Date of Award

1-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Medical Sciences (Pharmacology and Toxicology)

Department

Pharmacology and Therapeutics

First Advisor

Dr. Farah Al-Marzooq

Second Advisor

Dr. Amal Akour

Abstract

Crohn’s Disease (CD) is a chronic Inflammatory Bowel Disease (IBD), common in the UAE. Microbiota is necessary to maintain a balanced gut environment which is essential for good health. Dysbiosis can predispose to many diseases including CD. The oral cavity has the second largest and most diverse microbiota after the gut harboring over 700 species of bacteria. This study aims to investigate the alterations in the salivary microbiome in patients with CD compared to Healthy controls (HC). It also aims to compare CD patients for salivary microbiome complexity and diversity according to different factors that can contribute to dysbiosis, including oral health, IBD drug use, disease duration, activity of the disease and relapse of symptoms. Finally, it aims to find any correlation between the inflammatory biomarkers in CD with their levels in saliva, and any possible link to oral dysbiosis.

A total of 80 saliva samples were collected from CD patients and HC (n=40 in each group) seeking healthcare from two hospitals in Abu Dhabi, UAE. Information related to the participants’ oral and general health was recorded. DNA was extracted from saliva and sequenced using Oxford nanopore technology for salivary microbiome profiling. Salivary supernatant was used to measure inflammatory biomarkers including C-reactive protein (CRP) and Calprotectin (CAL) by Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Data was analyzed using appropriate bioinformatics and biostatistics tools.

Obvious differences in the salivary microbiome of CD were found when compared to HC. Five dominant species were enriched in CD and depleted in HC, namely Veillonella dispar, Megasphaera stantonii, Prevotella jejuni, Dolosigranulum pigrum and Lactobacillus backii. Oral health is confirmed to have paramount significance in the dysbiosis of the oral microbiota since most significant features are cariogenic such as Streptococcus mutans or periopathogenic such as Fusobacterium periodonticum. Loss of operational taxa diversity was shown by multiple alpha diversity indices, as well as dissimilarities between CD samples that were interpreted through beta diversity measures. The activity of the disease, duration and the relapse of symptoms also had great impacts on the shift or disruption of the normal balance of the oral vii microbiota. Interestingly, treatment with biologicals led to the emergence of a novel species called Simonseilla muelleri. When immunomodulatory agents were used in conjunction with biologicals, pathogenic species such as Salmonella enterica, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae and Pseudomonas aeruginosa were recognized. Finally, inflammatory biomarkers were also analyzed confirming an association with significance of being biomarkers for the presence of inflammatory bowel disease and reduction of diversity in the oral microbiome.

In conclusion, we were able to decipher the salivary microbiome of CD patients and prove that the interplay of variable factors contributed to dysbiosis. Each factor seems to have a unique effect on the oral microbiome. Nevertheless, oral health status was found to be of greatest impact. Poor oral health contributes to oral dysbiosis and hence can induce bowel inflammation, especially in the presence of oral periodontal disease such as periodontitis which is obviously an inflammatory condition. Oral health had the greatest impact according to the hypothesis of the ingestion of the tremendous amount of saliva being a reservoir of different microbial species (pathogenic or opportunistic), contributing to dysbiosis in CD patients. In addition, IBD drugs had equivalent influence as the oral health in terms of dysbiosis. Saliva can be used as a tool to detect bacterial dysbiosis and some degree of inflammation, since it is less invasive and more convenient.

Our study is considered unique as this type of in-depth salivary microbiome analyses in CD is established for the first time in the UAE, utilizing a sequencing technique with high resolution enabling the characterization of microbiota down to the species level, in addition to the involvement of multiple factors that added to its uniqueness.

Arabic Abstract


فك شفرة الميكروبيوم اللعابي في مرضى كرون المصابين بعوامل مختلفة تساهم في خلل التوازن الميكروبي

يعد مرض كرون (CD) مرض التهاب أمعاء مزمن (IBD) وهو شائع في الإمارات العربية المتحدة.المحتوى الميكروبيومي ضروري للحفاظ على بيئة أمعاء متوازنة وكذلك ضروري لصحة جيدة. يمكن أن يؤهب اختلال التوازن الميكروبي للعديد من الأمراض بما في ذلك داء كرون. يحتوي تجويف الفم على ثاني أكبر مجاميع الميكروبات وأكثرها تنوعاً بعد الأمعاء التي تأوي أكثر من 700 نوع من البكتيريا. تهدف هذه الدراسة إلى التحقق في تغيرات الميكروبيوم اللعابي في المرضى الذين يعانون من داء كرون مقارنة بمجموعه اشخاص اصحاء. وتهدف أيضاً إلى مقارنة مرضى كرون من حيث تعقيد وتنوع الميكروبيوم اللعابي وفقا لعوامل مختلفة يمكن أن تسهم في اختلال التوازن الميكروبي، بما في ذلك صحة الفم وتعاطي عقاقير مرض التهاب الأمعاء ومدة المرض ونشاط المرض وانتكاس الأعراض. أخيراً، تهدف إلى العثور على أي ارتباط بين المؤشرات الحيوية الالتهابية في مرض كرون ومستوياتها في اللعاب، وأي ارتباط محتمل بخلل التوازن الميكروبي في الفم. تم جمع 80 عينة لعاب من مجموعة من مرضى داء كرون ومجموعه اشخاص اصحاء (40 في كل مجموعة) الذين يتلقون رعاية مستشفيين في أبو ظبي، الإمارات العربية المتحدة. تم تسجيل المعلومات المتعلقة بصحة الفم والصحة العامة للمشاركين. تم استخراج الحمض النووي من اللعاب وتسلسله باستخدام تقنية أكسفورد النانوية لتشخيص الميكروبيوم اللعابي. استخدم طاف اللعاب لقياس المؤشرات الحيوية الالتهابية بما في ذلك بروتين سي التفاعلي CPR ‏والكالبروتكتين (CAL) عن طريق مقايسة الممتز المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA)‏. تم تحليل البيانات باستخدام المعلومات الحيوية المناسبة وأدوات الإحصاء الحيوي. تم العثور على اختلافات واضحة في الميكروبيوم اللعابي لمرضى داء كرون بالمقارنة مع اشخاص اصحاء. وجدت خمسة أنواع سائدة في مرض كرون التي استنفدت في الاشخاص الاصحاء، وهي Veillonella dispar و Megasphaera stantonii و Prevotella jejuni و Dolosigranulum pigrum و Lactobacillus backii. تم التأكد من أن صحة الفم لها أهمية قصوى في اختلال التوازن الميكروبي للجراثيم الفموية حيث إن أهم السمات هي مسببات التسوس مثل Streptococcus mutans‏ أو مسبيات امراض التهاب اللثة مثل Fusobacterium periodonticum.‏ تم إظهار فقدان التنوع لأصناف البكتيريا من خلال عدة مؤشرات تنوع ألفا، بالإضافة إلى الاختلافات بين عينات مرض كرون التي تم تفسيرها من خلال مقاييس التنوع بيتا. كان لنشاط المرض ومدته وانتكاس الأعراض أيضاً تأثيرات كبيرة على تحول أو اضطراب التوازن الطبيعي لميكروبات الفم. ومن المثير للاهتمام أن العلاج البيولوجي أدى إلى ظهور نوع جديد من البكتيريا يسمى Simonseilla muelleri.‏ عند استخدام العقاقير المعدلة للمناعة مع العوامل البيولوجية، تم التعرف على أنواع من البكتيريا المسببة للأمراض مثل السالمونيلا المعوية والإشريكية القولونية والكلبسيلا الرئوية والزائفة الزنجارية. أخيراً، تم تحليل المؤشرات الحيوية الالتهابية أيضاً لتأكيد الارتباط مع كونها مؤشرات حيوية لمرض التهاب الأمعاء وتقليل التنوع في الميكروبيوم الفموي.

في الختام، تمكنا من فك شفرة الميكروبيوم اللعابي لمرضى كرون وإثبات أن تفاعل العوامل المختلفة ساهم في خلل التوازن الميكروبي. يبدو أن كل عامل له تأثير فريد على ميكروبيوم الفم. ومع ذلك، وجد أن حالة صحة الفم لها التأثير الأعظم. يساهم ضعف صحة الفم في الإصابة بخلل التوازن الميكروبي في الفم، وبالتالي يمكن أن يؤدي إلى التهاب الأمعاء، خاصة في وجود أمراض اللثة الفموية مثل التهاب دواعم الأسنان التي من الواضح أنها حالة التهابية. كان لصحة الفم التأثير الأكبر وفقاً لفرضية ابتلاع كمية هائلة من اللعاب كونها خزاناً لأنواع جرثومية مختلفة (مسببة للأمراض أو انتهازية)، مما يساهم في خلل التوازن الميكروبي لدى مرضى كرون. بالإضافة إلى ذلك، كان لأدوية ال IBD تأثير مكافئ مثل صحة الفم من حيث خلل التوازن الميكروبي. يمكن استخدام اللعاب كأداة للكشف عن اختلال التوازن الميكروبي الجرثومي ودرجة معينة من الالتهاب، لأنه أقل توغلاً وأكثر ملاءمة.

تعتبر دراستنا فريدة من نوعها لأن هذا النوع من التحليلات المتعمقة للميكروبيوم اللعابي في مرض كرون تم إنشاؤه لأول مرة في الإمارات العربية المتحدة، باستخدام تقنية التسلسل الجيني بدقة عالية تمكن من توصيف الميكروبات وصولاً إلى مستوى الأنواع، بالإضافة إلى المشاركة من العوامل المتعددة التي أضافت إلى تفرده.

Download
COinS