ABSTRACT Biofilms are a protected niche for microorganisms, where they are safe from antibiotic treatment and can create a source of persistent infection. Using two clinically relevant Candida albicans biofilm models formed on bioprosthetic materials, we demonstrated that biofilm formation proceeds through three distinct developmental phases. These growth phases transform adherent blastospores to well-defined cellular communities encased in a polysaccharide matrix. Fluorescence and confocal scanning laser microscopy revealed that C. albicans biofilms have a highly heterogeneous architecture composed of cellular and noncellular elements. In both models, antifungal resistance of biofilm-grown cells increased in conjunction with biofilm formation. The expression of agglutinin-like ( ALS ) genes, which encode a family of proteins implicated in adhesion to host surfaces, was differentially regulated between planktonic and biofilm-grown cells. The ability of C. albicans to form biofilms contrasts sharply with that of Saccharomyces cerevisiae , which adhered to bioprosthetic surfaces but failed to form a mature biofilm. The studies described here form the basis for investigations into the molecular mechanisms of Candida biofilm biology and antifungal resistance and provide the means to design novel therapies for biofilm-based infections.

The oral microbiome–organisms residing in the oral cavity and their collective genome–are critical components of health and disease. The fungal component of the oral microbiota has not been characterized. In this study, we used a novel multitag pyrosequencing approach to characterize fungi present in the oral cavity of 20 healthy individuals, using the pan-fungal internal transcribed spacer (ITS) primers. Our results revealed the “basal” oral mycobiome profile of the enrolled individuals, and showed that across all the samples studied, the oral cavity contained 74 culturable and 11 non-culturable fungal genera. Among these genera, 39 were present in only one person, 16 genera were present in two participants, and 5 genera were present in three people, while 15 genera (including non-culturable organisms) were present in ≥4 (20%) participants. Candida species were the most frequent (isolated from 75% of participants), followed by Cladosporium (65%), Aureobasidium, Saccharomycetales (50% for both), Aspergillus (35%), Fusarium (30%), and Cryptococcus (20%). Four of these predominant genera are known to be pathogenic in humans. The low-abundance genera may represent environmental fungi present in the oral cavity and could simply be spores inhaled from the air or material ingested with food. Among the culturable genera, 61 were represented by one species each, while 13 genera comprised between 2 and 6 different species; the total number of species identified were 101. The number of species in the oral cavity of each individual ranged between 9 and 23. Principal component (PCO) analysis of the obtained data set followed by sample clustering and UniFrac analysis revealed that White males and Asian males clustered differently from each other, whereas both Asian and White females clustered together. This is the first study that identified the “basal mycobiome” of healthy individuals, and provides the basis for a detailed characterization of the oral mycobiome in health and disease.

Biofilms, likely the predominant mode of device-related microbial infection, exhibit resistance to antimicrobial agents. Evidence suggests that Candida biofilms have dramatically reduced susceptibility to antifungal drugs. We examined antifungal susceptibilities of Candida albicans and Candida parapsilosis biofilms grown on a bioprosthetic model. In addition to conventional agents, we determined if new antifungal agents (triazoles, amphotericin B lipid formulations, and echinocandins) have activities against Candida biofilms. We also explored effects of preincubation of C. albicans cells with subinhibitory concentrations (sub-MICs) of drugs to see if they could modify subsequent biofilm formation. Finally, we used confocal scanning laser microscopy (CSLM) to image planktonic- and biofilm-exposed blastospores to examine drug effects on cell structure. Candida biofilms were formed on silicone elastomer and quantified by tetrazolium and dry weight (DW) assays. Susceptibility testing of fluconazole, nystatin, chlorhexidine, terbenafine, amphotericin B (AMB), and the triazoles voriconazole (VRC) and ravuconazole revealed resistance in all Candida isolates examined when grown as biofilms, compared to planktonic forms. In contrast, lipid formulations of AMB (liposomal AMB and AMB lipid complex [ABLC]) and echinocandins (caspofungin [Casp] and micafungin) showed activity against Candida biofilms. Preincubation of C. albicans cells with sub-MIC levels of antifungals decreased the ability of cells to subsequently form biofilm (measured by DW; P < 0.0005). CSLM analysis of planktonic and biofilm-associated blastospores showed treatment with VRC, Casp, and ABLC resulted in morphological alterations, which differed with each agent. In conclusion, our data show that Candida biofilms show unique susceptibilities to echinocandins and AMB lipid formulations.

Docosahexaenoic acid (DHA) is a lipid peroxidation target in oxidative injury to retinal pigment epithelium (RPE) and retina. Photoreceptor and synaptic membranes share the highest content of DHA of all cell membranes. This fatty acid is required for RPE functional integrity; however, it is not known whether specific mediators generated from DHA contribute to its biological significance. We used human ARPE-19 cells and demonstrated the synthesis of 10,17 S -docosatriene [neuroprotectin D1 (NPD1)]. This synthesis was enhanced by the calcium ionophore A-23187, by IL-1β, or by supplying DHA. Under these conditions, there is a time-dependent release of endogenous free DHA followed by NPD1 formation, suggesting that phospholipase A 2 releases the mediator's precursor. Added NPD1 potently counteracted H 2 O 2 /tumor necrosis factor α oxidative-stress-triggered apoptotic RPE DNA damage. NPD1 also up-regulated the antiapoptotic proteins Bcl-2 and Bcl-x L and decreased proapoptotic Bax and Bad expression. Moreover, NPD1 (50 nM) inhibited oxidative-stress-induced caspase-3 activation. NPD1 also inhibited IL-1β-stimulated expression of cyclooxygenase 2 promoter transfected into ARPE-19 cells. Overall, NPD1 protected RPE cells from oxidative-stress-induced apoptosis, and we predict that it will similarly protect neurons. This lipid mediator therefore may indirectly contribute to photoreceptor cell survival as well. Because both RPE and photoreceptor cells die in retinal degenerations, our findings contribute to the understanding of retinal cell survival signaling and potentially to the development of new therapeutic strategies.

Denture biofilms represent a protective reservoir for oral microbes. The study of the biology of Candida in these biofilms requires a reliable model. A reproducible model of C. albicans denture biofilm was developed and used to determine the susceptibility of two clinically relevant C. albicans isolates against 4 antifungals. C. albicans, growing as a biofilm, exhibited resistance to amphotericin B, nystatin, chlorhexidine, and fluconazole, with 50% reduction in metabolic activity (50% RMA) at concentrations of 8, 16, 128, and > 64 μg/mL, respectively. In contrast, planktonically cultured C. albicans were susceptible (50% RMA for the same antifungals was obtained at 0.25, 1.0, 4.0, and 0.5 μg/mL, respectively). In conclusion, results obtained by means of our biofilm model show that biofilm-associated C. albicans cells, compared with cells grown in planktonic form, are resistant to antifungals used to treat denture stomatitis.

Candida albicans biofilms are formed through three distinct developmental phases and are associated with high fluconazole (FLU) resistance. In the present study, we used a set of isogenic Candida strains lacking one or more of the drug efflux pumps Cdr1p, Cdr2p, and Mdr1p to determine their role in FLU resistance of biofilms. Additionally, variation in sterol profile as a possible mechanism of drug resistance was investigated. Our results indicate that parent and mutant strains formed similar biofilms. However, biofilms formed by double and triple mutants were more susceptible to FLU at 6 h (MIC = 64 and 16 microg/ml, respectively) than the wild-type strain (MIC > 256 microg/ml). At later time points (12 and 48 h), all the strains became resistant to this azole (MIC > or = 256 microg/ml), indicating lack of involvement of efflux pumps in resistance at late stages of biofilm formation. Northern blot analyses revealed that Candida biofilms expressed CDR and MDR1 genes in all the developmental phases, while planktonic cells expressed these genes only at the 12- and 48-h time points. Functionality of efflux pumps was assayed by rhodamine (Rh123) efflux assays, which revealed significant differences in Rh123 retention between biofilm and planktonic cells at the early phase (P = 0.0006) but not at later stages (12 and 48 h). Sterol analyses showed that ergosterol levels were significantly decreased (P < 0.001) at intermediate and mature phases, compared to those in early-phase biofilms. These studies suggest that multicomponent, phase-specific mechanisms are operative in antifungal resistance of fungal biofilms.

ABSTRACT Little is known about fungal biofilms, which may cause infection and antibiotic resistance. In this study, biofilm formation by different Candida species, particularly Candida albicans and C . parapsilosis , was evaluated by using a clinically relevant model of Candida biofilm on medical devices. Candida biofilms were allowed to form on silicone elastomer and were quantified by tetrazolium (XTT) and dry weight (DW) assays. Formed biofilm was visualized by using fluorescence microscopy and confocal scanning laser microscopy with Calcofluor White (Sigma Chemical Co., St. Louis, Mo.), concanavalin A-Alexafluor 488 (Molecular Probes, Eugene, Oreg.), and FUN-1 (Molecular Probes) dyes. Although minimal variations in biofilm production among invasive C . albicans isolates were seen, significant differences between invasive and noninvasive isolates ( P < 0.001) were noted. C . albicans isolates produced more biofilm than C . parapsilosis , C . glabrata , and C . tropicalis isolates, as determined by DW assays ( P was <0.001 for all comparisons) and microscopy. Interestingly, noninvasive isolates demonstrated a higher level of XTT activity than invasive isolates. On microscopy, C . albicans biofilms had a morphology different from that of other species, consisting of a basal blastospore layer with a dense overlying matrix composed of exopolysaccharides and hyphae. In contrast, C . parapsilosis biofilms had less volume than C . albicans biofilms and were comprised exclusively of clumped blastospores. Unlike planktonically grown cells, Candida biofilms rapidly (within 6 h) developed fluconazole resistance (MIC, >128 μg/ml). Importantly, XTT and FUN-1 activity showed biofilm cells to be metabolically active. In conclusion, our data show that C . albicans produces quantitatively larger and qualitatively more complex biofilms than other species, in particular, C . parapsilosis .

Crohn's disease (CD) results from a complex interplay between host genetic factors and endogenous microbial communities. In the current study, we used Ion Torrent sequencing to characterize the gut bacterial microbiota (bacteriome) and fungal community (mycobiome) in patients with CD and their nondiseased first-degree relatives (NCDR) in 9 familial clusters living in northern France-Belgium and in healthy individuals from 4 families living in the same area (non-CD unrelated [NCDU]). Principal component, diversity, and abundance analyses were conducted, and CD-associated inter- and intrakingdom microbial correlations were determined. Significant microbial interactions were identified and validated using single- and mixed-species biofilms. CD and NCDR groups clustered together in the mycobiome but not in the bacteriome. Microbiotas of familial (CD and NCDR) samples were distinct from those of nonfamilial (NCDU) samples. The abundance of Serratia marcescens and Escherichia coli was elevated in CD patients, while that of beneficial bacteria was decreased. The abundance of the fungus Candida tropicalis was significantly higher in CD than in NCDR (P = 0.003) samples and positively correlated with levels of anti-Saccharomyces cerevisiae antibodies (ASCA). The abundance of C. tropicalis was positively correlated with S. marcescens and E. coli, suggesting that these organisms interact in the gut. The mass and thickness of triple-species (C. tropicalis plus S. marcescens plus E. coli) biofilm were significantly greater than those of single- and double-species biofilms. C. tropicalis biofilms comprised blastospores, while double- and triple-species biofilms were enriched in hyphae. S. marcescens used fimbriae to coaggregate or attach with C. tropicalis/E. coli, while E. coli was closely apposed with C. tropicalis Specific interkingdom microbial interactions may be key determinants in CD.Here, we characterized the gut bacterial microbiota (bacteriome) and fungal community (mycobiome) in multiplex families with CD and healthy relatives and defined the microbial interactions leading to dysbiosis in CD. We identified fungal (Candida tropicalis) and bacterial (Serratia marcescens and Escherichia coli) species that are associated with CD dysbiosis. Additionally, we found that the level of anti-Saccharomyces cerevisiae antibodies (ASCA; a known CD biomarker) was associated with the abundance of C. tropicalis We also identified positive interkingdom correlations between C. tropicalis, E. coli, and S. marcescens in CD patients and validated these correlations using in vitro biofilms. These results provide insight into the roles of bacteria and fungi in CD and may lead to the development of novel treatment approaches and diagnostic assays.

Candidaauris, a new multidrug-resistant Candida spp. which is associated with invasive infection and high rates of mortality, has recently emerged. Here, we determined the virulence factors (germination, adherence, biofilm formation, phospholipase and proteinase production) of 16 C. auris isolates and their susceptibilities to 11 drugs belonging to different antifungal classes, including a novel orally bioavailable 1,3-β-d-glucan synthesis inhibitor (SCY-078). We also examined the effect of SCY-078 on the growth, ultrastructure, and biofilm-forming abilities of C. auris Our data showed that while the tested strains did not germinate, they did produce phospholipase and proteinase in a strain-dependent manner and had a significantly reduced ability to adhere and form biofilms compared to that of Candida albicans (P = 0.01). C. auris isolates demonstrated reduced susceptibility to fluconazole and amphotericin B, while, in general, they were susceptible to the remaining drugs tested. SCY-078 had an MIC90 of 1 mg/liter against C. auris and caused complete inhibition of the growth of C. auris and C. albicans Scanning electron microscopy analysis showed that SCY-078 interrupted C. auris cell division, with the organism forming abnormal fused fungal cells. Additionally, SCY-078 possessed potent antibiofilm activity, wherein treated biofilms demonstrated significantly reduced metabolic activity and a significantly reduced thickness compared to the untreated control (P < 0.05 for both comparisons). Our study shows that C. auris expresses several virulence determinants (albeit to a lesser extent than C. albicans) and is resistant to fluconazole and amphotericin B. SCY-078, the new orally bioavailable antifungal, had potent antifungal/antibiofilm activity against C. auris, indicating that further evaluation of this antifungal is warranted.

ABSTRACT Background Fibroblasts play a key role in stricture formation in Crohn’s disease (CD) but understanding it’s pathogenesis requires a systems-level investigation to uncover new treatment targets. We studied full thickness CD tissues to characterize fibroblast heterogeneity and function by generating the first single cell RNA sequencing (scRNAseq) atlas of strictured bowel and providing proof of principle for therapeutic target validation. Methods We performed scRNAseq of 13 fresh full thickness CD resections containing non-involved, inflamed non-strictured, and strictured segments as well as 7 normal non-CD bowel segments. Each segment was separated into mucosa/submucosa or muscularis propria and analyzed separately for a total of 99 tissue samples and 409,001 cells. We validated cadherin-11 (CDH11) as a potential therapeutic target by using whole tissues, isolated intestinal cells, NanoString nCounter, next generation sequencing, proteomics and animal models. Results Our integrated dataset revealed fibroblast heterogeneity in strictured CD with the majority of stricture-selective changes detected in the mucosa/submucosa, but not the muscle layer. Cell-cell interaction modeling revealed CXCL14+ as well as MMP/WNT5A+ fibroblasts displaying a central signaling role in CD strictures. CDH11, a fibroblast cell-cell adhesion molecule, was broadly expressed and upregulated, and its pro-fibrotic function was validated by NanoString nCounter, RNA sequencing, tissue target expression, in vitro gain- and loss-of-function experiments, proteomics, and two animal models of experimental colitis. Conclusion A full-thickness bowel scRNAseq atlas revealed previously unrecognized fibroblast heterogeneity and interactions in CD strictures and CDH11 was validated as a potential therapeutic target. These results provide a new resource for a better understanding of CD stricture formation and opens potential therapeutic developments.