The increasing interest in nanoparticles for advanced technologies, consumer products, and biomedical applications has led to great excitement about potential benefits but also concern over the potential for adverse human health effects.The gastrointestinal tract represents a likely route of entry for many nanomaterials, both directly through intentional ingestion or indirectly via nanoparticle dissolution from food containers or by secondary ingestion of inhaled particles.Additionally, increased utilisation of nanoparticles may lead to increased environmental contamination and unintentional ingestion via water, food animals, or fish.The gastrointestinal tract is a site of complex, symbiotic interactions between host cells and the resident microbiome.Accordingly, evaluation of nanoparticles must take into consideration not only absorption and extraintestinal organ accumulation but also the potential for altered gut microbes and the effects of this perturbation on the host.The existing literature was evaluated for evidence of toxicity based on these considerations.Focus was placed on three categories of nanomaterials: nanometals and metal oxides, carbon-based nanoparticles, and polymer/dendrimers with emphasis on those particles of greatest relevance to gastrointestinal exposures.

The indigenous microbial community of the gastrointestinal (GI) tract determines susceptibility to Clostridium difficile colonization and disease. Previous studies have demonstrated that antibiotic-treated mice challenged with C. difficile either developed rapidly lethal C. difficile infection or were stably colonized with mild disease. The GI microbial community of animals with mild disease was dominated by members of the bacterial family Lachnospiraceae, while the gut community in moribund animals had a predominance of Escherichia coli. We investigated the roles of murine Lachnospiraceae and E. coli strains in colonization resistance against C. difficile in germfree mice. Murine Lachnospiraceae and E. coli isolates were cultured from wild-type mice. The ability of each of these isolates to interfere with C. difficile colonization was tested by precolonizing germfree mice with these bacteria 4 days prior to experimental C. difficile challenge. Mice precolonized with a murine Lachnospiraceae isolate, but not those colonized with E. coli, had significantly decreased C. difficile colonization, lower intestinal cytotoxin levels and exhibited less severe clinical signs and colonic histopathology. Infection of germfree mice or mice precolonized with E. coli with C. difficile strain VPI 10463 was uniformly fatal by 48 h, but only 20% mortality was seen at 2 days in mice precolonized with the Lachnospiraceae isolate prior to challenge with VPI 10463. These findings confirm that a single component of the GI microbiota, a murine Lachnospiraceae isolate, could partially restore colonization resistance against C. difficile. Further study of the members within the Lachnospiraceae family could lead to a better understanding of mechanisms of colonization resistance against C. difficile and novel therapeutic approaches for the treatment and prevention of C. difficile infection.

Clostridium difficile infection (CDI) arises in the setting of antibiotic administration where disruption of the normal indigenous gut microbiota leads to susceptibility to C. difficile colonization and colitis. Using a murine model of CDI, we demonstrate that changes in the community structure of the indigenous gut microbiota are associated with the loss of colonization resistance against C. difficile. Several antibiotic regimens were tested in combination for the ability to overcome colonization resistance, including a five antibiotic cocktail consisting of kanamycin, gentamicin, colistin, metronidazole, and vancomycin administered in drinking water for three days, a single intraperitoneal dose of clindamycin or 10 days of cefoperazone in drinking water. Following antibiotic treatment animals were challenged with 105 colony forming units of C. difficile strain VPI 10463 via oral gavage. Animals that received the antibiotic cocktail and clindamycin prior to C. difficile challenge followed one of two clinical courses, either becoming clinically ill and moribund within 2-4 days post challenge, or remaining clinically well. Animals that became clinically ill developed histologically severe colitis. These histopathologic findings were significantly less severe in animals that remained clinically well. Analysis of 16S rRNA gene sequences retrieved from gut tissue at necropsy demonstrated that Proteobacteria dominated the gut microbiota in clinically ill animals. In contrast, the gut microbial community of clinically well animals more closely resembled untreated animals, which were dominated by members of the Firmicutes. All animals that received cefoperazone treatment prior to C. difficile challenge were clinically ill and moribund by 2-5 days post challenge in a dose dependent manner. The gut communities in these animals were dominated by C.difficile suggesting that cefoperazone treatment resulted in a greater loss in colonization resistance. Thus, the severity of colitis that arises in this system reflects the interplay between the expansion of C. difficile in the gut community and the ecologic dynamics of the indigenous microbial community as it recovers from antibiotic perturbation. We demonstrate that altering the balance of these two opposing processes alters clinical outcome and thus may lead to novel preventative and therapeutic approaches for CDI.

Abstract The severity of Clostridioides difficile infections (CDI) has increased over the last few decades. Patient age, white blood cell count, creatinine levels as well as C. difficile ribotype and toxin genes have been associated with disease severity. However, it is unclear whether there is an association between members of the gut microbiota and disease severity. The gut microbiota is known to interact with C. difficile during infection. Perturbations to the gut microbiota are necessary for C. difficile to colonize the gut. The gut microbiota can inhibit C. difficile colonization through bile acid metabolism, nutrient consumption and bacteriocin production. Here we sought to demonstrate that members of the gut bacterial communities can also contribute to disease severity. We derived diverse gut communities by colonizing germ-free mice with different human fecal communities. The mice were then infected with a single C. difficile ribotype 027 clinical isolate which resulted in moribundity and histopathologic differences. The variation in severity was associated with the human fecal community that the mice received. Generally, bacterial populations with pathogenic potential, such as Escherichia , Helicobacter , and Klebsiella , were associated with more severe outcomes. Bacterial groups associated with fiber degradation, bile acid metabolism and lantibiotic production, such as Anaerostipes and Coprobacillus , were associated with less severe outcomes. These data indicate that, in addition to the host and C. difficile , populations of gut bacteria can influence CDI disease severity. Importance Clostridioides difficile colonization can be asymptomatic or develop into an infection, ranging in severity from mild diarrhea to toxic megacolon, sepsis, and death. Models that predict severity and guide treatment decisions are based on clinical factors and C. difficile characteristics. Although the gut microbiome plays a role in protecting against CDI, its effect on CDI disease severity is unclear and has not been incorporated into disease severity models. We demonstrated that variation in the microbiome of mice colonized with human feces yielded a range of disease outcomes. These results revealed groups of bacteria associated with both severe and mild C. difficile infection outcomes. Gut bacterial community data from patients with CDI could improve our ability to identify patients at risk of developing more severe disease and improve interventions which target C. difficile and the gut bacteria to reduce host damage.

Problem: Our group has previously shown that baboons with a levonorgestrel-releasing intrauterine system (LNG-IUS) have delayed clearance of Chlamydia trachomatis (Ct). Based on this result, we hypothesized that LNG results in changes to development of the immune response by epithelial and resident innate immune cells. Method of Study: Using the end1 endocervical cell line or the THP.1 monocyte-like cell line, cells were exposed to increasing levels of progesterone (P4) or a dose of LNG representative of LNG in reproductive tract tissues of women with an LNG-IUS. Ct was used at an MOI of 1 and supernatants were collected for ELISA at 48 hours post-infection. Select nuclear receptors were inhibited to determine which receptor contributed to LNG-mediated immunosuppression. Results: Cervical epithelial cells infected with Ct expressed IL-1β when treated with vehicle control. P4 further increased IL-1β expression during Ct infection, while LNG decreased IL-1β expression. Treatment with the androgen receptor blocker ailanthone prevented LNG-mediated immunosuppression. Conclusions: LNG in the presence of increasing P4 suppresses IL-1β production in response to Ct infection in vitro. This appears to be mediated at least in part by the androgen receptor. This has implications for women with LNG-IUS at high risk for sexually transmitted infections.

Clostridioides difficile has emerged as a noteworthy pathogen in patients with inflammatory bowel disease (IBD). Concurrent IBD and CDI is associated with increased morbidity and mortality compared to CDI alone. IBD is associated with alterations of the gut microbiota, an important mediator of colonization resistance to C. difficile . Here, we describe and utilize a mouse model to explore the role of intestinal inflammation in susceptibility to C. difficile colonization and subsequent disease severity in animals with underlying IBD. Helicobacter hepaticus , a normal member of the mouse gut microbiota, was used to trigger inflammation in the distal intestine akin to human IBD in mice that lack intact IL-10 signaling. Development of IBD resulted in a distinct intestinal microbiota community compared to non-IBD controls. We demonstrate that in this murine model, IBD was sufficient to render mice susceptible to C. difficile colonization. Mice with IBD were persistently colonized by C. difficile , while genetically identical non-IBD controls were resistant to C. difficile colonization. Concomitant IBD and CDI was associated with significantly worse disease than unaccompanied IBD. IL-10-deficient mice maintained gut microbial diversity and colonization resistance to C. difficile in experiments utilizing an isogenic mutant of H. hepaticus that does not trigger intestinal inflammation. These studies in mice demonstrate that the IBD-induced microbiota is sufficient for C. difficile colonization and that this mouse model requires intestinal inflammation for inducing susceptibility to CDI in the absence of other perturbations, such as antibiotic treatment.

Abstract Clostridioides difficile, a Gram-positive, spore-forming bacterium, is the primary cause of infectious nosocomial diarrhea. Antibiotics are a major risk factor for C. difficile infection (CDI) as they disrupt the gut microbial community, enabling increased germination of spores and growth of vegetative C. difficile . To date the only single-species bacterial preparation that has demonstrated efficacy in reducing recurrent CDI in humans is non-toxigenic C. difficile. Using multiple infection models we determined that pre-colonization with a less virulent strain is sufficient to protect from challenge with a lethal strain of C. difficile, surprisingly even in the absence of adaptive immunity. Additionally, we showed that protection is dependent on high levels of colonization by the less virulent strain and that it is mediated by exclusion of the invading strain. Our results suggest that reduction of amino acids, specifically glycine following colonization by the first strain of C. difficile is sufficient to decrease germination of the second strain thereby limiting colonization by the lethal strain. Importance Antibiotic-associated colitis is often caused by infection with the bacterium Clostridioides difficile. In this study we found that reduction of the amino acid glycine by pre-colonization with a less virulent strain of C. difficile is sufficient to decrease germination of a second strain. This finding demonstrates that the axis of competition for nutrients can include multiple life stages. This work is important, as it is the first to identify a possible mechanism through which pre-colonization with C. difficile , a current clinical therapy, provides protection from reinfection. Furthermore, our work suggests that targeting nutrients utilized by all life stages could be an improved strategy for bacterial therapeutics that aim to restore colonization resistance in the gut.

Abstract Antibiotics are a major risk factor for Clostridioides difficile infections (CDIs) because of their impact on the microbiota. However, non-antibiotic medications such as the ubiquitous osmotic laxative polyethylene glycol (PEG) 3350 also alter the microbiota. Clinicians also hypothesize that PEG helps clear C. difficile . But whether PEG impacts CDI susceptibility and clearance is unclear. To examine how PEG impacts susceptibility, we treated C57Bl/6 mice with 5-day and 1-day doses of 15% PEG in the drinking water and then challenged the mice with C. difficile 630. We used clindamycin-treated mice as a control because they consistently clear C. difficile within 10 days post-challenge. PEG treatment alone was sufficient to render mice susceptible and 5-day PEG-treated mice remained colonized for up to 30 days post-challenge. In contrast, 1-day PEG treated mice were transiently colonized, clearing C. difficile within 7 days post-challenge. To examine how PEG treatment impacts clearance, we administered a 1-day PEG treatment to clindamycin-treated, C. difficile -challenged mice. Administering PEG to mice after C. difficile challenge prolonged colonization up to 30 days post-challenge. When we trained a random forest model with community data from 5 days post-challenge, we were able to predict which mice would exhibit prolonged colonization (AUROC = 0.90). Examining the dynamics of these bacterial populations during the post-challenge period revealed patterns in the relative abundances of Bacteroides , Enterobacteriaceae , Porphyromonadaceae , Lachnospiraceae , and Akkermansia that were associated with prolonged C. difficile colonization in PEG-treated mice. Thus, the osmotic laxative, PEG, rendered mice susceptible to C. difficile colonization and hindered clearance. Importance Diarrheal samples from patients taking laxatives are typically rejected for Clostridiodes difficile testing. However, there are similarities between the bacterial communities from people with diarrhea or C. difficile infections (CDI) including lower diversity compared to communities from healthy patients. This observation led us to hypothesize that diarrhea may be an indicator of C. difficile susceptibility. We explored how osmotic laxatives disrupt the microbiota’s colonization resistance to C. difficile by administering a laxative to mice either before or after C. difficile challenge. Our findings suggest that osmotic laxatives disrupt colonization resistance to C. difficile , and prevent clearance among mice already colonized with C. difficile . Considering that most hospitals recommend not performing C. difficile testing on patients taking laxatives and laxatives are prescribed prior to administering fecal microbiota transplants via colonoscopy to patients with recurrent CDIs, further studies are needed to evaluate if laxatives impact microbiota colonization resistance in humans.

Between October 2016 and June 2017, a C57BL/6J mouse colony that was undergoing a pre- and peri-natal methyl-donor supplementation diet intervention to study the impact of parental nutrition on offspring susceptibility to disease was found to suffer from an epizootic of unexpected deaths. Necropsy revealed the presence of severe colitis, and further investigation linked these outbreak deaths to a Clostridium difficile strain of ribotype 027 we term 16N203. C. difficile infection (CDI) is associated with antibiotic use in humans. Current murine models of CDI rely on antibiotic pretreatment to establish clinical phenotypes. In this report, the C. difficile outbreak occurs in F1 mice linked to alterations in the parental diet. The diagnosis of CDI in the affected mice was confirmed by cecal/colonic histopathology, presence of C. difficile bacteria in fecal/colonic culture, and detection of C. difficile toxins. F1 mice from parents fed the methyl-supplementation diet also had significantly reduced survival (p<0.0001) than F1 mice from parents fed the control diet. When we tested the 16N203 outbreak strain in an established mouse model of antibiotic-induced CDI, we confirmed that this strain is pathogenic. Our serendipitous observations from this spontaneous outbreak of C. difficile in association with a pre- and peri-natal methyl-donor diet suggest the important role diet may play in host defense and CDI risk factors.

Abstract Susceptibility to Clostridioides difficile infection (CDI) typically follows the administration of antibiotics. Patients with inflammatory bowel disease (IBD) have increased incidence of CDI, even in the absence of antibiotic treatment. However, the mechanisms underlying this susceptibility are not well understood. To explore the intersection between CDI and IBD, we recently described a mouse model where colitis triggered by the murine gut bacterium, Helicobacter hepaticus, in IL-10 -/- mice led to susceptibility to C. difficile colonization without antibiotic administration. The current work disentangles the relative contributions of inflammation and gut microbiota in colonization resistance to C. difficile in this model. We show that inflammation drives changes in microbiota composition, which leads to CDI susceptibility. Decreasing inflammation with an anti-p40 monoclonal antibody promotes a shift of the microbiota back toward a colonization-resistant state. Transferring microbiota from susceptible and resistant mice to germ-free animals transfers the susceptibility phenotype, supporting the primacy of the microbiota in colonization resistance. These findings shine light on the complex interactions between the host, microbiota, and C. difficile in the context of intestinal inflammation, and may form a basis for the development of strategies to prevent or treat CDI in IBD patients. Importance Patients with inflammatory bowel disease (IBD) have an increased risk of developing C. difficile infection (CDI), even in the absence of antibiotic treatment. Yet, mechanisms regulating C. difficile colonization in IBD patients remain unclear. Here, we use an antibiotic-independent mouse model to demonstrate that intestinal inflammation alters microbiota composition to permit C. difficile colonization in mice with colitis. Notably, treating inflammation with an anti-p40 monoclonal antibody, a clinically relevant IBD therapeutic, restores microbiota-mediated colonization resistance to the pathogen. Through microbiota transfer experiments in germ-free mice, we confirm that the microbiota shaped in the setting of IBD is the primary driver of susceptibility to C. diffiicile colonization. Collectively, our findings provide insight into CDI pathogenesis in the context of intestinal inflammation, which may inform methods to manage infection in IBD patients. More broadly, this work advances our understanding of mechanisms by which the host-microbiota interface modulates colonization resistance to C. difficile .