Suoliston mikrobitasapaino 15.3.16 Mikkeli (2)...Hakalehto E. & Jaakkola K . 2013. Synergistic...

Suolistonmikrobitasapaino

LuentoHelsinginyliopistonLuomuinstituutissa,Mikkelissä

15.3.2016

Dos.EliasHakalehto,FT,MMM

”Alimentary Microbiome”

- käsitev.2000,Prof .JoshuaLederberg

Lederberg, J.Infectious history.Science,2000;288,287-293.

SuolistonmikrobitasapainoHelsinginyliopisto,Luomuinstituutti,Mikkeli15.3.2016

Dos.EliasHakalehto

”HumanMicrobiome”–projektistaonnyttulossavastaavanlainenjättihankekuin”HumanGenome”oliviimevuosisadanlopulla.

”Ajointeffort ofthescientific community tosetup agovernmental-led strive forbetter understanding ontheintestinal andother microbiome constitution”Zimmer, C.Scientisturgenationalinitiativeonmicrobiomes.TheNewYorkTimes28.10.2015.

Onalettuymmärtää,mitenolennaisestimikrobitliittyvätihmistenterveyteen,jaosatekijöinäkaikkiinsairauksiin.


Dos.EliasHakalehto

Muitatermejäesim.:

Digestive tract microfloraGut microbiotaIntestinal microbesHost-microbe interactionMolecular communication


Dos.EliasHakalehto

Ihmisenterveysonseurausta/riippuvainentasapainostahänenelimistönsäjasenmikrobienvälillä


Dos.EliasHakalehto

Bacteriological Intestinal Balance (BIB)

-Käsitekuvaasitäolotilaa,johonterveenihmisentasapainoinen,luonnollinensuolistonbakteeriyhteisöpyrkii.-Tähänvoidaanvaikuttaasiten,ettähoitamallamikrobiflooraavaikutetaanepäsuorastiihmisenterveyteenmyönteisellätavalla.Hakalehto,E.(Ed.).2012.Alimentarymicrobiome- aPMEUapproach.NewYork,NY,USA:NovaSciencePublishers,Inc.


Dos.EliasHakalehto

Ruuansulatuskanavanmikrobitutkimuksenpääkohdat:

1. Mikrobifloorankartoittaminen2. Mikrobienosallistuminenravinnonhyödyntämiseen3. Mikrobienvälisetvuorovaikutukset4. Mikrobienjaihmiselimistönvuorovaikutukset5. Mikrobiomin terveysvaikutukset


Dos.EliasHakalehto

PMEU-laitteen hyödyntäminentutkimuksessaonavannutnäköaloja

PMEUSpectrion ® PMEUScentrion ® PMEUautomaattisellanäytteenotollavarustettuna

LaiteonkehitettyFinnoflagOy:ntekemientutkimustentyövälineeksivuosisadanvaihteestaalkaen.


Dos.EliasHakalehto

Theimportance ofPMEUenrichment

PMEU-rikastusviljelynmerkitys


Dos.EliasHakalehto

Pesola,J.,&Hakalehto,E.2011.Enterobacterialmicroflora ininfancy- acasestudywithenhancedenrichment.IndianJPediatr,78,562-568.

Kokonaiskuvamikrobitasapainosta

Hakalehto,E.(Ed.).2015.MicrobiologicalFoodHygiene.NewYork,NY,USA:NovaSciencePublishers, Inc.


Dos.EliasHakalehto

Patientno Cardia Antrum Pylorus

1Enterococcusfaecalis(2)a

L.salivariusssp.

salivarius(2)

L.s salivarius ssp.

salivarius

Str.thermophilus

L.salivarius ssp.salivarius

2 S..salivarius(2)

4S..sanguinis(2) S.salivariusS..salivariusE.faecalis

5 S.salivariusStr.salivarius

L.salivarius

6L.reuteri L.reuteriL.casei 97%

7L.reuteri(3)

L.reuteriS.salivarius

8 Str.sanguinisLactobacillusreuteri (2)

9Lactococcuslactisssp.lactis(2) S.thermophilus

10 S.sanguinis S.sanguinis S..sanguinis

11 S.salivarius (2) Str.salivarius (2) L.reuteri (3)

12 S.salivarius Str.salivarius(3) S.salivarius

L.reuteri (2)

13 S.salivarius(2) S.salivarius

IdentifiedLAB(lacticacidbacteria)speciesenrichedfromthebiopsiesobtainedfromdifferentgastricsitesandcultivatedwithPMEU

Hakalehto,E.,Vilpponen-Salmela,T.,Kinnunen,K.,vonWright,A.2011.LacticAcidbacteriaenrichedfromhumangastricbiopsies. ISRNGastroenterol.2011,109183.doi:10.5402/2011/109183.

HakalehtoE.&JaakkolaK.2013.Synergisticeffectofprobiotics andprebiotic flaxproductonintestinalbacterialbalance.Posterin35thESPENCongressonClinical NutritionandMetabolism,September2013,Leipzig,Germany.ClinicalNutrition2013Vol.32, Supplement1,S200.

Thejointeffectofaprobiotic mixtureofLactobacillusacidophilus, Bifidobacteriumbifidum, and B.lactis withprebiotic flax onEscherichiacoligrowth inthePMEU.Notethatthelogarithmicscaleindicatesapproximately100-fold restrictionofthecolibacteria.

Hakalehto,E.,Jaakkola,K.,Pesola,J.,Heitto,A.,Hell,M.,Hänninen,O.2015.Tendencies inprobiotictreatments.In:Hakalehto,E.(ed.)Microbialclinicalhygiene.NewYork,NY,USA:NovaSciencePublishers,Inc. Suolistonmikrobitasapaino

Helsinginyliopisto,Luomuinstituutti,Mikkeli15.3.2016Dos.EliasHakalehto

DUALISTICBALANCEINTHESMALLINTESTINES

Esherichiacoli alone

E.coli and Klebsiellasp. together

Klebsiellaalone

GROWTHLEVELSINPURECULTURES(A,C)ANDINAMIXEDCULTURE(B)Klebsiella andE.coli GROWUPTOSAMECONCENTRATIONASEACHOFTHEMSEPARATELY. TOGETHERTHEYKEEPTHEPHOFDUODENUMAT6WITHSIMULTANEOUSEMISSIONOFVOLATILES,CO2 ANDH2.

Hakalehto,E,Humppi,T.,Paakkanen,H.2008.Dualisticacidicandneutralglucosefermentationbalance insmallintestine:Simulation invitro.Pathophysiology15:211-220.

A B C

Suoliston mikrobitasapaino Helsingin yliopisto, Luomuinstituutti, Mikkeli 15.3.2016

Dos. Elias Hakalehto

Fig.1.MixedaerobiccultivationofEscherichiacoli(E.c.)andK.mobilis (K.m.)sp.strainsat37 ∘CinthePMEU.Theinoculatedcellnumberswereabout5× 10E6forE.coliandforK.mobilis about1× 10E6(inpanelcultures1,3and5)andabout5× 10E5(panelcultures2,4and6)permlofthemedium.TheinitialpHoftheliquidmediumwas6.8in1–4and6.14in5and6.Ethanol(1%)wasaddedtocultures3–6.Hakalehto,E,Humppi, T.,Paakkanen,H.2008.Dualisticacidicandneutralglucosefermentationbalanceinsmallintestine:Simulation invitro.Pathophysiology 15:211-220.



Maintenance of dualistic fermentation balance in small intestine simulated in PMEU

The mixed acid fermentation pattern was accomplished by E. coli, and 2,3-butanediol and ethanol fermenting bacteria were represented by K. mobilis.

Hakalehto,E,Humppi,T.,Paakkanen,H.2008.Dualisticacidicandneutralglucosefermentationbalanceinsmallintestine:Simulationinvitro.Pathophysiology15:211-220.

Thedendrogram showingphenotypichomologies oftheenterobacterialstrainsisolatedintheExperimentsI- VIstudiedbyPhenePlateTM -RSplates.Adivision intotwomajorgroupsisvisualizedbyshading.Thiskind ofdualisticcharacteristicsofenterobacterial microbiotahasbeenrecentlypresentedbyHakalehtoetal.[2008]intheregulationofsmallbowelpHandinterspeciescommensalism. ItisnoteworthythattheuppergroupinthisgraphincludedE.coli andtheothergroup(intheshadedarea)Enterobacter,Klebsiella and Pantoeaisolates, theformerspecies beingamixedacidfermentingoneandthelatteronescarryingout2,3-butanediolfermentation.Thedottedlineillustratesthelevelofsimilarityof97.5%ofthestrains.

Pesola,J.,&Hakalehto,E.2011.Enterobacterial microfloraininfancy- acasestudywithenhancedenrichment.IndianJPediatr,78,562-568.



”Bacteria belonging tothegenusKlebsiellahave adual role inhumanpathophysiology.Someofthestrains are potent opportunisticpathogenscapable ofcausing severe illnesses,whereas amajority oftheklebsiellasbelong toour normal flora,particularly inour alimentary tract.”

Hakalehto,E.2013.InteractionsofKlebsiella sp.withotherintestinalflora.In Pereira,L.A.&Santos, A.(eds.)Klebsiella infections:Epidemiology, pathogenesisandclinical outcomes.NovaSciencePublishers,Inc. NewYork,USA.

MIKROBINTAUDINAIHEUTTAMISKYKYONSEURAUSTA,PAITSISENINFEKTIIVISISTÄOMINAISUUKSISTA,MYÖSSENASEMASTAMIKROBIYHTEISÖSSÄSEKÄIHMISELIMISTÖNVASTUSTUSKYVYSTÄJAPUOLUSTUSMEKANISMEISTA.



Hakalehto,E.(Ed.).2012.Alimentarymicrobiome - aPMEUapproach.NewYork,NY,USA:NovaSciencePublishers, Inc.



47 %

53 %

2,3-butaanidiolia tuottavat

Sekahappokäymistä suorittavat

Sappitulehdusten tms.yhteydessäeristetytbakteerikannatkolmenvuodenajaltaSALK-sairaalassa (Universitätsklinikum Salzburg, Austria)

Hakalehto,E.,Hell,M.,Bernhofer,C.,Heitto,A.,Pesola,J.,Humppi, T.,&Paakkanen,H.2010.Growthandgaseousemissions ofpureandmixedsmallintestinalbacterialcultures:Effectsofbileandvancomycin.Pathophysiology, 17,45-53.

70 %

18 %

12 %

Enterococcus

Staphylococcus

Streptococcus



ThePMEUSpectrion® deviceusedforcultivating,detectingandmonitoringbacterialandothermicrobialgrowthbyoptionalUV,visiblelightandIRsensors.Inthefigureontheright acloserlookatthechainedmicrobialcultivationsyringesinthePMEUSpectrion®.Thegasflowemittedfromtheprecedingcultureisdirectedasabubbling flowintothenextone.

Hakalehto,E.2013.InteractionsofKlebsiella sp.withotherintestinalflora.In Pereira,L.A.&Santos, A.(eds.)Klebsiella infections:Epidemiology, pathogenesisandclinical outcomes.NovaSciencePublishers,Inc. NewYork,USA.

GUT-MICROBEINTERACTIONS,CARBONREUSE



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 5 10 15 20 25 30

Rel

ativ

e IR

tran

mis

sion

Time from the onset of the cultivation (h)

Sample 1

Sample 2

Sample 3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 5 10 15 20 25

Relativechangeinth

eelectriccharges

causedbythegase

missionfrom

the

culture

Timefromtheonsetofthecultivation(h)

MOS1_Cl

MOS2_Cl

MOS3_Cl

ScCell1_Cl

ScCell2_Cl

MOS1_Cl+La

MOS2_Cl+La

MOS3_Cl+La

ScCell1_Cl+La

ScCell2_Cl+La

Hakalehto, E. & Hänninen, O. 2012. Can. J. Microbiol. 58: 928-931.

CARBONDIOXIDESPEEDSUPTHEGROWTH

Effect of CO2 from preceding PMEU syringe culture on the onset of clostridialgrowth

Thin lines = C. butyricum aloneThick lines = C. butyricum connectedfrom L. brevis culture

Gaseous CO2 signal initiates growth of butyric-acid-producing Clostridiumbutyricum in both pure culture and mixed cultures with Lactobacillus brevis



No of cultures

Time of CO2 impulse(s) (from the inoculation of PMEU enrichment syringes)

Onset of growth (in hours from the inoculation of PMEU enrichment syringes)

1 None No growth in 49 hours2 None No growth in 49 hours3 0-30 min 334 0-30 min 31,55 90-105 min 326 90-105 min 307 90-105 min, and 180-195 min 258 90-105 min, and 180-195 min 29,59 120-135 min 30,510 120-135 min no data

PMEUSpectrion®culturesofClostridiumacetobutyricum strainATCC185werecultivatedinaconstantnitrogen(100%)flowintothecultivationsyringes(seealsoHakalehto&Hänninen2012).Thisflowwasinsomecasesinterruptedwithpulsesof45%CO2 with15-30mindurationinornearthebeginningofthecultivation.ThetriggeringCO2 impulsesproducedbacterialgrowthinfewhoursasillustratedbelow.

Hakalehto,E.2015.Enhancedmicrobialprocessinthesustainablefuelproduction.InJinyue,Y.(Ed.).Handbook of Clean EnergySystems.Wiley JR&Sons.Inc,Chichester,WestSussex,UK.

CO2 ISBOOSTINGTHEBIOPROCESS



ConversionofLactate intoOther Organic Acid inSlaughterhouseWasteTreatment

Propionibacterium acidipropionici isaccepted assafe production organismby EFSAn,(European FoodSafety Association).It isused forconserving wheat orchicken meat,forexample.http://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(98)75663-2/abstract

Hakalehto,E.2015.Hygieniclessons fromthedairymicrobiology cases.In:Hakalehto,E.(ed.)Microbialfoodhygiene.NewYork,NY,USA:NovaSciencePublishers, Inc.InPrint.



A B

C D

A.30piecesof3,5lCampyGen gassachets(for3.5litersofgasmixture)wereaddedintothesack(110l).Thesackwasclosed air-tightlywithtape.B.Airispumped intothesackthroughthevalve.C.ThesackisconnectedtothePMEUandgasflowadjusted.D.Inthesacktherewasenoughgas-airmixturefor24hoursofmicroearobic cultivationinthetenenrichmentsyringesofthePMEUSpectrion®.

Hakalehto,E.,Nyholm,O.,Bonkoungou, I.J.O.,Kagambega,A.,Rissanen,K.,Heitto,A.,Barro,N.&Haukka,K.2014.Developmentofmicrobiologicalfieldmethodology forwaterandfood-chainhygieneanalysisofCampylobacter spp.andYersinia spp.inBurkinaFaso,WestAfrica.Pathophysiology21:219-229.



Hypothetical distribution of Campylobacter sp. during outbreaks in Burkina Faso, according to Hakalehto et al. 2014.

Hakalehto,E.,Nyholm,O.,Bonkoungou, I.J.O.,Kagambega,A.,Rissanen,K.,Heitto,A.,Barro,N.&Haukka,K.2014.Developmentofmicrobiologicalfieldmethodology forwaterandfood-chainhygieneanalysisofCampylobacter spp.andYersinia spp.inBurkinaFaso,WestAfrica. Pathophysiology21:219-229.



Figure4.(a)GrowthofStaphylococcusaureusstrainintheTYGmediumwithout peptideadditions;(b)growthofStaphylococcusaureusstraininthepresenceof0.01mg/mLofM3sample;(c)growthofStaphylococcusaureusstraininthepresenceof0.03mg/mLofM3sample.

Samgina,T.Yu.etal.2012.Journal ofProteome Research,AmericanChemical Society





TheEscherichiacolipatientstrainisolatedfromtheNeonatalIntensiveCareUnitoftheKuopioUniversityHospital,Finland,wascultivatedat37°CinTYGbrothinthePMEUSpectrion® (Hakalehto,2011).ThiscultivationwascarriedoutinconstantanaerobicN2 flowwithoutanyaddition (theuppermostcurve), andwithconcentrationsof4ng/ml(middle curve)or50ng/ml (lowermostcurve)ofhumanbeta-defensin-2 (HBD-2).Interestingly,theinitiationofgrowthwasnotdelayedbythedefensins, butthegrowthwassomewhatattenuatedbythesesmalladditions. Thefinalcellcontentafter21hoursofthePMEUculturewasabout1.7x10E9permlofmediuminthecontrolcultureandwiththelowerdefensin concentration,whereaswiththehigheraddition thefinalcellconcentrationwas1.1x10E9permlofmedium.ThefinalpH´swere6.90,6.87and6.79,respectively, theoriginalpHofthepuremediumbeing6.95.

Kutenmagaiini-peptidit sammakoniholla,samoindefensiini-peptidit suolistonlimakalvoillatorjuvatinfektioita.

Hakalehto,E.2011.SimulationofenhancedgrowthandmetabolismofintestinalEscherichiacoliinthePortableMicrobeEnrichmentUnit(PMEU).In:RogersMC,PetersonND(eds.)E.coliinfections:causes,treatmentandprevention. NewYork,USA:NovaSciencePublishers,pp.159-175.

Pesola,J.,Heitto,A.,Myöhänen, P.,Laitiomäki,E.,Sankilampi, U.,Paakkanen,H.,Riikonen,P.&Hakalehto,E.

2011.Enhanced bacterial enrichment inthemicrobial diagnostics ofpediatric neutropenic sepsis.In: NOPHO

29thAnnual Meeting,May 21-24,2011,Turku, Finland.Abstract book, abstract P4,pp.59.



• Neutropenic sepsis(NS)isanimportantreasonfortreatmentrelatedmorbidityandmortalityofpediatrichematologicandoncologicpatients.

• Earlydiagnosisiscrucialforthesurvival.• BloodcultureisthegoldenstandardinthediagnosticsoftheNS.

• However,thebacterialagentsaredetectedonlyin10–20%ofallNScases.

• Moreefficientmethodsfortheanalysisofbloodculturesamplesarewarranted.



Growth curve ofCase#26by PMEUScentrion®

Sample was taken at5:30p.m.(shortly before theraiseof

thered curve)

Case#26� A.Standardprotocol:aerobicalert 12h;anaerobic alert 10h;isolates:Streptococcus mitis, Staphylococcus epidermis,Enterococcus faecium

� B.Study method:anaerobic alert 4h;isolates:Streptococcusmitis, Staphylococcus epidermis.



Suolistonepiteelionyhdensolukerroksenpaksuinen.Senvuoksisentäytyy

A.ollasuojattuelimistönomillapuolustusmekanismeilla,ja

B.ollatasapainoisenmikrobifloorankanssavuorovaikutuksessa.



Ihmisennormaaliflooravakiintuu6.ikävuoteenmennessä.

Fig.1.NumberofMRSAandESBLcasesinFinland2008-2010

Hakalehto,E.2011.AntibioticresistancetraitsoffacultativeEnterobactercloacae strainstudiedwiththePMEU(PortableMicrobeEnrichmentUnit).In:AntonioMéndez-Vilas(ed.) Scienceagainstmicrobialpathogens:communicating currentresearchandtechnologicaladvances, FormatexResearchCenter,Badajoz.Spain:Microbiology Series N:o3.Vol.2.pp.786-796.



Fig. 2. PMEU Spectrion® in operation with the sampling and cultivation syringes. On the right topthe control unit with wireless and Ethernet connections.



b)

d)

Fig 4.a-d. The influence on growth of Enterobacter cloacae in the PMEU Spectrion® in TYG medium in presenceof different antibiotics. a) E. cloacae in TYG medium (control), b) with penicillin G, c) with cefuroxime, d) withnetilmicin.

a)

c)



Hakalehto,E.2011.FormatexResearchCenter,Badajoz.Spain:Microbiology Series N:o3.Vol.2.pp.786-796.

Hell,M.etal.2013.Probiotics inClostridiumdifficileinfection:reviewingtheneedforamultistrain probiotic.BeneficialMicrobes,4:39-51.





Mikrobiteivätläheskäänainapyritunkeutumaansuolistostamuualleelimistöön.

Tällöinnekulkeutuvatruokasulan(engl.chyme)mukana.



Ruuanmukanasuolikanavaapitkinliikkuvatmikrobitsaavattäydennystäsuolenseinämiltä.

Tämänpopulaationtasapainotilaontärkeä,kunehkäistäänmm.ärtyneensuolenoireyhtymää.

IBS=Irritable Bowel SyndromeSIBO=SmallIntestinal Bacterial Overgrowth

Suoliston mikrobitasapaino Helsingin yliopisto, Luomuinstituutti, Mikkeli

15.3.2016 Dos. Elias Hakalehto

Suolistonmikrobitasapainoyhdessäpuhtaanravinnonjaantioksidatiivisen ravitsemushoidonkanssa(uranuurtajaSuomessatriKaarloJaakkola)edesauttavatterveydenylläpitämisessäjapalauttamisessa.

Suoliston mikrobitasapaino Helsingin yliopisto, Luomuinstituutti, Mikkeli

15.3.2016 Dos. Elias Hakalehto

SUOLISTONMIKROBITASAPAINOENNALTAEHKÄISEESUOLISTONJAKOKOKEHONSAIRAUKSIA!



KIITOS!

Suoliston mikrobitasapaino 15.3.16 Mikkeli (2)...Hakalehto E. & Jaakkola K . 2013. Synergistic...

Documents

Transcript of Suoliston mikrobitasapaino 15.3.16 Mikkeli (2)...Hakalehto E. & Jaakkola K . 2013. Synergistic...