Hypoxia regulates autophagy and nucleotide-binding oligomerization domain receptor, pyrin domain containing (NLRP)3, two innate immune mechanisms linked by mutual regulation and associated to IBD. Here we show that hypoxia ameliorates inflammation during the development of colitis by modulating autophagy and mammalian target of rapamycin (mTOR)/NLRP3 pathway. Hypoxia significantly reduces tumor necrosis factor α, interleukin (IL)-6 and NLRP3 expression, and increases the turnover of the autophagy protein p62 in colon biopsies of Crohn's disease patients, and in samples from dextran sulfate sodium-treated mice and Il-10 -/- mice. In vitro, NF-κB signaling and NLRP3 expression are reduced through hypoxia-induced autophagy. We also identify NLRP3 as a novel binding partner of mTOR. Dimethyloxalylglycine-mediated hydroxylase inhibition ameliorates colitis in mice, downregulates NLRP3 and promotes autophagy. We suggest that hypoxia counteracts inflammation through the downregulation of the binding of mTOR and NLRP3 and activation of autophagy.Hypoxia and HIF-1α activation are protective in mouse models of colitis, and the latter regulates autophagy. Here Cosin-Roger et al. show that hypoxia ameliorates intestinal inflammation in Crohn's patients and murine colitis models by inhibiting mTOR/NLRP3 pathway and promoting autophagy.

Objective Western lifestyle and diet are major environmental factors playing a role in the development of IBD. Titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles are widely used as food additives or in pharmaceutical formulations and are consumed by millions of people on a daily basis. We investigated the effects of TiO 2 in the development of colitis and the role of the nucleotide-binding oligomerisation domain receptor, pyrin domain containing (NLRP)3 inflammasome. Design Wild-type and NLRP3-deficient mice with dextran sodium sulfate-induced colitis were orally administered with TiO 2 nanoparticles. The proinflammatory effects of TiO 2 particles in cultured human intestinal epithelial cells (IECs) and macrophages were also studied, as well as the ability of TiO 2 crystals to traverse IEC monolayers and accumulate in the blood of patients with IBD using inductively coupled plasma mass spectrometry. Results Oral administration of TiO 2 nanoparticles worsened acute colitis through a mechanism involving the NLRP3 inflammasome. Importantly, crystals were found to accumulate in spleen of TiO 2 -administered mice. In vitro, TiO 2 particles were taken up by IECs and macrophages and triggered NLRP3-ASC-caspase-1 assembly, caspase-1 cleavage and the release of NLRP3-associated interleukin (IL)-1β and IL-18. TiO 2 also induced reactive oxygen species generation and increased epithelial permeability in IEC monolayers. Increased levels of titanium were found in blood of patients with UC having active disease. Conclusion These findings indicate that individuals with a defective intestinal barrier function and pre-existing inflammatory condition, such as IBD, might be negatively impacted by the use of TiO 2 nanoparticles.

The successes of fecal microbiota transplants (FMT) have provided the necessary proof-of-concept for microbiome therapeutics. Because of the many risks and uncertainties associated with feces-based therapies, defined microbial consortia that modify the microbiome in a targeted manner have emerged as a promising safer alternative to FMT. The development of such live biotherapeutic products has important challenges, including the selection of appropriate strains and the production of the consortia at scale. Here, we report on an ecology and biotechnology-based approach to microbial consortium design that overcomes these issues. We designed a nine-strain consortium that emulates the central metabolic pathways of carbohydrate fermentation in the healthy human gut microbiota. We show that continuous co-culturing the bacteria produce a stable consortium whose activity is distinct from an equivalent mix of individually cultured strains. Further, we showed that our function-based consortium is as effective as FMT in counteracting dysbiosis in a dextran sodium sulfate mouse model of acute colitis. We propose that combining a bottom-up functional design with continuous co-cultivation is a powerful strategy to produce robust, functionally designed synthetic consortia for therapeutic use.

Abstract Ulcerative colitis (UC) is a chronic inflammatory bowel disease affecting the colonic mucosa. There is no cure for UC and its chronic relapsing/remitting nature strongly affects patient quality of life. Current treatment options frequently have significant side effects and remission rates are limited raising a demand for new treatment strategies. Novel therapeutic approaches that could maximize the drug concentration at the site of inflammation with minimal systemic exposure, like topical applications, would address this unmet clinical need. To date, few drug delivery systems (DDSs) have been designed to topically convey small molecules to the rectum and left-sided colon. Here, we developed and tested a drug delivery platform for topical treatment of UC based on a temperature-triggered in situ forming adhesive lipid gel (TIF-Gel). Due to its soft, gel-like consistency, its high encapsulation efficacy, and its drug-controlled release, TIF-Gel suggests a more patient-friendly and effective application with respect to the rectal formulations currently available. Capitalizing on the biocompatible and biodegradable self-assembled structure of lipid mesophases (LMPs), we loaded TIF-Gel with tofacitinib (TOFA; a hydrophilic inhibitor of the enzymes Janus kinase 1 and 3) or TAC (a hydrophobic immunosuppressive drug), both of which are indicated in the treatment of UC. We designed and fully characterized our biocompatible lipid formulation in vitro and tested it in vivo using two different murine models of inflammatory bowel disease: chemically-induced and T cell transfer-mediated. Both approaches (TIF-Gel-TOFA and TIF-Gel-TAC) led to reductions in colitis disease severity and intestinal inflammation compared to vehicles, therefore showing therapeutic efficacy. Overall, our findings show that TIF-Gel can deliver drugs locally to the colonic mucosa to mitigate intestinal inflammatory disease in a pre-clinical model. They also suggest that, in a clinical setting, TIF-Gel might provide a patient-friendly approach to improve colitis while allowing for a reduction of the adverse effects associated with a systemic therapy.

The gene encoding for Epstein-Barr virus-induced G-protein coupled receptor 2 (EBI2) is a risk gene for inflammatory bowel disease (IBD). Together with its oxysterol ligand 7α,25-dihydroxycholesterol, EBI2 mediates migration and differentiation of immune cells. However, the role of EBI2 in the colonic immune system remains insufficiently studied. We found increased mRNA expression levels of EBI2 and oxysterol synthesizing enzymes (CH25H, CYP7B1) in the inflamed colon of patients with ulcerative colitis and mice with acute or chronic dextran sulfate sodium (DSS) colitis. Accordingly, we measured elevated extraintestinal levels of 25-hydroxylated oxysterols, including 7α,25-dihydroxycholesterol in mice with acute colonic inflammation. Knockout of EBI2 or CH25H did not affect severity of DSS colitis; however, inflammation was decreased in male EBI2-/- mice in the IL-10 colitis model. The colonic immune system comprises mucosal lymphoid structures, which number increases upon chronic inflammation in IL-10-deficient mice and in chronic DSS colitis. However, EBI2-/- mice formed significantly less colonic lymphoid structures at baseline and showed defects in inflammation-induced accumulation of lymphoid structures. In summary, we report induction of the EBI2-7α,25-dihydroxycholesterol axis in colitis and a role of EBI2 for the accumulation of lymphoid tissue during homeostasis and inflammation. These data implicate the EBI2-7α,25-dihydroxycholesterol axis in IBD pathogenesis.

Coronavirus disease (COVID-19), caused by SARS-CoV-2, has affected over 65 million individuals and killed over 1.5 million persons (December 8, 2020; www.who.int)1. While fatality rates are higher among the elderly and those with underlying comorbidities2, host factors that promote susceptibility to SARS-CoV-2 infection and severe disease are poorly understood. Although individuals with certain autoimmune/inflammatory disorders show increased susceptibility to viral infections, there is incomplete knowledge of SARS-CoV-2 susceptibility in these diseases.3-7 We report that the autoimmune PTPN2 risk variant rs1893217 promotes expression of the SARS-CoV-2 receptor, ACE2, and increases cellular entry mediated by SARS-CoV-2 spike protein. Elevated ACE2 expression and viral entry were mediated by increased JAK-STAT signalling, and were reversed by the JAK inhibitor, tofacitinib. Collectively, our findings uncover a novel risk biomarker for increased expression of the SARS-CoV-2 receptor and viral entry, and identify a clinically approved therapeutic agent to mitigate this risk.

Inflammatory bowel diseases (IBD) involve genetic and environmental factors that play major roles in disease pathogenesis. Loss-of-function single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in the protein tyrosine phosphatase non-receptor type 2 ( PTPN2 ) gene increase the risk of IBD and are associated with altered microbiome population dynamics in IBD. Moreover, expansion of intestinal pathobionts, such as adherent-invasive E. coli (AIEC), is strongly implicated in the pathogenesis of IBD as AIEC increases pro-inflammatory cytokine production and alters tight junction protein regulation suggesting a potential mechanism of pathogen-induced barrier dysfunction and inflammation. The aim of this study was to identify if PTPN2 deficiency disturbs the composition of the intestinal microbiome to promote expansion of specific bacteria with pathogenic properties. In mice constitutively lacking Ptpn2 we identified increased abundance of a novel adherent-invasive E. coli (AIEC) that showed similar adherence and invasion of intestinal epithelial cells, but greater survival in macrophages to the IBD associated AIEC, LF82. Furthermore, we confirmed this novel mouse AIEC ( m AIEC) caused disease when administered to germ-free and mice lacking segmented-filamentous bacteria (SFB). Moreover, m AIEC infection increased severity of and prevented recovery from dextran-sodium sulfate (DSS)-induced colitis. m AIEC genome sequence analysis showed >90% similarity to LF82. Interestingly, m AIEC contained distinct attachment genes not found in LF82 thereby also demonstrating the novelty of this AIEC. We show here for the first time that an IBD susceptibility gene, PTPN2 , plays a key role in modulating the gut microbiome to protect against a novel pathobiont. This study generates new insights into gene-environment-microbiome interactions in IBD.

Intestinal fibrosis and stenosis are common complications of Crohns disease (CD), frequently requiring surgery. Anti-inflammatory strategies can only partially prevent fibrosis; hence, anti-fibrotic therapies remain an unmet clinical need. Oxysterols are oxidized cholesterol derivatives, with important roles in various biological processes. The enzyme cholesterol 25-hydroxylase (CH25H) converts cholesterol to 25-hydroxycholesterol (25-HC), which modulates immune responses and oxidative stress. In human intestinal samples from CD patients we found a strong correlation of CH25H mRNA expression with the expression of fibrosis markers. We demonstrate reduced intestinal fibrosis in mice deficient for the CH25H enzyme using the sodium dextran sulfate (DSS)-induced chronic colitis model. Additionally, using a heterotopic transplantation model of intestinal fibrosis, we demonstrate reduced collagen deposition and lower concentrations of hydroxyproline in CH25H knockouts. In the heterotopic transplant model, CH25H was expressed in fibroblasts. Taken together, our findings indicate an involvement of oxysterol synthesis in the pathogenesis of intestinal fibrosis.