Summary

 Acquisition of the intestinal microbiota begins at birth, and a stable microbial community develops from a succession of key organisms. Disruption of the microbiota during maturation by low-dose antibiotic exposure can alter host metabolism and adiposity. We now show that low-dose penicillin (LDP), delivered from birth, induces metabolic alterations and affects ileal expression of genes involved in immunity. LDP that is limited to early life transiently perturbs the microbiota, which is sufficient to induce sustained effects on body composition, indicating that microbiota interactions in infancy may be critical determinants of long-term host metabolic effects. In addition, LDP enhances the effect of high-fat diet induced obesity. The growth promotion phenotype is transferrable to germ-free hosts by LDP-selected microbiota, showing that the altered microbiota, not antibiotics per se, play a causal role. These studies characterize important variables in early-life microbe-host metabolic interaction and identify several taxa consistently linked with metabolic alterations. 

PaperClip

Antibiotics administered in low doses have been widely used as growth promoters in the agricultural industry since the 1950s, yet the mechanisms for this effect are unclear. Because antimicrobial agents of different classes and varying activity are effective across several vertebrate species, we proposed that such subtherapeutic administration alters the population structure of the gut microbiome as well as its metabolic capabilities. We generated a model of adiposity by giving subtherapeutic antibiotic therapy to young mice and evaluated changes in the composition and capabilities of the gut microbiome. Administration of subtherapeutic antibiotic therapy increased adiposity in young mice and increased hormone levels related to metabolism. We observed substantial taxonomic changes in the microbiome, changes in copies of key genes involved in the metabolism of carbohydrates to short-chain fatty acids, increases in colonic short-chain fatty acid levels, and alterations in the regulation of hepatic metabolism of lipids and cholesterol. In this model, we demonstrate the alteration of early-life murine metabolic homeostasis through antibiotic manipulation. Treatment of young mice with low levels of antibiotics results in increases in adiposity and causes both a change in the composition of the intestinal microbial community and an alteration in the activity of microbial metabolic pathways, leading to increased short-chain fatty acid production. Continuous treatment with low levels of antibiotics has for decades been used to enhance body weight in livestock, yet the mechanisms underlying this effect are unclear. Using a similar approach in young mice, these authors show that subtherapeutic doses of antibiotic increase the body's fat mass, cause changes in the composition of the intestinal microbial community and alter the activity of microbial metabolic pathways that lead to short-chain fatty-acid production. These findings highlight the importance of certain microbes in maintaining normal metabolic activity.

Abstract The gut microbiome plays an important role in immune function and has been implicated in several autoimmune disorders. Here we use 16S rRNA sequencing to investigate the gut microbiome in subjects with multiple sclerosis (MS, n =60) and healthy controls ( n =43). Microbiome alterations in MS include increases in Methanobrevibacter and Akkermansia and decreases in Butyricimonas , and correlate with variations in the expression of genes involved in dendritic cell maturation, interferon signalling and NF-kB signalling pathways in circulating T cells and monocytes. Patients on disease-modifying treatment show increased abundances of Prevotella and Sutterella , and decreased Sarcina , compared with untreated patients. MS patients of a second cohort show elevated breath methane compared with controls, consistent with our observation of increased gut Methanobrevibacter in MS in the first cohort. Further study is required to assess whether the observed alterations in the gut microbiome play a role in, or are a consequence of, MS pathogenesis.

The microbiota of cesarean-born infants can be partially restored to that of vaginally born infants immediately after birth. Exposure of newborns to the maternal vaginal microbiota is interrupted with cesarean birthing. Babies delivered by cesarean section (C-section) acquire a microbiota that differs from that of vaginally delivered infants, and C-section delivery has been associated with increased risk for immune and metabolic disorders. Here we conducted a pilot study in which infants delivered by C-section were exposed to maternal vaginal fluids at birth. Similarly to vaginally delivered babies, the gut, oral and skin bacterial communities of these newborns during the first 30 d of life was enriched in vaginal bacteria—which were underrepresented in unexposed C-section–delivered infants—and the microbiome similarity to those of vaginally delivered infants was greater in oral and skin samples than in anal samples. Although the long-term health consequences of restoring the microbiota of C-section–delivered infants remain unclear, our results demonstrate that vaginal microbes can be partially restored at birth in C-section–delivered babies.

To examine the associations of antibiotic exposures during the first 2 years of life and the development of body mass over the first 7 years of life. Longitudinal birth cohort study. A total of 11 532 children born at ⩾2500 g in the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC), a population-based study of children born in Avon, UK in 1991–1992. Exposures to antibiotics during three different early-life time windows (<6 months, 6–14 months, 15–23 months), and indices of body mass at five time points (6 weeks, 10 months, 20 months, 38 months and 7 years). Antibiotic exposure during the earliest time window (<6 months) was consistently associated with increased body mass (+0.105 and +0.083 s.d. unit, increase in weight-for-length Z-scores at 10 and 20 months, P<0.001 and P=0.001, respectively; body mass index (BMI) Z-score at 38 months +0.067 s.d. units, P=0.009; overweight OR 1.22 at 38 months, P=0.029) in multivariable, mixed-effect models controlling for known social and behavioral obesity risk factors. Exposure from 6 to 14 months showed no association with body mass, while exposure from 15 to 23 months was significantly associated with increased BMI Z-score at 7 years (+0.049 s.d. units, P=0.050). Exposures to non-antibiotic medications were not associated with body mass. Exposure to antibiotics during the first 6 months of life is associated with consistent increases in body mass from 10 to 38 months. Exposures later in infancy (6–14 months, 15–23 months) are not consistently associated with increased body mass. Although effects of early exposures are modest at the individual level, they could have substantial consequences for population health. Given the prevalence of antibiotic exposures in infants, and in light of the growing concerns about childhood obesity, further studies are needed to isolate effects and define life-course implications for body mass and cardiovascular risks.

Soil-transmitted helminths colonize more than 1.5 billion people worldwide, yet little is known about how they interact with bacterial communities in the gut microbiota. Differences in the gut microbiota between individuals living in developed and developing countries may be partly due to the presence of helminths, since they predominantly infect individuals from developing countries, such as the indigenous communities in Malaysia we examine in this work. We compared the composition and diversity of bacterial communities from the fecal microbiota of 51 people from two villages in Malaysia, of which 36 (70.6%) were infected by helminths. The 16S rRNA V4 region was sequenced at an average of nineteen thousand sequences per samples. Helminth-colonized individuals had greater species richness and number of observed OTUs with enrichment of Paraprevotellaceae, especially with Trichuris infection. We developed a new approach of combining centered log-ratio (clr) transformation for OTU relative abundances with sparse Partial Least Squares Discriminant Analysis (sPLS-DA) to enable more robust predictions of OTU interrelationships. These results suggest that helminths may have an impact on the diversity, bacterial community structure and function of the gut microbiota.

Transplanting the gut microbiota of pathogen-free mice into germ-free mice improves skeletal muscle mass and strength.

Abstract Mammalian species have co-evolved with intestinal microbial communities that can shape development and adapt to environmental changes, including antibiotic perturbation or nutrient flux. In humans, especially children, microbiota disruption is common, yet the dynamic microbiome recovery from early-life antibiotics is still uncharacterized. Here we use a mouse model mimicking paediatric antibiotic use and find that therapeutic-dose pulsed antibiotic treatment (PAT) with a beta-lactam or macrolide alters both host and microbiota development. Early-life PAT accelerates total mass and bone growth, and causes progressive changes in gut microbiome diversity, population structure and metagenomic content, with microbiome effects dependent on the number of courses and class of antibiotic. Whereas control microbiota rapidly adapts to a change in diet, PAT slows the ecological progression, with delays lasting several months with previous macrolide exposure. This study identifies key markers of disturbance and recovery, which may help provide therapeutic targets for microbiota restoration following antibiotic treatment.

Effect of a probiotic on the gut microbiome and peripheral immune function in healthy controls and relapsing-remitting multiple sclerosis (MS) patients.MS patients (N = 9) and controls (N = 13) were orally administered a probiotic containing Lactobacillus, Bifidobacterium, and Streptococcus twice-daily for two months. Blood and stool specimens were collected at baseline, after completion of the 2-month treatment, and 3 months after discontinuation of therapy. Frozen peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) were used for immune cell profiling. Stool samples were used for 16S rRNA profiling and metabolomics.Probiotic administration increased the abundance of several taxa known to be depleted in MS such as Lactobacillus. We found that probiotic use decreased the abundance of taxa previously associated with dysbiosis in MS, including Akkermansia and Blautia. Predictive metagenomic analysis revealed a decrease in the abundance of several KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) pathways associated with altered gut microbiota function in MS patients, such as methane metabolism, following probiotic supplementation. At the immune level, probiotic administration induced an anti-inflammatory peripheral immune response characterized by decreased frequency of inflammatory monocytes, decreased mean fluorescence intensity (MFI) of CD80 on classical monocytes, as well as decreased human leukocyte antigen (HLA) D related MFI on dendritic cells. Probiotic administration was also associated with decreased expression of MS risk allele HLA-DQA1 in controls. Probiotic-induced increase in abundance of Lactobacillus and Bifidobacterium was associated with decreased expression of MS risk allele HLA.DPB1 in controls.Our results suggest that probiotics could have a synergistic effect with current MS therapies. Ann Neurol 2018.