The effect of aging in the murine gut microbiome

Abstract

Aging is characterized by several physiological changes. During the lifespan, the biological systems from the body of humans and other animals remain dynamic. Throughout the early stages of life, the microbiome develops into a complex ecosystem with thousands of species. Variations related to diet, environmental changes, medications affect the diversity and composition of the microbiota through the lifespan. Some old individuals with higher incidence of chronic diseases have a loss of the stability of the microbiome and an imbalance occurs between the different colonizers of the gut, also named dysbiosis. One of the most distinctive changes occurring with age is the prevalent low grade inflammation, which is named inflamm-aging. This not only changes the microbial composition of the GIT but also affects the permeability. Murine models are well established and help us to understand the complex dynamics between the host and the microbial communities inhabiting the gastrointestinal tract. These models allow us to analyze microbial communities from tissue and mucosa, from all sections of the gut, which is limited in humans. Methods standardization is an important topic in microbiome research. In chapter 2 it was compared the efficiency of two sample methods, cotton swab and tissue biopsy, in characterizing the mouth microbiota. In recent years, the mouth microbiome is being seen as a diagnostic tool for not only oral diseases but also systemic diseases. As physiological changes occur with aging, the microbiome from the mouth is affected and there is an increase of pathogens present in the oral surfaces. In murine models, cotton swab is a common tool used for sampling the microbiome of the oral cavity. In our study, we observed similar microbial community structure using both methodologies. However, the species Streptococcus danieliae, Moraxella osloensis, and some unclassified members of Streptococcus were affected by the different sampling procedures. In this trial, we included mice at two different ages, 2 months old being considered young and 15 months old considered middle aged mice. We observed changes in the genera Actinobacillus, Neisseria, Staphylococcus, and Streptococcus related to the age of the animal and the sampling type. These results showed the importance of sampling standardization in microbiome research and that age has a strong effect on the microbial ecology of the oral cavity. In chapter 3, it was studied the bacterial communities from duodenum and colon of mice at 2, 15, 24 and 30 months of age in combination with the results of the expression levels of antimicrobial peptides in small intestine and markers of intestinal barrier function. Besides, in this chapter were also assessed the indices of liver damage, inflammation and expression levels of lipopolysaccharide binding protein (Lbp) as well as of toll-like receptors (Tlr) 1-9 in liver tissues. At 24 and 30 months of age there was an increase in inflammation, they developed fibrosis and the levels of endotoxin in plasma were higher. Regarding changes in the microbiome, the duodenum had more changes than the colon related to age. Allobacullum, Bifidobacterium, Olsenella, Corynebacterium were the genera that differed statistically in the duodenum through the murine lifespan. Fewer changes were observed in the colon, as Allobaculum was the only genus that showed differences between young and old mice. Additionaly, it was analyzed the impact of aging in the active microbial communities of mouth, duodenum and colon at 2, 9, 15, 24 and 30 months of age (chapter 4). Changes were observed at every age and different taxonomical levels, with a greater shift at 15 months of age. This is related to the age of the mice, as at middle age systemic changes related to the aging process start to occur. At old ages, there was an increment of the pathobiontic species Helicobacter hepaticus and Helicobacter ganmani in the duodenum and colon. The oral, duodenal and colonic microbial communities are important pieces of information that can be related to the health status of the host. Research that focuses on assessing the changes in the different niches and not only in the feces, gives a broader overview of the microbial community of the host.

Das Altern ist durch verschiedene physiologische Veränderungen gekennzeichnet. Während der Lebensdauer von Menschen und anderen Tieren bleiben die biologischen Systeme des Körpers dynamisch. In den frühen Lebensphasen entwickelt sich das Mikrobiom zu einem komplexen Ökosystem mit Tausenden von Arten. Variationen in Bezug auf Ernährung, Umweltveränderungen und Medikamenten beeinflussen die Vielfalt und Zusammensetzung der Mikrobiota während des gesamten Lebens. Bei einigen alten Personen mit einer höheren Inzidenz chronischer Krankheiten ist ein Verlust der Stabilität des Mikrobioms zu beobachten und es tritt ein Ungleichgewicht zwischen den verschiedenen Darmbesiedlern auf, was auch als Dysbiose bezeichnet wird. Eine der auffälligsten Veränderungen ist eine im Alter auftretende niedriggradige Entzündung, die als inflamm-aging bezeichnet wird. Diese verändert nicht nur die mikrobielle Zusammensetzung des GIT, sondern beeinflusst auch dessen Permeabilität. Mausmodelle sind gut etabliert und helfen uns, die komplexe Dynamik zwischen dem Wirt und den im Magen-Darm-Trakt lebenden mikrobiellen Gemeinschaften zu verstehen. Diese Modelle erlauben es uns, die mikrobiellen Gemeinschaften in Gewebe und Mucosa in allen Abschnitten des Darms zu analysieren, was im Menschen limitiert ist. Ein wichtiges Thema in der Mikrobiomforschung ist die Standardisierung von Methoden. In Kapitel 2 wurde die Effizienz von den zwei Probenmethoden, Wattestäbchen und Gewebebiopsie, bei der Charakterisierung der Mundmikrobiota verglichen. In den letzten Jahren wurde das Mundmikrobiom als diagnostisches Instrument nicht nur für orale Erkrankungen, sondern auch für systemische Erkrankungen eingesetzt. Mit zunehmendem Alter treten physiologische Veränderungen auf, welche das Mikrobiom im Mund beeinflusst und eine Zunahme von Krankheitserregern auf den Mundoberflächen beobachten lässt. In Mausmodellen sind Wattestäbchen ein übliches Werkzeug zur Probeentnahme des Mikrobioms der Mundhöhle. In unserer Studie beobachteten wir mit beiden Methoden eine ähnliche Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft. Jedoch wurden die Anteile der Arten Streptococcus danieliae, Moraxella osloensis und einige nicht klassifizierte Mitglieder von Streptococcus von den verschiedenen Probeentnahmeverfahren beeinflusst. In dieser Studie wurden Mäuse zwei verschiedener Altersstufen untersucht, wobei die 2 Monate alten Mäuse als jung und die 15 Monate alten als im mittleren Alter eingestuft wurden. Wir beobachteten Veränderungen in den Gattungen Actinobacillus, Neisseria, Staphylococcus und Streptococcus in Bezug auf das Alter des Tieres und dem Probentyp. Diese Ergebnisse zeigten, dass das Alter einen starken Einfluss auf die mikrobielle Ökologie der Mundhöhle hat und wie wichtig eine standardisierte Probenentnahme in der Mikrobiomforschung ist. In Kapitel 3 wurden die bakteriellen Gemeinschaften aus Zwölffingerdarm und Dickdarm von Mäusen im Alter von 2, 15, 24 und 30 Monaten in Kombination mit den Ergebnissen der Expressionsniveaus von antimikrobiellen Peptiden im Dünndarm und Markern der Darmbarrierefunktion untersucht. Außerdem wurden in diesem Kapitel die Indizes für Leberschäden, Entzündungen und Expressionsniveaus von Lipopolysaccharid-Bindungsprotein (Lbp) sowie von Toll-like-Rezeptoren (Tlr) 1-9 in Lebergeweben bewertet. Im Alter von 24 und 30 Monaten kam es bei den Mäusen zu einem Anstieg der Entzündungswerte, sie entwickelten eine Fibrose und die Endotoxinspiegel im Plasma waren höher. In Bezug auf Veränderungen im Mikrobiom kam es im Zwölffingerdarm zu mehr altersbedingten Veränderungen als im Dickdarm. Allobacullum, Bifidobacterium, Olsenella, Corynebacterium waren die Gattungen, die sich im Zwölffingerdarm über die Lebensdauer der Maus statistisch unterschieden. Im Dickdarm wurden weniger Veränderungen beobachtet, Allobaculum war die einzige Gattung, die Unterschiede zwischen jungen und alten Mäusen zeigte. Zusätzlich wurde der Einfluss des Alterns in den aktiven mikrobiellen Gemeinschaften von Mund, Zwölffingerdarm und Dickdarm im Alter von 2, 9, 15, 24 und 30 Monaten analysiert (Kapitel 4). Veränderungen wurden in jedem Alter und auf verschiedenen taxonomischen Ebenen beobachtet, im Alter von 15 Monaten kam es zu der größten Veränderung. Dies hängt mit dem Alter der Mäuse zusammen, da im mittleren Alter systemische Veränderungen im Zusammenhang mit dem Alterungsprozess auftreten. Im hohen Alter gab es eine Zunahme der pathobiontischen Arten Helicobacter hepaticus und Helicobacter ganmani im Zwölffingerdarm und Dickdarm. Die oralen, duodenalen und kolonalen mikrobiellen Gemeinschaften sind wichtige Informationen, die auf den Gesundheitszustand des Wirts schließen lassen. Forschungen, die sich auf die Bewertung der Veränderungen in den verschiedenen Nischen und nicht nur im Kot konzentrieren, geben einen breiteren Überblick über die mikrobielle Gemeinschaft des Wirts.