Significance We have experimentally investigated the immunoregulatory effects of human gut microbiota in multiple sclerosis (MS). We have identified specific bacteria that are associated with MS and demonstrated that these bacteria regulate T lymphocyte-mediated adaptive immune responses and contribute to the proinflammatory environment in vitro and in vivo. Thus, our results expand the knowledge of the microbial regulation of immunity and may provide a basis for the development of microbiome-based therapeutics in autoimmune diseases.

Background and objective: We explored which clinical and biochemical variables predict conversion from clinically isolated syndrome (CIS) to clinically definite multiple sclerosis (CDMS) in a large international cohort. Methods: Thirty-three centres provided serum samples from 1047 CIS cases with at least two years’ follow-up. Age, sex, clinical presentation, T2-hyperintense lesions, cerebrospinal fluid (CSF) oligoclonal bands (OCBs), CSF IgG index, CSF cell count, serum 25-hydroxyvitamin D3 (25-OH-D), cotinine and IgG titres against Epstein-Barr nuclear antigen 1 (EBNA-1) and cytomegalovirus were tested for association with risk of CDMS. Results: At median follow-up of 4.31 years, 623 CIS cases converted to CDMS. Predictors of conversion in multivariable analyses were OCB (HR = 2.18, 95% CI = 1.71–2.77, p < 0.001), number of T2 lesions (two to nine lesions vs 0/1 lesions: HR = 1.97, 95% CI = 1.52–2.55, p < 0.001; >9 lesions vs 0/1 lesions: HR = 2.74, 95% CI = 2.04–3.68, p < 0.001) and age at CIS (HR per year inversely increase = 0.98, 95% CI = 0.98–0.99, p < 0.001). Lower 25-OH-D levels were associated with CDMS in univariable analysis, but this was attenuated in the multivariable model. OCB positivity was associated with higher EBNA-1 IgG titres. Conclusions: We validated MRI lesion load, OCB and age at CIS as the strongest independent predictors of conversion to CDMS in this multicentre setting. A role for vitamin D is suggested but requires further investigation.

There is increasing evidence that vitamin D can be protective against the development of multiple sclerosis (MS), but it may also be beneficial for the clinical course of the disease. Our objective was to prospectively investigate if 25-hydroxy-vitamin D (25-OH-D) levels are associated with exacerbation risk in MS in a study with frequent serum measurements.This was a prospective longitudinal study in 73 patients with relapsing-remitting MS. Blood samples for 25-OH-D measurements were taken every 8 weeks. Associations between 25-OH-D levels and exacerbation rates were assessed using Poisson regression (generalized estimating equations) with the individual serum levels as time-dependent variable.During follow-up (mean 1.7 years), 58 patients experienced a total of 139 exacerbations. Monthly moving averages of 25-OH-D levels were categorized into low (<50 nmol/L), medium (50-100 nmol/L), and high (>100 nmol/L) levels. Exacerbation risk decreased significantly with higher serum vitamin D levels: respective relative exacerbation rates for the medium and high-level category as compared to the low-level category were 0.7 and 0.5 (p value for trend: p = 0.007). The association between 25-OH-D concentrations and exacerbation rate was log linear without a threshold. With each doubling of the serum 25-OH-D concentration the exacerbation rate decreased by 27% (95% confidence interval 8%-42%, p = 0.008).Our finding that higher vitamin D levels are associated with decreased exacerbation risk in relapsing-remitting MS suggests a beneficial effect of vitamin D on disease course in MS. However, the possibility of reverse causality cannot be ruled out completely. Randomized intervention studies are therefore needed to investigate the effect of vitamin D supplementation in MS.

Abstract Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disease of the central nervous system characterized by adaptive and innate immune system dysregulation. Recent work has revealed moderate alteration of gut microbial communities in subjects with MS and in experimental, induced models. However, a mechanistic understanding linking the observed changes in the microbiota and the presence of the disease is still missing. Chloroform-resistant, spore-forming bacteria have been shown to exhibit immunomodulatory properties in vitro and in vivo, but they have not yet been characterized in the context of human disease. This study addresses the community composition and immune function of this bacterial fraction in MS. We identify MS-associated spore-forming taxa and show that their presence correlates with impaired differentiation of IL-10 secreting, regulatory T lymphocytes in-vitro . Colonization of antibiotic-treated mice with spore-forming bacteria allowed us to identify some bacterial taxa favoring IL-10 + lymphocyte differentiation and others inducing differentiation of pro-inflammatory, IFNγ + T lymphocytes. However, when fed into antibiotic-treated mice, both MS and control derived spore-forming bacteria were able to induce immunoregulatory responses. Our analysis also identified Akkermansia muciniphila as a key organism that may interact either directly or indirectly with spore-forming bacteria to exacerbate the inflammatory effects of MS-associated gut microbiota. Thus, changes in the spore-forming fraction may influence T lymphocyte-mediated inflammation in MS. This experimental approach of isolating a subset of microbiota based on its functional characteristics may be useful to investigate other microbial fractions at greater depth. Importance Despite the rapid emergence of microbiome related studies in human diseases, few go beyond a simple description of relative taxa levels in a select group of patients. Our study integrates computational analysis with in vitro and in vivo exploration of inflammatory properties of both complete microbial communities and individual taxa, revealing novel functional associations. We specifically show that while small differences exist between the microbiomes of MS patients and healthy subjects, these differences are exacerbated in the chloroform resistant fraction. We further demonstrate that, when purified from MS patients, this fraction is associated with impaired immunomodulatory responses in vitro.