Determinants of bacterial biofilm formation at the intestinal mucosal interface and their roles in pathogen exclusion

肠粘膜界面细菌生物膜形成的决定因素及其在病原体排除中的作用

基本信息

  • 批准号:
    10598410
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16.04万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-04-01 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary It is well established that biofilms are critical for the pathogenesis of many bacterial infections. More recently, biofilms have also been implicated in the pathogenesis of intestinal diseases such as colorectal cancer and inflammatory bowel disease, where mucosal-associated polymicrobial communities harvested from diseased colon exacerbates disease in animal models. Despite these studies, the presence of biofilms in the intestinal tract has been controversial. Since the mucus that lines the intestinal tract is constantly shed, the ability of this layer to provide a stable surface for biofilm formation has been questioned. There are currently no tractable models to understand or explore biofilm formation in the intestinal environment. As a result, evidence supporting a role for biofilm formation in colonization of the mucosal surface is lacking. In preliminary data, we show that deletion of the E. coli gene ntrC (∆ntrC), which encodes a regulator for nitrogen utilization, results in increased biofilm formation in vitro and confers a 2-3 log competitive advantage over wild-type (WT) E. coli in vivo in mice (despite reduced growth rate in vitro). These results are consistent with a role for biofilm formation in intestinal colonization. I therefore hypothesize that competitive fitness of ∆ntrC E. coli is a reflection of biofilm formation at the mucosal surface of the intestinal tract. The objective is to further characterize the role of biofilm formation in E. coli colonization of the intestinal tract and to use this model system to understand more generally the role of biofilms in disease pathogenesis at the intestinal mucosal interface. This hypothesis will be tested through three inter-related specific aims that will determine the relationship behind biofilm formation in vitro and spatially-localized colonization throughout the murine small intestine and colon (Aim 1), determine the role of iron in E. coli biofilm formation and intestinal colonization (Aim 2), and characterize the biological impact of bacterial biofilm formation in disease pathogenesis using a murine model of colitis (Aim 3). The experiments will use various innovative approaches including the creation and inoculation of genetically- modified E. coli strains, quantification of iron via ICP-MS in the intestinal mucus and lumen, and 16S rRNA gene microbiota sequencing to address these physiologically-relevant mechanisms. The proposed research is significant because it will provide new information about the bacterial determinants of biofilm formation in the intestinal tract, with the rationale of using them for competitive niche exclusion in models of colitis. University of Pennsylvania provides the perfect research environment to conduct this investigation given local expertise in the inter-related fields of gut microbiome and basic microbiology. The candidate will gain experience in compositional and functional analysis of the microbiome, acquire fundamental skills in microbial gene engineering techniques, and broaden her knowledge base of microbiology. These skill sets will greatly enhance the candidate's career development into an independent scientific investigator, with the long-term goal of enabling us to better understand and modulate the effects of the gut microbiome in disease states.
项目概要 众所周知,生物膜对于许多细菌感染的发病机制至关重要。 生物膜还与结直肠癌等肠道疾病的发病机制有关 炎症性肠病,从患病的粘膜相关的多种微生物群落中获取 尽管有这些研究,但肠道中生物膜的存在仍会加重动物模型中的疾病。 由于肠道内的粘液不断脱落,这种能力一直存在争议。 为生物膜形成提供稳定表面的层已受到质疑,目前尚无可处理的方法。 模型来了解或探索肠道环境中生物膜的形成。 在初步数据中,我们缺乏支持生物膜形成在粘膜表面定植中的作用。 研究表明,编码氮利用调节因子的大肠杆菌基因ntrC (ΔntrC) 的缺失会导致 体外生物膜形成增加,与野生型 (WT) 大肠杆菌相比具有 2-3 个对数竞争优势 小鼠体内(尽管体外生长速率降低)这些结果与生物膜形成的作用一致。 因此,我认为 ΔntrC 大肠杆菌的竞争适应性是生物膜的反映。 肠道粘膜表面的形成目的是进一步表征其作用。 大肠杆菌定植于肠道中的生物膜形成,并使用该模型系统来了解更多 一般而言,生物膜在肠粘膜界面疾病发病机制中的作用。 通过三个相互关联的具体目标进行测试,这将确定生物膜形成背后的关系 整个小鼠小肠和结肠的体外和空间局部定植(目标 1),确定 铁在大肠杆菌生物膜形成和肠道定植(目标 2)中的作用,并表征其生物学特性 使用小鼠结肠炎模型研究细菌生物膜形成对疾病发病机制的影响(目标 3)。 实验将使用各种创新方法,包括创建和接种基因- 改良的大肠杆菌菌株,通过 ICP-MS 定量肠粘液和肠腔中的铁,以及 16S rRNA 基因微生物群测序旨在解决这些生理相关机制。 意义重大,因为它将提供有关生物膜形成的细菌决定因素的新信息 肠道,以及在结肠炎模型中使用它们进行竞争性生态位排除的基本原理。 鉴于当地的专业知识,宾夕法尼亚州为开展这项调查提供了完美的研究环境 肠道微生物组和基础微生物学的相互关联领域的候选人将获得经验。 微生物组的组成和功能分析,获得微生物基因的基本技能 工程技术,并拓宽她的微生物学知识基础,这些技能将极大地促进她的发展。 促进候选人的职业发展成为一名独立的科学研究人员,并具有长期的 目标是使我们能够更好地了解和调节肠道微生物组在疾病状态下的影响。

项目成果

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