< Terug naar vorige pagina

Project

Daphnia: van een ecologisch naar een biomedisch microbioom model in de context van hypoxie

In en op het oppervlak van een gastheer leven microbiota zoals bacteriën. Deze microbiële gemeenschap wordt het microbioom genoemd en heeft een invloed op de gastheer fysiologie en gezondheid. Zo kan het in verband worden gebracht met ziektebeelden zoals darmaandoeningen en toleranties van de gastheer voor milieustressoren. Helaas is het onderzoek naar causale bijdragen van het gastheer-geassocieerde microbioom aan ziektebeelden of aan stress gekoppelde fenotypes erg beperkt door complexe interacties tussen microbiota binnenin de gastheer enerzijds en tussen de gastheer en de microbiota anderzijds. Lange tijd werden voornamelijk gewervelde diermodellen gebruikt om causale verbanden te onderzoeken, maar meer recent is er een toenemende interesse voor het gebruik van alternatieven, zoals ongewervelde diermodellen. Dit komt voornamelijk omdat deze modellen het potentieel hebben om te worden gebruikt in grootschalige studies op een kosten-, arbeids- en middelenefficiënte manier zonder ethische beperkingen. Het doel van dit doctoraat was om het gebruik van de watervlo, Daphnia magna, als interdisciplinair testmodel voor gastheer-microbiota interacties te onderzoeken. Meer specifiek richtten we ons op het effect van hypoxie, een lage hoeveelheid aan zuurstof, op deze interacties aangezien de microbiota-geïnduceerde veranderingen ten gevolge van hypoxie onvoldoende bestudeerd zijn in ecologie en daarenboven in verband worden gebracht met ziektebeelden bij de mens.

In de eerste twee hoofdstukken, werd het gebruik van Daphnia als ecologisch modelsysteem voor het testen van gastheer-microbiota interacties onder hypoxie onderzocht. In het eerste hoofdstuk vergeleken we het effect van zuurstof concentraties (normaal versus hypoxie) op de prestaties van Daphnia, de microbiële gemeenschap van Daphnia en de microbiële gemeenschap van het medium die Daphnia omringt en dit voor twee genotypes. We ontdekten dat een lage hoeveelheid zuurstof de prestaties van Daphnia in het algemeen negatief beïnvloedde. Beide genotypes hadden een kleinere kans om te overleven en hadden een lagere reproductie in hypoxie ten opzichte van in een normale zuurstof concentratie. Hoewel beide genotypes door een lage zuurstof concentratie kleiner bleven, was er een significant verschil tussen de genotypes waarbij de ene kleiner was dan de andere in hypoxie terwijl er geen verschil was tussen beide genotypes bij een normale zuurstof concentratie. Ten gevolge van de hypoxie blootstelling vertoonde de microbiële gemeenschap van zowel de Daphnia als van het medium verschuivingen in de bacteriële samenstelling en structuur. Een trend naar een lagere alfadiversiteit binnen de microbiële gemeenschap van Daphnia ging gepaard met een trend naar een hogere alfadiversiteit in het medium. Dit veroorzaakte een sterk door hypoxie geïnduceerd verschil in de microbiële gemeenschap van het omringende medium en dat van Daphnia.

Voortbouwend op het eerste hoofdstuk werd in hoofdstuk twee onderzocht wat het effect van het genotype en een geadapteerd darmmicrobioom is op hypoxie tolerantie. Meer specifiek onderzochten we of het genotype een rol speelt in hypoxie tolerantie en of Daphnia die een microbioom ontvingen die al eerder blootgesteld was aan hypoxie, een hogere hypoxie tolerantie hadden dan Daphnia die een microbioom ontvingen die aan een normale zuurstof concentratie blootgesteld was. Door middel van een transplant experiment werden twee genotypes van bacterievrije ‘ontvanger’ Daphnia geïnoculeerd met darm microbiota van donoren van hun eigen genotype of van het andere genotype, die vooraf waren blootgesteld aan normale of hypoxische zuurstofconcentraties. Daphnia hadden een hogere overlevingskans in hypoxie wanneer zij een microbioom kregen dat vooraf aan hypoxie was blootgesteld, maar de blootstelling van het microbioom vooraf had geen invloed op de lichaamsgrootte. Bovendien vonden wij aanwijzingen voor een tijdsafhankelijke respons van het Daphnia microbioom op hypoxie, die zich slechts gedeeltelijk vertaalde in de prestaties van de gastheer. Terwijl vroeg in de transplantatie het genotype van de donor een belangrijke factor was voor de beïnvloeding van het microbioom van de ontvangers, was aan het eind van de transplantatie de blootstelling van de donor de meest beïnvloedende factor van de microbioom samenstelling en structuur.

In de laatste twee hoofdstukken, werd het gebruik van Daphnia als biomedisch modelsysteem voor het testen van gastheer-microbiota interacties onderzocht. Hiervoor werd gekeken of het mogelijk was een brede poel van menselijke bacteriën of een specifieke menselijke bacterie binnen te brengen in Daphnia. In hoofdstuk drie werd via een fecale transplantaties een brede poel van menselijke microbiota geïnoculeerd in Daphnia individuen met of zonder microbioom. We bouwden proof-of-concept op dat Daphnia menselijke fecale donor microbiota kan opnemen en dat de impact van fecale microbiota transplantaties op de prestaties van Daphnia dosisafhankelijk is. De fecale concentraties die resulteerden in de hoogste overleving konden in verband worden gebracht met de hoogste unieke ASV's in de darm van de ontvangende Daphnia. Bovendien was een hogere concentratie nodig voor Daphnia met een microbioom in vergelijking met Daphnia zonder een microbioom om de donor microbiota op te nemen. Het succespercentage van deze eerste fecale microbiota transplantaties in Daphnia was laag en het protocol moet verder worden geoptimaliseerd om de microbiële opname bij blootstelling aan menselijke microbiota verder te verhogen.

In het laatste hoofdstuk werd via mono-associatie experimenten een menselijke bacterie (E. coli RCC443) geïnoculeerd in Daphnia met of zonder microbioom. We konden proof-of-concept opbouwen dat causale effecten veroorzaakt door specifieke facultatief anaërobe bacteriën kunnen worden getest in bacterievrije Daphnia via mono-associatie experimenten. En dit zelfs zonder algen aan het dieet toe te voegen waardoor contaminatie door de voedselbron van Daphnia vermeden kan worden in het onderzoek naar causale verbanden. Bij het vergelijken van de prestaties van Daphnia in aan- en afwezigheid van een microbioom vonden we aanwijzingen voor interspecifieke competitie tussen de bacteriën in de Daphnia darm en de toegediende menselijke bacterie. E. coli had een sterker negatief effect op de overleving van Daphnia wanneer Daphnia een microbioom hadden in vergelijking met wanneer ze bacterievrij waren. Verder bleek de invloed van een hypoxische omgeving, die gunstig is voor de facultatief anaërobe bacterie E. coli, de prestaties van Daphnia negatief te beïnvloeden wanneer deze geïnoculeerd was met de E. coli bacterie.

Uit deze thesis besluiten we dat hypoxie de prestaties van de gastheer beïnvloedt op een grotendeels genotype-onafhankelijke manier. We toonden aan dat zowel gastheer-geassocieerde als omringende microbiële gemeenschappen verschuiven in hypoxie en dat de microbioom gemedieerde reacties op hypoxie in Daphnia slechts gedeeltelijk vertaald worden naar gastheerprestaties in hypoxie, maar dat deze wel tijdsafhankelijk zijn. Aangezien klimaatsveranderingen de primaire oorzaak zijn van hypoxie en naar verwachting in het komende decennium zullen verergeren, zijn deze bevindingen relevant in de context van de acclimatisatie en het evolutionaire potentieel van de gastheer tijdens klimaatveranderingen. In de laatste hoofdstukken hebben we de basis gelegd voor het gebruik van Daphnia als modelsysteem in de biomedische wereld om causale gastheer-microbiota interacties te bestuderen. Dit door -voor zover wij weten- als eerste een protocol te beschrijven om menselijke fecale microbiota in Daphnia te transplanteren en door mono-associatie experimenten uit te voeren met menselijke facultatieve anaërobe bacteriën. Dit kan in de toekomst worden uitgebreid tot het testen van effecten van specifieke bacteriën op de expressie van geconserveerde genen die relevant zijn voor zowel de ecologische als de biomedische onderzoekswereld. Daphnia kan dus gebruikt worden als model systeem om gastheer-microbiota interacties te onderzoeken in de context van hypoxie, maar verder onderzoek is nodig voor de implementatie van Daphnia als model systeem in het biomedische onderzoeksveld.

Datum:1 sep 2018 →  26 jun 2023
Trefwoorden:Daphnia, epithelial-to-mesenchymal transition, colorectal cancer, microbiome
Disciplines:Dierkundige biologie, Genetica
Project type:PhD project