Although periodontitis has been implicated as a risk factor for various systemic diseases, the precise mechanisms by which periodontitis induces systemic disease remain to be elucidated. We have previously revealed that repeated oral administration of Porphyromonas gingivalis elicits endotoxemia via changes in the gut microbiota of the ileum, and thereby induces systemic inflammation and insulin resistance. However, it is not clear to what extent a single administration of P. gingivalis could affect gut microbiota composition, gut barrier function, and subsequent influx of gut microbiota into the liver. Therefore, in the present study, C57BL/6 mice were orally administered P. gingivalis (strain W83) once and compared to sham-inoculated mice. The phylogenetic structure and diversity of microbial communities in the gut and liver were analyzed by pyrosequencing the 16S ribosomal RNA genes. Serum endotoxin activity was determined by a Limulus amebocyte lysate test. Gene expression in the intestine and expression of 16S rRNA genes in the blood and liver were examined by quantitative polymerase chain reaction. Administration of P. gingivalis significantly altered gut microbiota, with an increased proportion of phylum Bacteroidetes, a decreased proportion of phylum Firmicutes, and increased serum endotoxin levels. In the intestinal tissues, gene expression of tjp-1 and occludin, which are involved in intestinal permeability, were downregulated. Higher amounts of bacterial DNA were detected in the liver of infected mice. Importantly, changes in gut microbiota preceded systemic inflammatory changes. These results further support the idea that disturbance of the gut microbiota composition by orally derived periodontopathic bacteria may be a causal mechanism linking periodontitis and systemic disease.

Abstract Background The gut microbiota plays an important role in the development of behavior and immunity in infants and juveniles. Early weaning (EW), a form of social stress in mice, leads to increased anxiety and an enhanced stress response in the hypothalamic-pituitary-adrenal axis during adulthood. Early life stress also modulates the immune system and increases vulnerability to infection. However, studies investigating the causal relationships among juvenile stress, microbiota changes, and immune and behavioral deficits are limited. Therefore, we hypothesized that EW alters gut microbiota composition and impairs the development of the nervous and immune systems. Results EW mice moved longer distances in the marble-burying test and had longer immobility times in the tail suspension test than normal weaning (NW) mice. In parallel, the gut microbiome composition differed between NW and EW mice, and the abundance of Erysipelotrichacea in EW mice at 8 weeks of age was lower than that in NW mice. In an empirical study, germ-free mice colonized with the gut microbiota of EW mice (GF-EW mice) demonstrated higher depressive behavior than GF mice colonized with normal weaning microbiota (GF-NW mice). Immune cell profiles were also affected by the EW microbiota colonization; the number of CD4 + T cells in the spleen was reduced in GF-EW mice. Conclusion Our results suggest that EW-induced alterations in the gut microbiota cause depressive behaviors and modulate the immune system.

Human gut microbiota plays a crucial role in health and disease. Infancy is a critical period for gut microbiota maturation and immune system development and has the potential to affect long-term health. Understanding the development of gut microbiota in Japanese children is essential because of regional differences and the long-term health effects of the early gut microbiota. However, while several longitudinal studies in Japan have explored the development of the gut microbiota after birth, more extended follow-up periods are still needed. In this study, we aimed to analyze the gut microbiota of 106 Japanese mother–child pairs from the Chiba Study of Mother and Child Health, Japan, over 3.5 years. The results showed that the alpha diversity of the gut microbiota in children increased with age, and its composition began to resemble that of adults. We identified four distinct clusters of gut microbiota that reflected different maturation stages. The similarity between the maternal and child gut microbiota appeared to follow a bimodal-like distribution, suggesting that the presence of older siblings may enhance this similarity. This study highlights the dynamic nature of gut microbiota development in Japanese children and deepens our understanding of the similarities between maternal and child gut microbiota.