Background & AimsThe composition of the gastrointestinal microbiota is thought to have an important role in the etiology of inflammatory bowel diseases (IBDs) such as Crohn's disease (CD) and ulcerative colitis (UC). Interindividual variation and an inability to detect less abundant bacteria have made it difficult to correlate specific bacteria with disease.MethodsWe used 454 pyrotag sequencing to determine the compositions of microbial communities in feces samples collected from a cohort of 40 twin pairs who were concordant or discordant for CD or UC, and in mucosal samples from a subset of the cohort. The cohort primarily comprised patients who were in remission, but also some with active disease.ResultsThe profiles of the microbial community differed with disease phenotypes; relative amounts of bacterial populations correlated with IBD phenotypes. The microbial compositions of individuals with CD differed from those of healthy individuals, but were similar between healthy individuals and individuals with UC. Profiles from individuals with CD that predominantly involved the ileum differed from those with CD that predominantly involved the colon; several bacterial populations increased or decreased with disease type. Changes specific to patients with ileal CD included the disappearance of core bacteria, such as Faecalibacterium and Roseburia, and increased amounts of Enterobacteriaceae and Ruminococcus gnavus.ConclusionsBacterial populations differ in abundance among individuals with different phenotypes of CD. Specific species of bacteria are associated with ileal CD; further studies should investigate their role in pathogenesis. The composition of the gastrointestinal microbiota is thought to have an important role in the etiology of inflammatory bowel diseases (IBDs) such as Crohn's disease (CD) and ulcerative colitis (UC). Interindividual variation and an inability to detect less abundant bacteria have made it difficult to correlate specific bacteria with disease. We used 454 pyrotag sequencing to determine the compositions of microbial communities in feces samples collected from a cohort of 40 twin pairs who were concordant or discordant for CD or UC, and in mucosal samples from a subset of the cohort. The cohort primarily comprised patients who were in remission, but also some with active disease. The profiles of the microbial community differed with disease phenotypes; relative amounts of bacterial populations correlated with IBD phenotypes. The microbial compositions of individuals with CD differed from those of healthy individuals, but were similar between healthy individuals and individuals with UC. Profiles from individuals with CD that predominantly involved the ileum differed from those with CD that predominantly involved the colon; several bacterial populations increased or decreased with disease type. Changes specific to patients with ileal CD included the disappearance of core bacteria, such as Faecalibacterium and Roseburia, and increased amounts of Enterobacteriaceae and Ruminococcus gnavus. Bacterial populations differ in abundance among individuals with different phenotypes of CD. Specific species of bacteria are associated with ileal CD; further studies should investigate their role in pathogenesis.

The causes and etiology of Crohn's disease (CD) are currently unknown although both host genetics and environmental factors play a role. Here we used non-targeted metabolic profiling to determine the contribution of metabolites produced by the gut microbiota towards disease status of the host. Ion Cyclotron Resonance Fourier Transform Mass Spectrometry (ICR-FT/MS) was used to discern the masses of thousands of metabolites in fecal samples collected from 17 identical twin pairs, including healthy individuals and those with CD. Pathways with differentiating metabolites included those involved in the metabolism and or synthesis of amino acids, fatty acids, bile acids and arachidonic acid. Several metabolites were positively or negatively correlated to the disease phenotype and to specific microbes previously characterized in the same samples. Our data reveal novel differentiating metabolites for CD that may provide diagnostic biomarkers and/or monitoring tools as well as insight into potential targets for disease therapy and prevention.

Objective

 Iron deficiency is a common complication in patients with IBD and oral iron therapy is suggested to exacerbate IBD symptoms. We performed an open-labelled clinical trial to compare the effects of per oral (PO) versus intravenous (IV) iron replacement therapy (IRT). 

Design

 The study population included patients with Crohn9s disease (CD; N=31), UC (N=22) and control subjects with iron deficiency (non-inflamed, NI=19). After randomisation, participants received iron sulfate (PO) or iron sucrose (IV) over 3 months. Clinical parameters, faecal bacterial communities and metabolomes were assessed before and after intervention. 

Results

 Both PO and IV treatments ameliorated iron deficiency, but higher ferritin levels were observed with IV. Changes in disease activity were independent of iron treatment types. Faecal samples in IBD were characterised by marked interindividual differences, lower phylotype richness and proportions of Clostridiales. Metabolite analysis also showed separation of both UC and CD from control anaemic participants. Major shifts in bacterial diversity occurred in approximately half of all participants after IRT, but patients with CD were most susceptible. Despite individual-specific changes in phylotypes due to IRT, PO treatment was associated with decreased abundances of operational taxonomic units assigned to the species Faecalibacterium prausnitzii, Ruminococcus bromii, Dorea sp. and Collinsella aerofaciens. Clear IV-specific and PO-specific fingerprints were evident at the level of metabolomes, with changes affecting cholesterol-derived host substrates. 

Conclusions

 Shifts in gut bacterial diversity and composition associated with iron treatment are pronounced in IBD participants. Despite similar clinical outcome, oral administration differentially affects bacterial phylotypes and faecal metabolites compared with IV therapy. 

Trial registration number

 clinicaltrial.gov (NCT01067547).

ABSTRACT Diet can influence the composition of the human microbiome, and yet relatively few dietary ingredients have been systematically investigated with respect to their impact on the functional potential of the microbiome. Dietary resistant starch (RS) has been shown to have health benefits, but we lack a mechanistic understanding of the metabolic processes that occur in the gut during digestion of RS. Here, we collected samples during a dietary crossover study with diets containing large or small amounts of RS. We determined the impact of RS on the gut microbiome and metabolic pathways in the gut, using a combination of “omics” approaches, including 16S rRNA gene sequencing, metaproteomics, and metabolomics. This multiomics approach captured changes in the abundance of specific bacterial species, proteins, and metabolites after a diet high in resistant starch (HRS), providing key insights into the influence of dietary interventions on the gut microbiome. The combined data showed that a high-RS diet caused an increase in the ratio of Firmicutes to Bacteroidetes , including increases in relative abundances of some specific members of the Firmicutes and concurrent increases in enzymatic pathways and metabolites involved in lipid metabolism in the gut. IMPORTANCE This work was undertaken to obtain a mechanistic understanding of the complex interplay between diet and the microorganisms residing in the intestine. Although it is known that gut microbes play a key role in digestion of the food that we consume, the specific contributions of different microorganisms are not well understood. In addition, the metabolic pathways and resultant products of metabolism during digestion are highly complex. To address these knowledge gaps, we used a combination of molecular approaches to determine the identities of the microorganisms in the gut during digestion of dietary starch as well as the metabolic pathways that they carry out. Together, these data provide a more complete picture of the function of the gut microbiome in digestion, including links between an RS diet and lipid metabolism and novel linkages between specific gut microbes and their metabolites and proteins produced in the gut.

Metabolomics is a powerful tool that is increasingly used in clinical research. Although excellent sample quality is essential, it can easily be compromised by undetected preanalytical errors. We set out to identify critical preanalytical steps and biomarkers that reflect preanalytical inaccuracies.We systematically investigated the effects of preanalytical variables (blood collection tubes, hemolysis, temperature and time before further processing, and number of freeze-thaw cycles) on metabolomics studies of clinical blood and plasma samples using a nontargeted LC-MS approach.Serum and heparinate blood collection tubes led to chemical noise in the mass spectra. Distinct, significant changes of 64 features in the EDTA-plasma metabolome were detected when blood was exposed to room temperature for 2, 4, 8, and 24 h. The resulting pattern was characterized by increases in hypoxanthine and sphingosine 1-phosphate (800% and 380%, respectively, at 2 h). In contrast, the plasma metabolome was stable for up to 4 h when EDTA blood samples were immediately placed in iced water. Hemolysis also caused numerous changes in the metabolic profile. Unexpectedly, up to 4 freeze-thaw cycles only slightly changed the EDTA-plasma metabolome, but increased the individual variability.Nontargeted metabolomics investigations led to the following recommendations for the preanalytical phase: test the blood collection tubes, avoid hemolysis, place whole blood immediately in ice water, use EDTA plasma, and preferably use nonrefrozen biobank samples. To exclude outliers due to preanalytical errors, inspect the biomarker signal intensities reflecting systematic as well as accidental and preanalytical inaccuracies before processing the bioinformatics data.

Altered interactions between the mucosal immune system and intestinal microbiota contribute to pathogenesis of inflammatory bowel diseases (IBD). It is not clear how inhibitors of cytokines, such as antagonists of tumor necrosis factor (anti-TNF), affect the intestinal microbiome. We investigated the effects of anti-TNF agents on gut microbe community structure and function in a longitudinal 2-step study of patients with IBD. We correlated our findings with outcomes of treatment and investigated patterns of metabolites in fecal samples before and after anti-TNF therapy.We performed a prospective study of 2 cohorts of patients in Germany; the discovery cohort comprised 12 patients with IBD, 17 patients with rheumatic disease, and 19 healthy individuals (controls); fecal samples were collected at baseline and 2, 6, and 30 weeks after induction of anti-TNF therapy. The validation cohort comprised 23 patients with IBD treated with anti-TNF or vedolizumab (anti-α4β7 integrin) and 99 healthy controls; fecal samples were collected at baseline and at weeks 2, 6, and 14. Fecal microbiota were analyzed by V3-V4 16S ribosomal RNA gene amplicon sequencing. Clinical response and remission were determined by clinical disease activity scores. Metabolic network reconstruction and associated fecal metabolite level inference was performed in silico using the AGORA (Assembly of Gut Organisms through Reconstruction and Analysis) resource. Metabolomic analyses of fecal samples from a subset of patients were performed to validate metabolites associated with treatment outcomes.Anti-TNF therapy shifted the diversity of fecal microbiota in patients with IBD, but not with rheumatic disease, toward that of controls. Across timepoints, diversity indices did not vary significantly between patients with IBD who did or did not achieve clinical remission after therapy. In contrast, in silico modeling of metabolic interactions between gut microbes found metabolite exchange to be significantly reduced at baseline in fecal samples from patients with IBD and to be associated with later clinical remission. Predicted levels of butyrate and substrates involved in butyrate synthesis (ethanol or acetaldehyde) were significantly associated with clinical remission following anti-TNF therapy, verified by fecal metabolomic analyses.Metabolic network reconstruction and assessment of metabolic profiles of fecal samples might be used to identify patients with IBD likely to achieve clinical remission following anti-TNF therapy and increase our understanding of the heterogeneity of IBD.

ABSTRACT The early-life metabolome of the intestinal tract is dynamically influenced by colonization of gut microbiota which in turn is affected by nutrition, i.e. breast milk or formula. A detailed examination of fecal metabolites was performed to investigate the effect of probiotics in formula compared to control formula and breast milk within the first months of life in healthy neonates. A broad metabolomics approach was conceptualized to describe fecal polar and semi-polar metabolites affected by diet within the first year of life. Fecal metabolomes were clearly distinct between formula- and breastfed infants, mainly originating from diet and microbial metabolism. Unsaturated fatty acids and human milk oligosaccharides were increased in breastfed, whereas Maillard products were found in feces of formula-fed children. Altered microbial metabolism was represented by bile acids and aromatic amino acid metabolites. Elevated levels of sulfated bile acids were detected in stool samples of breastfed infants, whereas secondary bile acids were increased in formula-fed infants. Co-microbial metabolism was supported by significant correlation between chenodeoxycholic or lithocholic acid and members of Clostridia. Fecal metabolites showed strong inter- and intra-individual behavior with features uniquely present in certain infants and at specific time points. Nevertheless, metabolite profiles converged at the end of the first year, coincided with solid food introduction.