving the obesity/T2D host response to osteomyelitis. Understanding the impact of polyamines on host immunity and mechanisms behind decreasing susceptibility to severe implant-associated osteomyelitis is crucial to improving treatment strategies for this patient population.

Introduction: Inflammation is a hallmark of aneurysmal disease, but the etiology for the inflammation is unknown. Previously, bacteria and bacterial nucleic acid sequences have been identified within abdominal aortic aneurysm tissue. However, only one study has taken an un-targeted approach to assess the diversity of species and no study has surveyed bacterial species across the various environments in patients with aortic disease. Research Question: Does the distribution of bacterial sequences differ between environments and by disease status in patients with abdominal aortic disease? Methods: Whole blood, acute (luminal) thrombus, chronic (medial/abluminal) thrombus, and aortic wall specimens were obtained from 14 patients undergoing open aortic surgery. Five patients had aneurysm disease and nine patients had aortic occlusive disease. Sequencing using universal primers targeting the V3 - V5 16s rRNA bacterial gene was performed. Reads were processed and aligned to reference banks using QIIME2 to the genus level. Results: The average patient age was 60.9 years with no significant difference in baseline demographics. Phyllobacterium was the most common genus identified in acute and chronic thrombus for aneurysmal and occlusive disease while pseudomonas was the most common genus identified in aortic wall. Chao1 alpha diversity was higher in aneurysmal aortic wall samples compared to occlusive disease (10.6 vs 6.6, p=0.047). On principle component analysis, samples from similar tissue environments cluster together with 16% of the sequence variation explained by the grouping (p=0.003, Figure 1). Conclusions: The diversity of bacterial sequences groups by microenvironment within patients with aortic disease, suggesting a spectrum of bacterial communities that progress from blood through the luminal thrombus to the aortic wall. Further work could distinguish genus level variations that associates with disease in the different environments.

Introduction: Bacterial extracellular vesicles (bEV) transport diverse cargoes, including nucleic acids, and play a crucial role during host-microbe interactions, including modifying host immune response. Neutrophil activation is prevalent in aortic disease pathogenesis, but the cause is unclear. The baseline neutrophilic bEV content and its dynamics are unknown and may provide insight into neutrophil activation in aortic disease. Research Question: Does open aortic surgery change neutrophil bEV content? Methods: Blood was collected pre and post-operatively from 6 patients undergoing open aortic surgery. Neutrophils were isolated using standard centrifugation techniques, and nucleic acids were purified. The V1-V3 16s rRNA segments were amplified with universal primers and sequenced using an Illumina MiSeq platform. Reads were processed in QIIME2 and aligned to reference banks of known bacterial sequences. Sequence abundance was analyzed with Kruskal-Wallis and Wilcoxon-rank tests. Results: The average patient age was 60.2 years, with 4 male patients and 4 current smokers. The most common phylum and genus represented in the neutrophil bacterial reads were Proteobacteria (Figure 1A) and Delftia , respectively. The relative abundance of Proteobacteria sequences increased overtime (p=0.042) from a median of 45.43% (IQR:35.3-52.0) to 70.8% (IQR:66.1-81.5, p=0.026) post-operatively, to 83.5% (IQR:60.7-89.7, p=0.004) on POD1 (Figure 1B). POD3 Proteobacteria sequence abundance was stable from POD1 at 81.4% (IQR:64.2-89.6). Conclusions: Neutrophils of patients with aortic disease rapidly change their bacterial sequence content in response to open aortic surgery. Bacteria in the phylum Proteobacteria change most dramatically and equilibrate between POD 1 and 3. Further studies will elucidate the impact changing bacterial sequence abundance and bEV content has on neutrophil activity and its relationship to disease pathogenesis.

Composition of the vaginal microbiome in pregnancy is associated with adverse maternal, obstetric, and child health outcomes. Therefore, identifying sources of individual differences in the vaginal microbiome is of considerable clinical and public health interest. The current study tested the hypothesis that vaginal microbiome composition during pregnancy is associated with an individual's experience of affective symptoms and stress exposure.

ABSTRACT Composition of the vaginal microbiome in pregnancy is associated with adverse maternal, obstetric, and child health outcomes. Identifying the sources of individual differences in the vaginal microbiome is therefore of considerable clinical and public health interest. The current study tested the hypothesis that vaginal microbiome composition during pregnancy is associated with an individual’s experience of affective symptoms and stress exposure. Data were based on a prospective longitudinal study of a diverse and medically healthy community sample of 275 mother-infant pairs. Affective symptoms and stress exposure and select measures of associated biomarkers (diurnal salivary cortisol, serum measures of sex hormones) were collected at each trimester; self-report, clinical, and medical records were used to collect detailed data on socio-demographic factors and health behavior, including diet and sleep. Vaginal microbiome samples were collected in the third trimester (34-40 weeks) and characterized by 16S rRNA sequencing. Identified taxa were clustered into three community state types (CST1-3) based on dissimilarity of vaginal microbiota composition. Results indicate that depressive symptoms during pregnancy were reliably associated with individual taxa and CST3 in the third trimester. Prediction of functional potential from 16S taxonomy revealed a differential abundance of metabolic pathways in CST1-3 and individual taxa, including biosynthetic pathways for the neuroactive metabolites, serotonin and dopamine. With the exception of bioavailable testosterone, no significant associations were found between symptoms- and stress-related biomarkers and CSTs. Our results provide further evidence of how prenatal psychological distress during pregnancy alters the maternal-fetal microbiome ecosystem that may be important for understanding maternal and child health outcomes. Importance Prenatal affective symptoms and stress are associated with maternal, obstetric, and child health outcomes, but the mechanisms underlying these links and their application to intervention remain unclear. The findings from this investigation extend prior microbiome-oriented research by demonstrating that the maternal vaginal microbiome composition has a biologically plausible mechanistic link with affective symptoms that also suggest additional clinical applications for assessment and intervention.

Background: Postnatal development of the microbiota in early life influences immunity, metabolism, neurodevelopment and long-term infant health. Microbiome development occurs at multiple body sites, each with distinct community compositions and functions. Associations between microbiota at multiple sites represent an unexplored influence on the infant microbiome. Here, we examined co-occurrence patterns of gut and respiratory microbiota in pre- and full-term infants over the first year of life, a period critical to neonatal development and risk of respiratory diseases. Results: Gut and respiratory microbiota collected as longitudinal rectal, throat and nasal samples from 38 pre-term and 44 full-term infants were first clustered into community state types (CSTs) on the basis of their composition. Multiple methods were used to relate the occurrence of CSTs to several measures of infant maturity, including gestational age (GA) at birth, week of life (WOL), and post menstrual age (PMA: equal to GA plus WOL). Manifestation of CSTs followed one of three patterns with respect to infant maturity. First, chronological: independent of infant maturity (GA) at birth, and strongly associated with post-natal age (WOL). Second, idiosyncratic: primarily dependent on maturity (GA) at birth, with persistent differences in CST occurrence between pre- and full-term infants through the first year of life. Third, convergent: CSTs appear earlier in infants with greater maturity (GA) at birth, but after a sufficient post-natal interval their occurrence in pre-term infants reaches parity with full-term infants. The composition of CSTs was highly dissimilar between different body sites, but the CST of any one body site was highly predictive of the CSTs at other body sites. There were significant associations between the abundance of individual taxa at each body site and the CSTs of the other body sites, which persisted after stringent control for the non-linear effects of infant maturity. Significant canonical correlations exist between the microbiota composition at each pair of body sites, with the strongest correlations between more proximal locations. Conclusion: Cross-body site associations of developing infant microbiota suggest the importance of research and clinical practices that focus on dynamic interactions between multiple microbial communities to elucidate and promote systemic microbiota development.