Background & Aims: The probiotic compound, VSL#3, is efficacious as maintenance therapy in pouchitis and ulcerative colitis. The aim of this study was to determine the efficacy of VSL#3 as a primary therapy in the treatment of colitis in the interleukin (IL)-10 gene-deficient mouse. Mechanisms of action of VSL#3 were investigated in T84 monolayers. Methods: IL-10 gene-deficient and control mice received 2.8 × 108 colony-forming units per day of VSL#3 for 4 weeks. Colons were removed and analyzed for cytokine production, epithelial barrier function, and inflammation. VSL#3 or conditioned media was applied directly to T84 monolayers. Results: Treatment of IL-10 gene-deficient mice with VSL#3 resulted in normalization of colonic physiologic function and barrier integrity in conjunction with a reduction in mucosal secretion of tumor necrosis factor α and interferon γ and an improvement in histologic disease. In vitro studies showed that epithelial barrier function and resistance to Salmonella invasion could be enhanced by exposure to a proteinaceous soluble factor secreted by the bacteria found in the VSL#3 compound. Conclusions: Oral administration of VSL#3 was effective as primary therapy in IL-10 gene-deficient mice, and had a direct effect on epithelial barrier function.GASTROENTEROLOGY 2001;121:580-591

Encounters between immune cells and invading bacteria ultimately determine the course of infection. These interactions are usually measured in populations of cells, masking cell-to-cell variation that may be important for infection outcome. To characterize the gene expression variation that underlies distinct infection outcomes and monitor infection phenotypes, we developed an experimental system that combines single-cell RNA-seq with fluorescent markers. Probing the responses of individual macrophages to invading Salmonella, we find that variation between individual infected host cells is determined by the heterogeneous activity of bacterial factors in individual infecting bacteria. We illustrate how variable PhoPQ activity in the population of invading bacteria drives variable host type I IFN responses by modifying LPS in a subset of bacteria. This work demonstrates a causative link between host and bacterial variability, with cell-to-cell variation between different bacteria being sufficient to drive radically different host immune responses. This co-variation has implications for host-pathogen dynamics in vivo.

Abstract The mechanisms by which epithelia identify and respond to pathogens are manifold, nuanced and complex. Here, using human-colon derived HT29 epithelial cells, mouse and human primary colonoids, and cathelicidin null (Cramp) mice, we report a novel immunoregulatory role for the antimicrobial peptide, cathelicidin, that was found to recognize and synergise with Salmonella typhimurium or its derived virulence factor lipopolysaccharide (LPS) to promote epithelial synthesis of the chemokine IL-8/KC for neutrophil recruitment/activation during infectious colitis. Mechanistically, cathelicidin facilitated the internalization of LPS via GM1 lipid rafts and subsequent TLR4 activation to promote IL-8 production. Furthermore, IL-8 output required the integrated activity of two signal transduction pathways: NF-κB and MEK 1/2 kinase signaling was required for IL-8 mRNA synthesis, while Src-EGFR-p38MAPK (NF-κB independent) activity underlay IL-8 mRNA stabilization. This immunomodulatory function of cathelicidin was key in colon defense, since Cramp −/− mice infected with a natural murine Gram negative intestinal pathogen, Citrobacter rodentium, displayed diminished KC secretion, impaired mobilization and reduced clearance of the bacteria. Occurring at concentrations lower than those necessary for anti-microbial activity, cathelicidin’s capacity to sense pathogens/LPS and enhance neutrophil recruitment reveals a novel function for this peptide in directing innate immunity which may be of pivotal importance in the control of infections colitis. Author summary The gut lining has a well regulated immune system that tolerates resident bacteria and does not respond to them. However, when pathogenic bacteria enter, there needs to be a protective response. How the gut lining ‘switches’ from passive to protective is of interest. In our study, we determined host defense cathelicidin peptide (either naturally occurring or administered) “instructs” the colon lining to produce a compound (IL-8) that attracts white blood cells in response to a pathogen (Salmonella typhimurium) or lipopolysaccharide, a component of this pathogen’s cell wall. We discovered a novel mechanism by which cathelicidin facilitates uptake of lipopolysaccharide by the lining of the colon and how it activates receptors to increase synthesis and release of IL-8. In addition, we also detected a synergistic action between cathelicidin and intestinal pathogens in laboratory cultures of colon tissues from mice and humans, as well as in a mouse model of colitis with another pathogenic bacterium. Cathelicidin induced production of IL-8 which attracted and stimulated more white blood cells. Therefore, in addition to potential direct actions to supress harmful bacteria, cathelicidin also acts as a biological sensor in the gut lining, recognizing pathogens or factors they produce and increasing white cell responses.

Xenografts of the hematopoietic system are extremely useful as disease models and for translational research. Zebrafish xenografts have been widely used to monitor blood cancer cell dissemination and homing due to the optical clarity of embryos and larvae, which allow unrestricted in vivo visualization of migratory events. To broaden the scope of xenotransplantation studies in zebrafish, we have developed a technique that transiently generates hematopoietic tissue chimeras by transplanting murine bone marrow cells into zebrafish blastulae. This procedure leads to mammalian cell integration into the fish developmental hematopoietic program. Monitoring zebrafish chimeras at different time points post fertilization using in vivo time-lapse and confocal imaging showed murine cell co-localization with developing primitive and definitive hematopoietic tissues, intravasation into fish circulation, and dynamic hematopoietic cell-vascular endothelial and hematopoietic cell-niche interactions. Immunohistochemistry assays performed in chimeric animals showed that, after engraftment, murine cells expressed antigens related to i) hematopoietic stem and progenitor cells, ii) active cell proliferation, and iii) myeloid cell lineages. Lastly, xenografted zebrafish larvae infected with Klebsiella pneumoniae showed murine immune cells trafficking to bacterial foci and interacting with bacterial cells. Overall, these results show that mammalian bone marrow cells xenografted in zebrafish integrate into the host hematopoietic system revealing highly conserved molecular mechanisms of hematopoiesis between zebrafish and mammals. In addition, this procedure introduces a useful and simple method that improves and broadens the scope of hematopoietic tissue xenotransplantation studies in zebrafish.