Date of Award

6-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Medical Sciences (Microbiology and Immunology)

Department

Medical Microbiology and Immunology

First Advisor

Dr. Farah Al-Marzooq

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) is a complex disorder characterized by chronic inflammation of the gastrointestinal tract (GIT). IBD mainly includes two distinct diseases, namely Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC). To date, the precise etiology of these conditions is not fully elucidated, although a strong relationship between microbial dysbiosis in the GIT and IBD has been proposed. In general, limited data is available on the oral microbiome of IBD patients, despite its recognizable role in impacting gut health. There is a paucity of research on IBD in the pediatric population, although this disease is becoming more prevalent than in the past.

This study aims to investigate the alteration in the salivary microbial communities in pediatric IBD patients (CD vs UC) from the United Arab Emirates (UAE) and to identify different factors affecting these communities. Moreover, this study aims to compare IBD patients and healthy controls (HC) in terms of salivary microbiome composition and diversity, and to identify microbiota community shifts in IBD patients in response to treatment by repeated sampling over time. In this study, a total of 78 participants were recruited. All participants with IBD were recruited from the Department of Pediatric Gastroenterology at Sheikh Khalifa Medical City (SKMC) in Abu Dhabi over one year period. Salivary samples were collected from all the participants including CD, UC, and HC (n=26 in each). DNA was extracted from the saliva followed by 16S rRNA sequencing using Oxford Nanopore technology. In addition, 20 patients were followed for 3-6 months to check the changes in their oral microbiota during treatment.

The results of our study confirmed dysbiosis in IBD patients compared to HC. There were significant differences in the salivary microbiome and these differences were influenced by different factors contributing to dysbiosis. Different microbiota biomarkers were identified in both CD and UC at the genus level like Veillonella, Prevotella, Brucella, Pelosinus and Trepenoma. At the species level, different microbial biomarkers were abundant in CD and UC like Veillonella parvula, Veillonella dispar, Prevotella denticola, Aerococcus urinae and Haemophilus haemolycticus. Most of these bacteria can be pathogenic and cause systemic inflammation to human and many studies confirmed their abundance in different bacterial infection-related diseases, including IBD. Our results showed a significant reduction in alpha diversity in IBD patients compared to HC, and the most significant reduction was obvious in CD group. Furthermore, beta diversity differed significantly between the groups. Three types of factors were studied to explore their effects on the oral microbiome, including early life factors, general health factors and IBD related factors. Alpha diversity was significantly different when compared based on multiple factors like mode of delivery, early feeding mode, age, BMI, intake of high fat diet, disease relapse, and IBD complications. Moreover, beta diversity was affected by factors like BMI, recent use of antibiotics, IBD diet, disease duration, early feeding mode and probiotic use. Longitudinal analysis following treatment revealed dynamic shifts in microbiota biomarkers and diversity. While the disappearance or reduction of certain bacterial species from genus Streptococcus (e.g., Streptococcus pyogenes, and Streptococcus agalactiae in CD and Streptococcus pyogenes, and Streptococcus intermedius in UC) may signify a positive response to treatment, the emergence of novel microbial taxa (e.g., Veillonella dispar in CD and Neisseria gonorrhoeae and Prevotella jejuni in UC) raises intriguing questions regarding their roles in oral health and disease. This highlights the need for further longitudinal studies and functional analyses to comprehensively elucidate the response of the oral microbiome to IBD treatment and its broader implications on oral health and disease progression. Since no previous research has been done in the UAE that particularly looks at the oral microbiota in connection to IBD in the pediatric population, this study is highly relevant. Utilizing long-read sequencing technique with high resolution helped in identifying IBD microbiome signature with revealing unique microbiota down to the species level. We have laid a strong platform for future research efforts targeted at converting our discoveries into practical applications for the benefit of IBD patients by identifying new biomarkers and illuminating disease-associated dysbiosis. In light of the future, our results highlight the necessity of ongoing interdisciplinary research targeted at deciphering the relationship between the oral microbiota and pediatric IBD. Future research should focus on longitudinal studies with bigger and more varied cohorts to corroborate our findings and capture the complex dynamics of the oral microbiome over time, in order to expand our present understanding. We recommend avoiding factors that predispose to or exacerbate the condition since we have identified the factors impacting the oral microbiota, such as improper feeding habits, high-fat diets, obesity, and early use of antibiotics. This may help halt the disease development or prevent it altogether. In fact, future research focusing on the microbiome and disease state can examine the impact of dietary interventions and lifestyle changes on the disease progress and response to treatment, in addition to their impact on restoring the oral and gut microbiome. Microbiota modulation to repress gut inflammation can be also applied to restore the healthy microbiome, disturbed due to IBD and its associated factors and complications.

Arabic Abstract

بصمة الميكروبيوم اللعابي في مرض التهاب الأمعاء لدى الأطفال

مرض التهاب الأمعاء (IBD) هو اضطراب معقد يتميز بالتهاب مزمن في الجهاز الهضمي (GIT). يشمل مرض التهاب الأمعاء بشكل رئيسي مرضين متميزين وهما مرض كرونز (CD) والتهاب القولون التقرحي (UC). حتى الآن، لم يتم توضيح المسببات الدقيقة لهذه الحالات بشكل كامل، على الرغم من أن الدراسات تظهر وجود علاقة قوية بين اختلال في توازن البكتيريا في الجهاز الهضمي ومرض التهاب الأمعاء. تهدف هذه الدراسة إلى دراسة التغير في المجتمعات الميكروبية للعاب لدى مرضى التهاب الأمعاء لدى الأطفال من دولة الإمارات العربية المتحدة وكيفية تأثير العوامل المختلفة على هذه المجتمعات. علاوة على ذلك، تهدف هذه الدراسة إلى المقارنة بين مرضى التهاب الأمعاء (IBD) والأشخاص الأصحاء (HC) من حيث الميكروبيوم اللعابي. تم استخراج الحمض النووي من لعاب CD و UC و HC (العدد = 26 في كل منهم) متبوعا بتسلسل الرنا الريباسي .S16 بالإضافة إلى ذلك، تمت متابعة 20 مريضا (10 CD و 10 UC) لمدة 3-6 أشهر للتحقق من التغيرات في الكائنات الحية الدقيقة في الفم أثناء العلاج. أكدت نتائج دراستنا وجود اختلال في توازن البكتيريا لدى مرضى التهاب الأمعاء الالتهابي مقارنة بالأشخاص الأصحاء. كانت هناك اختلافات كبيرة في الميكروبيوم اللعابي وتأثرت هذه الاختلافات بعوامل مختلفة تساهم في اختلال التوازن البكتيري. تم تحديد المؤشرات الحيوية للميكروبات الحيوية المختلفة في كل من مرض كرونز (CD) ومرض التهاب الأمعاء التقرحي (UC) على مستوى الجنس مثل Veillonella, Prevotella Brucella, Pelosinus و Trepenoma و على مستوى الأنواع كانت المؤشرات الحيوية الميكروبية المختلفة وفيرة في مرض كرونز (CD) والتهاب الأمعاء التقرحي (UC) مثل Veillonella dispar, Veillonella parvula , Prevotella denticola و > .Haemophilus haemolycticus معظم هذه البكتيريا يمكن أن تكون مسببة للأمراض وتسبب إلتهابات للإنسان وقد أكدت العديد من الدراسات وجودها في الأمراض المختلفة المرتبطة بالعدوى البكتيرية بما في ذلك مرض التهاب الأمعاء. أظهرت نتائجنا انخفاضا كبيرا في تنوع الفا لدى مرضى التهاب الأمعاء الالتهابي مقارنة بالأشخاص الأصحاء وكان الانخفاض الأكثر أهمية واضحا في مجموعة مرض كرونز (CD) اختلف تنوع بيتا بشكل كبير بين المجموعات تمت دراسة ثلاثة أنواع من العوامل لاستكشاف آثارها على الميكروبيوم الفموي بما في ذلك عوامل الحياة المبكرة وعوامل الصحة العامة والعوامل المرتبطة بمرض التهاب الأمعاء. كان تنوع ألفا مختلفا بشكل كبير عند مقارنته بناء على عوامل متعددة مثل طريقة الولادة ووضع التغذية المبكرة والعمر ومؤشر كتلة الجسم وتناول نظام غذائي عالي الدهون وانتكاسة المرضومضاعفات مرض التهاب الأمعاء. علاوة على ذلك تأثر نوع بيتا بعوامل مثل مؤشر كتلة الجسم واستخدام المضادات الحيوية خلال الشهر الماضي من أخذ العينة والنظام الغذائي لمرض التهاب الأمعاء ومدة المرض ووضع التغذية المبكرة واستخدام البروبيوتيكس. كشف التحليل الطولي بعد العلاج عن تحولات ديناميكية في المؤشرات الحيوية للميكروبات الحيوية والتنوع. في حين أن اختفاء أو انخفاض بعض الأنواع البكتيرية من جنس Streptococcus مثل Streptococcus agalactica, Streptococcus pyogenes, في مرض كرونز (CD) و Streptococcus pyogenes, Streptococcus intermedius في مرض التهاب الأمعاء التقرحي (UC) يدل على استجابة إيجابية للعلاج فإن ظهور أصناف ميكروبية جديدة مثل Veillonella dispar في مرض كرونز (CD) و Neisseria gonorrhea, Prevotella jejuni في مرض التهاب الأمعاء التقرحي (UC) يثير أسئلة مثيرة للاهتمام فيما يتعلق بأدوارهم في صحة الفم والمرض وهذا يسلط الضوء على الحاجة إلى مزيد من الدراسات الطولية والتحليلات الوظيفية لتوضيح استجابة الميكروبيوم الفموي لعلاج مرض التهاب الأمعاء بشكل شامل وآثاره الأوسع على صحة الفم وتطور المرض نظرا لعدم إجراء أي بحث سابق في دولة الإمارات العربية المتحدة يتناول بشكل خاص الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الفم و المرتبطة بمرض التهاب الأمعاء لدى الأطفال فإن هذه الدراسة ذات أهمية كبيرة ساعدت تقنية التسلسل ذات الدقة العالية في تحديد توقيع الميكروبيوم من خلال الكشف عن الكائنات الحية الدقيقة الفريدة وصولا إلى مستوى الأنواع. لقد وضعنا منصة قوية للجهود البحثية المستقبلية التي تهدف إلى تحويل اكتشافاتنا إلى تطبيقات عملية لصالح مرضى التهاب الأمعاء IBD من خلال تحديد المؤشرات الحيوية الجديدة وتسليط الضوء على اختلال توازن الميكروبات المرتبط بالأمراض. في ضوء المستقبل تسلط نتائجنا الضوء على ضرورة إجراء أبحاث مستمرة متعددة التخصصات تستهدف فك رموز العلاقة بين الكائنات الحية الدقيقة في الفم ومرض التهاب الأمعاء عند الأطفال. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الدراسات الطولية مع مجموعات أكبر و أكثر تنوعا لتأكيد النتائج التي توصلنا إليها والتقاط الديناميكيات المعقدة للميكروبيوم الفموي بمرور الوقت من أجل توسيع فهمنا الحالي . نوصي بتجنب العوامل التي تؤهب بالحالة أو تؤدي إلى تفاقمها لأننا حددنا العوامل التي تؤثر على الكائنات الحية الدقيقة في الفم مثل عادات التغذية غير السليمة والوجبات الغذائية الغنية بالدهون والسمنة والاستخدام المبكر للمضادات الحيوية. قد يساعد هذا في في وقف تطور المرض أو منعه منعا تاما في الواقع يمكن للأبحاث المستقبلية التي تركز على الميكروبيوم وحالة المرض أن تدرس تأثير التداخلات الغذائية وتغيير نمط الحياة على تقدم المرض والاستجابة للعلاج بالإضافة إلى تأثيرها على استعادة الميكروبيوم عن طريق الفم والأمعاء. يمكن أيضا تطبيق تعديل المايكروبات لقمع التهاب الأمعاء لاستعادة الميكروبيوم الصحي الذي اضطرب بسبب مرض التهاب الأمعاء والعوامل والمضاعفات المرتبطة به.

Download
COinS