Diet, the Gut Microbiome, and the Metabolome in IBD: - - PowerPoint PPT Presentation

Diet, ¡the ¡Gut ¡Microbiome, ¡and ¡the ¡Metabolome ¡ in ¡IBD: ¡Poten8al ¡Therapeu8c ¡Targets ¡

Gary ¡D. ¡Wu, ¡M.D ¡

Division ¡of ¡Gastroenterology ¡ Perelman ¡School ¡of ¡Medicine ¡ University ¡of ¡Pennsylvania ¡

• Comprised ¡of ¡Bacteria, ¡Viruses, ¡others ¡

(Archaea, ¡Eukaryotes) ¡

• Dis;nc;ve ¡microbiomes ¡at ¡each ¡body ¡site ¡

(gut, ¡lung, ¡skin, ¡mucosa ¡etc.) ¡ The ¡Gut ¡Microbiota ¡

• Human ¡gut ¡is ¡home ¡to ¡~ ¡100 ¡trillion ¡bacterial ¡

cells ¡

• Density ¡of ¡1011 ¡to ¡1012 ¡per ¡gram ¡in ¡the ¡colon ¡
• Genome ¡size ¡of ¡microbiota ¡at ¡least ¡150-­‑fold ¡

greater ¡than ¡human ¡

• Large ¡numbers ¡species ¡present, ¡most ¡

uncultured ¡

• Nat. ¡Rev. ¡Micro. ¡ ¡2011;9:279-­‑290 ¡

The ¡Human ¡Microbiome ¡ ¡

Host-­‑Microbial ¡Mutualism ¡the ¡Gut ¡

Host ¡benefits ¡to ¡bacteria ¡

• Provides ¡a ¡unique ¡niche ¡ ¡
• Intes8nal ¡mucus ¡provides ¡a ¡source ¡of ¡nutri8on ¡

Bacteria ¡benefits ¡the ¡host ¡

• Fermenta8on ¡of ¡indiges8ble ¡carbohydrates ¡and ¡the ¡produc8on ¡of ¡SCFAs ¡
• Biotransforma8on ¡of ¡conjugated ¡bile ¡acids ¡
• Urease ¡ac8vity ¡par8cipates ¡in ¡nitrogen ¡balance ¡
• Synthesis ¡of ¡certain ¡vitamins ¡
• Metabolize ¡drugs ¡
• Educa8on ¡of ¡the ¡mucosal ¡immune ¡system ¡ ¡

Association of the Gut Microbiota with Disease

• Pathogenesis involves both genetic and environmental factors
• All associated with inflammation
• Many show rapidly increasing incidence over the past few decades
• Many associated geographically with more industrialized nations

Diabetes: Type 1 DM (MyD88-dependent in NOD Mice); Type 2 DM (TLR4 and TLR5 KOs) Colon Cancer: Enterotoxigenic Bacteroides fragilis and Fusobacterium Atherosclerosis: Oral, gut and plaque microbiota; Microbial metabolism of choline to TMA Inflammatory Bowel Disease: Dysbiosis Asthma: Sanitized environment

• Many associated with diet

Etiologic Theories in Inflammatory Bowel Disease

Mucosal Immune System (Immuno-regulatory defect) Environmental Triggers Gut Microbiota Genetic predisposition

IBD

TH17 Treg cell B cell IgA Microbial sensors Recruitment

• f mediators

Signal amplification Transducers and effectors ILC Microbiota, diet

P P G

Epithelial barrier GNA12*, HNF4A, CDH1, ERRFI1, MUC19, ITLN1* Restitution REL, PTGER4, NKX2-3, STAT3, ERRFI1, HNF4A, PLA2G2A/E Solute transport SLC9A4, SLC22A5, SLC22A4*, AQP12A/B, SLC9A3, SLC26A3 Paneth cells ITLN1*, NOD2*, ATG16L1*, XBP1* Innate mucosal defence NOD2*, ITLN1*, CARD9*, REL, SLC11A1, FCGR2A*/B Immune cell recruitment CCL11/CCL2/CCL7/CCL8, CCR6, IL8RA/IL8RB, MST1* Antigen presentation ERAP2*, LNPEP, DENND1B IL-23/TH17 IL23R*, JAK2, TYK2*, STAT3, ICOSLG, IL21, TNFSF15* T-cell regulation NDFIP1, TNFSF8, TAGAP, IL2, IL2RA TNFRSF9, PIM3, IL7R*, IL12B, IL23R* PRDM1, ICOSLG, TNFSF8, IFNG, IL21 B-cell regulation IL5, IKZF1, BACH2, IL7R*, IRF5 Immune tolerance IL10, IL27*, SBNO2, CREM, IL1R1/IL1R2, NOD2* Plasma cell UC CD UC/CD cis-eQTL *Coding mutation

Cellular responses

Autophagy ATG16L1*, IRGM, NOD2*, LRRK2, CUL2, PARK7, DAP Apoptosis/necroptosis FASLG, THADA*, DAP, PUS10, MST1* ER stress CPEB4, ORMDL3, SERINC3, XBP1* Carbohydrate metabolism GCKR*, SLC2A4RG Intracellular logistics VAMP3, KIF21B, TTLL8, FGFR1OP, CEP72, TPPP Cell migration ARPC2, LSP1, AAMP Oxidative stress PRDX5, BACH2, ADO, GPX4, GPX1*, SLC22A4, LRRK2, NOD2*, CARD9*, HSPA6, DLD, PARK7, UTS2*, PEX13

IBD-related processes

b

tolerance

lymphocyte activation

TH17/Treg cells

phagocytosis

solute carrier

inflammasome

barrier function ROS

autophagy

restitution

negative regulators of immunity

ER stress

IgA/Breg cells chemotaxis antigen presentation

iron metabolism

inflammation mediators

adenosine

DNA/RNA binding

dendritic cell plasticity solute transport

innate defence

interferon response pathogen sensing

stress response signature

cell migration

actin cytoskeleton

miRNA/lincRNA lipid metabolism

polarized secretion

fibrogenesis exocytosis

GPCR signalling

carbohydrate metabolism

Paneth cells

antimicrobial peptides

goblet cells/mucin

mycobacteria restriction factors

microtubules/centrosome intracellular logistics

IL-23–IL-23R

adaptive immunity regulators

NF-B activation/inhibition

Gr1+Ly6Chigh/Gr1−Ly6Clow

Khor et al. Nature 2011;474:307

Genetic Polymorphisms Associated with IBD Occur in Distinct Pathways

Anti-Inflammatory Treg Pro-Inflammatory Th17 B Cell Plasma Cell

Gut Lumen Epithelium Lamina Propria

The Gut Microbiota, Maturation of the Mucosal Immune System, and IBD Genetics

X X X

X = Genetic Polymorphisms Associated with IBD

X X X X X X

IgA

SFB

• B. Fragilis (PSA)

Clostridium sp.

Dysbiosis of Gut Microbiota in IBD

Peterson et al. Cell Host & Microbe 2008;3:417-427 Winter et al. EMBO Reports 2013;14:319

• Inflamma8on ¡leads ¡to ¡8ssue ¡hyperemia ¡and ¡bleeding ¡

into ¡the ¡lumen ¡of ¡the ¡GI ¡tract ¡

• Increases ¡in ¡Proteobacteria ¡and ¡Ac8nobacteria ¡

– Generally ¡aerotolerant ¡ – Organisms ¡able ¡to ¡manage ¡oxida8ve ¡stress ¡

Sartor PNAS 2008;105:16413

The ¡Gut ¡Microbiota ¡in ¡Health ¡and ¡Disease ¡

Walker, A.W. et al. Pharmacological

• Research. 2012.

Determinants ¡of ¡Gut ¡Microbiota ¡Composi;on ¡

Diet ¡ Gene8cs ¡ Host ¡Phenotype ¡ An8bio8cs ¡ Inflamma8on ¡ Gut ¡Microbiome ¡ Environment ¡

COMBO ¡ ¡

Are ¡nutrients ¡associated ¡with ¡ specific ¡bacterial ¡taxa? ¡

Analy8c ¡Method: ¡Calcula8on ¡of ¡ Spearman ¡Correla8on ¡Coefficient ¡ using ¡nutrient ¡and ¡taxanomic ¡

• abundance. ¡

nu- t a e ified as t bacterial ap- igure

• ubject

ll S1A). microbial e

• .

neg-

• s
• p-

,

• .

acids l.

• ether

ers

• r

for parti- te hat ) genera

• f

Peonidin, anthocyanidin Malvidin, anthocyanidin Petunidin, anthocyanidin Total anthocyanidins Delphinidin, anthocyanidin Pelargonidin, anthocyanidin Potassium Potassium w/o suppl. Magnesium Magnesium w/o suppl. Free Choline, choline−contrib. metabolite Free Choline w/o suppl. Natural Food Folate AOAC fiber Pantothenic Acid w/o suppl. Naringenin, flavanone Vitamin E w/o vit. suppl. Proanthocyanidin, 4−6mers Proanthocyanidin, trimers Proanthocyanidin, 7−10mers Cyanidin, anthocyanidin Proanthocyanidin, polymers Proanthocyanidin, dimers Catechin, flavan−3−ol Alcohol Phenylalanine, Aspartame Aspartic Acid, Aspartame Aspartame Caffeine Retinol Retinol Equivalents of Vit A Total Folate post 1998 Folate Equivalents, suppl. & fort. foods Riboflavin B2 w/o vit. pills Histidine Threonine Methionine Lysine Leucine Tyrosine Valine Isoleucine Protein Phenylalanine Serine Tryptophan Glycine Alanine Arginine Asparate Choline, Phosphatidylcholine Choline, Phosphatidylcholine w/o suppl. Total Choline, no betaine Choline w/o suppl. Sum of Betaine & Choline Cystine Glutamate Proline Vitamin D w/o vit. pills Choline, Glycerophosphocholine Choline, Phosphocholine Phosphorus Phosphorus w/o suppl. Calcium Calcium w/o vit. pills Dairy Protein Dairy Calcium Animal Protein Choline, Sphingomyelin Cholesterol Taurine Palmitoleic fatty acid Hydroxyproline Animal fat c9,t11 conjug diene isomer 18:2 Linoleic Palmitic fatty acid Saturated fat Stearic fatty acid Palmitelaidic trans fatty acid Sodium Dihydrophylloquinone Vitamin K1 Trans Oleic fatty acid Total Trans Total Trans/Cis Trans Linoleic Eicosenoic fatty acid Gamma Linolenic fatty acid (2002) Gamma linolenic fatty acid (2000) Fructose Glucose Carbohydrates Total Sugars Sucrose Glycemic Index Maltose Eriodictyol, flavonone Added Germ from wheats Vitamin E, Food Fortification

Bacteroides Prevotella

−0.2 0.2

Spearman Correlation Phylum Firmicutes Bacteroidetes Actinobacteria Proteobacteria

Amino Acids and Choline Fiber and Plant Derived Compounds Fats Carbohydrates

Wu ¡et ¡al. ¡Science ¡2011;334:105-­‑8 ¡

ARTICLE

doi:10.1038/nature11319

Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly

Claesson ¡et ¡al. ¡Nature ¡2012;488:178 ¡

PC1 PC2

Unweighted UniFrac

PC1 PC2

Weighted UniFrac

b

Chicken Processed meat Fried fsh Oily fsh White bread Wheat-free bread Porridge Boiled potatoes Mashed potatoes Brown rice Dairy desserts Cheese Citrus fruit Dried fruit Spinach Onions Garlic Sweet peppers Tomatoes

• Choc. biscuits

Sweets Sugar Jam Herbal tea Milk Low-fat milk Coffee Wine Vitamin supp. Mineral supp. Non-mineral/vitamin supp. Butter Plain buiscuits Probiotic yoghurt Milk pudding White fsh

c

–3 –2 –1 0 1 2 3 Colour key

DG4 DG3 DG2 DG1

a

low ¡fat/high ¡fiber ¡ high ¡fat/low ¡fiber ¡ Long-­‑term ¡ Residen8al ¡ Care ¡ Community ¡ Residence ¡

• 10 ¡Healthy ¡volunteers ¡
• Randomized ¡to ¡high ¡fat ¡vs. ¡low ¡fat ¡diet ¡
• 10 ¡day ¡inpa8ent ¡stay ¡with ¡same ¡meals ¡each ¡day ¡
• Caloric ¡intake ¡adjusted ¡to ¡maintain ¡current ¡weight ¡
• Daily ¡stool ¡sample ¡collec8on ¡

CaFE ¡Study ¡-­‑ ¡Controlled ¡Feeding ¡Experiment ¡

• Does short term dietary fat or fiber alter the composition of the

human gut microbiota?

• What is the time course over which a diet alters the composition of

the human gut microbiota?

• Will a standardized diet reduce microbiota intersubject variability?

CaFE ¡1 ¡Unweighted ¡Unifrac ¡

Day ¡1 ¡is ¡different ¡from ¡all ¡other ¡days. ¡

Unweighted ¡UniFrac ¡(p<0.0001) ¡ Weighted ¡UniFrac ¡(p=0.002) ¡

Dietary ¡Effects ¡on ¡Gut ¡Microbiome ¡Richness ¡

LETTER

doi:10.1038/nature12480

Dietary intervention impact on gut microbial gene richness

Aure ´lie Cotillard1,2*, Sean P. Kennedy3*, Ling Chun Kong1,2,4*, Edi Prifti1,2,3*, Nicolas Pons3*, Emmanuelle Le Chatelier3, Mathieu Almeida3, Benoit Quinquis3, Florence Levenez3,5, Nathalie Galleron3, Sophie Gougis4, Salwa Rizkalla1,2,4, Jean-Michel Batto3,5, Pierre Renault5, ANR MicroObes consortium{, Joel Dore ´3,5, Jean-Daniel Zucker1,2,6, Karine Cle ´ment1,2,4 & Stanislav Dusko Ehrlich3

ARTICLE

doi:10.1038/nature12506

Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers

Emmanuelle Le Chatelier1*, Trine Nielsen2*, Junjie Qin3*, Edi Prifti1*, Falk Hildebrand4,5, Gwen Falony4,5, Mathieu Almeida1, Manimozhiyan Arumugam2,3,6, Jean-Michel Batto1, Sean Kennedy1, Pierre Leonard1, Junhua Li3,7, Kristoffer Burgdorf2, Niels Grarup2, Torben Jørgensen8,9,10, Ivan Brandslund11,12, Henrik Bjørn Nielsen13, Agnieszka S. Juncker13, Marcelo Bertalan13, Florence Levenez1, Nicolas Pons1, Simon Rasmussen13, Shinichi Sunagawa6, Julien Tap1,6, Sebastian Tims14, Erwin G. Zoetendal14, Søren Brunak13, Karine Cle ´ment15,16,17, Joe ¨l Dore ´1,18, Michiel Kleerebezem14, Karsten Kristiansen19, Pierre Renault18, Thomas Sicheritz-Ponten13, Willem M. de Vos14,20, Jean-Daniel Zucker15,16,21, Jeroen Raes4,5, Torben Hansen2,22, MetaHIT consortium{, Peer Bork6, Jun Wang3,19,23,24,25, S. Dusko Ehrlich1 & Oluf Pedersen2,26,27,28

• Individuals ¡with ¡low ¡bacterial ¡richness ¡had ¡more ¡marked ¡obesity, ¡insulin ¡

resistance, ¡dyslipidemia, ¡and ¡inflammatory ¡phenotype ¡

• Increased ¡consump8on ¡of ¡fruits ¡and ¡vegetables ¡with ¡higher ¡fiber ¡diets ¡were ¡

associated ¡with ¡increased ¡bacterial ¡gene ¡richness ¡

• Energy-­‑restricted ¡diets ¡increased ¡bacterial ¡gene ¡richness ¡

Diet is associated with new onset IBD

Systematic review conclusions: – High dietary intakes of total fats, PUFAs, omega-6 fatty acids, and meat were associated with an increased risk of CD and UC – High fiber and fruit intakes were associated with decreased CD risk – High vegetable intake was associated with decreased UC risk.

Hou ¡JK ¡et ¡al. ¡American ¡Journal ¡of ¡Gastroenterology ¡2011; ¡106:563-­‑73. ¡

• CCFA ¡maintains ¡an ¡Informa8on ¡Resource ¡Center ¡that ¡receives ¡more ¡than ¡14,000 ¡

inquiries ¡per ¡year, ¡of ¡which ¡approximately ¡65% ¡ask ¡for ¡dietary ¡advice. ¡ ¡

• ¡ ¡Pa8ents ¡desire ¡therapies ¡that ¡do ¡not ¡suppress ¡the ¡immune ¡system. ¡
• Diet ¡and ¡the ¡gut ¡microbiota ¡are ¡the ¡two ¡biggest ¡environmental ¡factors ¡to ¡which ¡

the ¡gut ¡is ¡exposed. ¡ ¡

Clinical ¡Relevance ¡of ¡Diet ¡and ¡IBD ¡

Sartor ¡RB. ¡Nat. ¡Rev. ¡Gastro. ¡and ¡Hep. ¡2012 ¡ ¡ Devkota ¡et ¡al. ¡Nature ¡2012;487:104 ¡

Dietary-­‑fat-­‑induced ¡taurocholic ¡acid ¡promotes ¡pathobiont ¡expansion ¡ and ¡coli8s ¡in ¡Il102/2 ¡mice ¡

Defined ¡Formula ¡Diets ¡and ¡the ¡Treatment ¡of ¡Crohn’s ¡ Disease ¡

Su ¡C. ¡Gastroenterology. ¡2004;126:1257-­‑69 ¡

0 ¡ 20 ¡ 40 ¡ 60 ¡ 80 ¡ 100 ¡

Giaffer, ¡1990 ¡ Kobayashi, ¡1998 ¡ Mansfield, ¡1995 ¡ Middleton, ¡1995 ¡ Park, ¡1991 ¡ Raouf, ¡1991 ¡ Rigaud, ¡1991 ¡ Royall, ¡1994 ¡ Verma, ¡2000 ¡ Sakurai, ¡2002 ¡ Elemental ¡ Nonelemental ¡

Adapted from Zachos M. Cochrane Review 2009

Response ¡to ¡ Dietary ¡Therapy ¡ Placebo ¡ Response ¡Rate ¡

PLEASE: ¡Pediatric ¡Longitudinal ¡Study ¡of ¡Elemental ¡Diet ¡ and ¡Stool ¡Microbiota ¡Composi;on ¡

Hypothesis: ¡Elemental ¡diet-­‑induced ¡altera8ons ¡in ¡the ¡gut ¡microbiota ¡are ¡ associated ¡with ¡therapeu8c ¡efficacy ¡in ¡the ¡treatment ¡of ¡pediatric ¡Crohn’s ¡

• disease. ¡

Design: ¡Longitudinal ¡prospec8ve ¡cohort ¡study ¡of ¡pa8ents ¡with ¡Crohn’s ¡disease ¡ treated ¡with ¡either ¡an ¡elemental ¡diet ¡or ¡an8-­‑TNFα ¡therapy. ¡ ¡

Subject ¡1 ¡ Subject ¡2 ¡

Elemental ¡Diet ¡(ED) ¡ ED ¡ Normal ¡ Diet ¡(ND) ¡ ND ¡

Elemental ¡Diet-­‑Associated ¡Altera8ons ¡in ¡the ¡Gut ¡ Microbiome ¡of ¡Children ¡with ¡Crohn’s ¡Disease ¡ ¡

Is ¡There ¡a ¡Rela8onship ¡Between ¡Diet, ¡the ¡Gut ¡ Microbiota, ¡and ¡IBD? ¡

IBD DIET GUT MICROBIOTA Epidemiologic associations Animal models Clinical observations GWAS studies Recent evidence in both animal models and healthy human subjects ? ? EEN, RD,

• r NPO

Albenberg ¡et ¡al. ¡Current ¡Opinion ¡Gastro. ¡2012 ¡

Companies ¡marke8ng ¡new ¡sequencing ¡technologies ¡

454 ¡GS ¡FLX ¡

Sequencing ¡method ¡Read ¡length ¡(nt) ¡ ¡Reads/run ¡ Sanger ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡850 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡384 ¡ 454/Roche ¡ ¡ ¡ ¡ ¡400 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1,000,000 ¡ Solexa/Illumina ¡ ¡ ¡ ¡200 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100,000,000 ¡ ABI/Solid ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100,000,000 ¡ Pacific ¡Biosciences ¡ Helicos ¡ NABsys ¡ VisiGen ¡Biotechnologies ¡ Complete ¡Genomics ¡ Ion ¡Torrent ¡ … ¡

Wang et al. Nature. 2011;472:57-63

Diet, ¡the ¡Gut ¡Microbiome, ¡and ¡Heart ¡Disease ¡

Holmes ¡et ¡al. ¡Cell ¡Met. ¡2012;16:559 ¡

The CutC Bacterial Gene Converts Choline into TMA: Implications for Human Health

Quan8fy ¡the ¡risk ¡for ¡heart ¡disease ¡arributed ¡to ¡the ¡consump8on ¡of ¡choline ¡by ¡characterizing ¡ the ¡abundance ¡of ¡bacteria ¡in ¡the ¡gut ¡that ¡have ¡a ¡CutC ¡gene. ¡ Design ¡an ¡approach ¡to ¡reduce ¡or ¡ex8nguish ¡CutC ¡expressing ¡bacteria ¡in ¡the ¡gut. ¡ Develop ¡drugs ¡to ¡inhibit ¡CutC ¡ac8vity ¡in ¡bacteria. ¡ Develop ¡“designer ¡foods” ¡or ¡“medical ¡foods” ¡to ¡reduce ¡the ¡produc8on ¡of ¡TMA ¡by ¡bacteria ¡ from ¡the ¡diet. ¡

Craciun S , and Balskus E P PNAS 2012;109:21307-21312

CutC ¡Gene ¡ Bacteria ¡that ¡have ¡the ¡CutC ¡gene ¡

Dietary ¡Fiber, ¡the ¡Produc8on ¡of ¡Short ¡Chain ¡Fary ¡ Acids, ¡and ¡the ¡Mucosal ¡Immune ¡Response ¡

Tremaroli ¡et ¡

• al. ¡Nature ¡

2012;489:242 ¡

Tregs ¡

Restore ¡Immune ¡Tolerance ¡

Intes8nal ¡Inflamma8on ¡

Prebio;c: ¡A ¡selec8vely ¡fermented ¡ingredient ¡that ¡results ¡in ¡specific ¡changes ¡in ¡the ¡ composi8on ¡and/or ¡ac8vity ¡of ¡the ¡gastrointes8nal ¡microbiota, ¡thus ¡ conferring ¡health ¡benefit(s) ¡upon ¡the ¡host. ¡ Probio;c: ¡Live ¡microorganisms ¡which ¡when ¡administered ¡in ¡adequate ¡amounts ¡confer ¡ a ¡health ¡benefit ¡on ¡the ¡host. ¡ Synbio;c: ¡A ¡combina8on ¡of ¡probio8cs ¡and ¡prebio8cs ¡administered ¡together. ¡ “Available ¡scien8fic ¡data ¡suggest ¡that ¡the ¡administra8on ¡of ¡currently ¡evaluated ¡probio8c ¡ and/or ¡prebio8c-­‑supplemented ¡formula ¡to ¡healthy ¡infants ¡does ¡not ¡raise ¡safety ¡ concerns ¡with ¡regard ¡to ¡growth ¡and ¡adverse ¡effects.” ¡ “At ¡present, ¡there ¡is ¡insufficient ¡data ¡to ¡recommend ¡the ¡rou8ne ¡use ¡of ¡probio8c-­‑ ¡and/or ¡ prebio8c-­‑supplemented ¡formulae.” ¡Commiree ¡on ¡Nutri8on ¡of ¡the ¡European ¡Society ¡for ¡Paediatric ¡

Gastroenterology, ¡Hepatology, ¡and ¡Nutri8on ¡(JPGN ¡2011;52: ¡238–250 ¡) ¡

Current ¡Dietary ¡Approach ¡to ¡Alter ¡the ¡Gut ¡Microbiota ¡for ¡Health ¡

• Am. J. of Human Biol. 2012; 24:350–360

Why ¡aren’t ¡Prebio8cs ¡and ¡Probio8cs ¡More ¡ Effec8ve ¡Therapeu8cs? ¡

“One ¡size ¡doesn’t ¡fit ¡all”: ¡ ¡The ¡current ¡approach ¡is ¡not ¡targeted ¡to ¡specific ¡

disease ¡processes. ¡ ¡Current ¡prebio8cs ¡and ¡probio8cs ¡were ¡developed ¡prior ¡to ¡the ¡ drama8c ¡recent ¡technical ¡advances ¡that ¡have ¡lead ¡to ¡enhanced ¡understanding ¡of ¡ the ¡microbiome. ¡

“It ¡takes ¡a ¡village”: ¡ ¡Probio8cs ¡are ¡single, ¡or ¡a ¡few, ¡strains ¡of ¡live ¡bacteria ¡that ¡

are ¡unable ¡to ¡reside ¡in ¡the ¡gut ¡environment ¡in ¡isola8on. ¡ ¡The ¡resilient ¡gut ¡ microbiota ¡exists ¡as ¡a ¡dynamic, ¡cohesive, ¡and ¡complex ¡consor8um ¡of ¡microbes. ¡

Clostridium ¡difficile ¡infec8on ¡(CDI) ¡

In ¡2010, ¡yearly ¡incidence ¡of ¡CDI ¡was ¡approximately ¡500,000 ¡with ¡a ¡mortality ¡of ¡ 15,000-­‑20,000. ¡ Cost ¡of ¡ ¡managing ¡CDI ¡is ¡approximately ¡$1 ¡billion ¡per ¡year ¡in ¡U.S. ¡alone. ¡ Current ¡therapy ¡focuses ¡on ¡the ¡use ¡of ¡an8bio8cs ¡but ¡the ¡recurrence ¡rate ¡is ¡20% ¡awer ¡ the ¡first ¡treatment, ¡40% ¡awer ¡the ¡1st ¡recurrence, ¡and ¡60% ¡awer ¡the ¡2nd ¡recurrence. ¡ ¡ ¡ ¡

Bakken ¡et ¡al. ¡CGH ¡2011;9:1040 ¡ Ananthakrishnan ¡et ¡al. ¡Nat. ¡Rev. ¡ Gastro ¡& ¡Hep. ¡2011;8:17 ¡ Medscape ¡C. ¡Diff ¡Coli8s ¡

Overgrowth ¡of ¡a ¡toxin ¡producing ¡bacterium ¡that ¡leads ¡to ¡bloa8ng, ¡abdominal ¡pain, ¡ severe ¡diarrhea, ¡some8mes ¡leading ¡to ¡death. ¡ ¡ Caused ¡by ¡a ¡disrup8on ¡of ¡the ¡normal ¡gut ¡microbiota ¡through ¡the ¡use ¡of ¡an8bio8cs ¡ thus ¡allowing ¡the ¡overgrowth ¡of ¡C. ¡difficile ¡

Fecal ¡Microbiota ¡Transplanta8on ¡(FMT), ¡a ¡Success ¡Story ¡for ¡the ¡ Treatment ¡of ¡Refractory ¡CDI—But ¡with ¡a ¡Note ¡of ¡Cau8on ¡

Prescreening ¡of ¡donors ¡to ¡ prevent ¡transmission ¡of ¡ currently ¡known ¡pathogens ¡ Homogeniza8on, ¡filtra8on, ¡and ¡ administra8on ¡usually ¡through ¡a ¡

• colonoscope. ¡
• Success ¡rate ¡of ¡around ¡90% ¡when ¡fecal ¡microbiota ¡transplanta8on ¡

(FMT) ¡is ¡used ¡to ¡treat ¡CDI ¡

• Currently ¡376 ¡cases ¡reported ¡in ¡the ¡literature ¡
• Placebo-­‑controlled ¡clinical ¡trial: ¡Duodenal ¡Infusion ¡of ¡Donor ¡Feces ¡for ¡

Recurrent ¡Clostridium ¡difficile. ¡N ¡Engl ¡J ¡Med ¡2013; ¡368:407-­‑41 ¡

• FMT ¡is ¡a ¡window ¡into ¡the ¡biology ¡of ¡the ¡gut ¡microbiome ¡in ¡humans: ¡
• Transla8on ¡of ¡findings ¡in ¡animal ¡models ¡into ¡human ¡biology. ¡
• Understand ¡the ¡long ¡term ¡consequences ¡of ¡manipula8ng ¡the ¡gut ¡microbiota ¡in ¡humans ¡

BRIEF REPORT

Transfer of Intestinal Microbiota From Lean Donors Increases Insulin Sensitivity in Individuals With Metabolic Syndrome

ANNE VRIEZE,* ELS VAN NOOD,* FRITS HOLLEMAN,* JARKKO SALOJÄRVI,‡ RUUD S. KOOTTE,§ JOEP F. W. M. BARTELSMAN, GEESJE M. DALLINGA–THIE,§ MARIETTE T. ACKERMANS,¶ MIREILLE J. SERLIE,# RAISH OOZEER,** MURIEL DERRIEN,** ANNE DRUESNE,** JOHAN E. T. VAN HYLCKAMA VLIEG,** VINCENT W. BLOKS,‡‡ ALBERT K. GROEN,‡‡ HANS G. H. J. HEILIG,§§ ERWIN G. ZOETENDAL,§§ ERIK S. STROES,§ WILLEM M. DE VOS,‡,§§ JOOST B. L. HOEKSTRA,* and MAX NIEUWDORP*,§

*Department of Internal Medicine, §Department of Vascular Medicine and Experimental Vascular Medicine, Department of Gastroenterology, ¶Department of Clinical BRIEF REPORTS

GASTROENTEROLOGY 2012;143:913–916

FMT ¡and ¡the ¡Treatment ¡of ¡Type ¡2 ¡Diabetes ¡

The ¡Scien8fic ¡Value ¡of ¡FMT ¡

• The ¡success ¡of ¡FMT ¡in ¡the ¡treatment ¡of ¡CDI ¡is ¡“proof ¡of ¡principle” ¡that ¡

the ¡dysbio8c ¡human ¡microbiota ¡can ¡be ¡modified ¡to ¡treat ¡disease. ¡

• Emphasizes ¡the ¡importance ¡of ¡using ¡a ¡resilient ¡microbial ¡community ¡

to ¡modify ¡dysbiosis. ¡

Although ¡the ¡short-­‑term ¡infec8ous ¡risks ¡of ¡FMT ¡seem ¡to ¡be ¡definable ¡and ¡quan8fiable, ¡ we ¡should ¡remember ¡the ¡en8re ¡genera8on ¡of ¡pa8ents ¡infected ¡with ¡HCV ¡by ¡blood ¡ transfusion ¡before ¡this ¡pathogen ¡was ¡iden8fied. ¡ The ¡field ¡should ¡move ¡cau8ously ¡because ¡the ¡long-­‑term ¡consequences ¡of ¡FMT ¡in ¡ humans ¡are ¡unknown. ¡ ¡ ¡

• The ¡gut ¡microbiome ¡contains ¡a ¡highly ¡complex ¡and ¡dense ¡community ¡of ¡microbes ¡

that ¡include ¡bacteria, ¡fungi ¡and ¡viruses, ¡many ¡of ¡which ¡have ¡not ¡been ¡fully ¡

• characterized. ¡ ¡
• It ¡is ¡a ¡dynamic ¡and ¡living ¡consor8um ¡that ¡can ¡change ¡over ¡8me ¡in ¡ways ¡that ¡

scien8sts ¡cannot ¡currently ¡fully ¡predict. ¡ ¡

“You ¡Shouldn’t ¡Do ¡it ¡Just ¡Because ¡You ¡Can—Cau8on ¡about ¡ FMT ¡and ¡the ¡Need ¡for ¡Regula8on ¡

FDA ¡regula8on ¡of ¡FMT ¡by ¡requiring ¡a ¡Inves8gator ¡New ¡Drug ¡applica8on ¡(IND): ¡

4/25/13: ¡FDA ¡Center ¡for ¡Biologics ¡Evalua8on ¡and ¡Research ¡(CBER): ¡ ¡Publically ¡announces ¡the ¡need ¡ for ¡an ¡IND. ¡ 6/17/13: ¡CBER: ¡“Discre8onary ¡Oversight” ¡announced. ¡ AGA ¡and ¡other ¡organiza8ons ¡are ¡working ¡with ¡the ¡FDA ¡to ¡design ¡a ¡carefully ¡vered ¡approach ¡that ¡ streamlines ¡the ¡IND ¡process. ¡

The ¡Future ¡of ¡FMT: ¡Transplanta;on ¡of ¡Defined ¡ Microbial ¡Communi;es ¡

• Customiza8on ¡of ¡consor8um ¡membership ¡of ¡bacteria ¡with ¡

specific ¡biological ¡proper8es ¡to ¡produce ¡predictable ¡responses ¡ and ¡reduce ¡both ¡short-­‑ ¡and ¡long-­‑term ¡adverse ¡outcomes ¡

• Laboratory ¡defined ¡condi8ons ¡prevent ¡pathogen ¡transmission ¡
• Development ¡of ¡standardized ¡condi8ons ¡for ¡the ¡transplanta8on ¡

(inocula8on) ¡and ¡maintenance ¡of ¡the ¡community ¡ ¡

• Durable ¡communi8es ¡that ¡are ¡resilient ¡to ¡change ¡

Func8onal ¡Studies ¡in ¡Animal ¡Models ¡ Associa8on ¡Studies ¡in ¡Humans ¡ Func8onal ¡Studies ¡in ¡Humans ¡ Therapeu8c ¡Advances ¡in ¡the ¡Treatment ¡of ¡Disease ¡

Despite ¡major ¡advances ¡in ¡gut ¡microbiome ¡research ¡showing ¡its ¡impact ¡

• n ¡disease, ¡there ¡is ¡s8ll ¡a ¡lot ¡to ¡be ¡done ¡to ¡realize ¡its ¡full ¡poten8al ¡
• Increased ¡research ¡funding ¡of ¡both ¡basic ¡and ¡transla8onal ¡research ¡into ¡the ¡gut ¡microbiome. ¡ ¡ ¡
• ­‑Studies ¡that ¡examine ¡the ¡func8onal ¡impact ¡of ¡the ¡gut ¡microbiota ¡on ¡human ¡disease ¡
• ­‑Studies ¡on ¡“defined ¡microbial ¡communi8es” ¡ ¡ ¡
• Development ¡of ¡a ¡“FMT ¡Registry” ¡to ¡track ¡pa8ents ¡who ¡have ¡received ¡FMT ¡that ¡will ¡assist ¡

the ¡FDA ¡in ¡ensuring ¡both ¡short ¡and ¡long ¡term ¡safety ¡as ¡well ¡as ¡enhance ¡human-­‑based ¡ scien8fic ¡research ¡on ¡the ¡gut ¡microbiome. ¡

• Responsible ¡educa8on ¡of ¡both ¡clinicians ¡and ¡the ¡lay ¡public ¡about ¡the ¡gut ¡microbiome ¡and ¡its ¡

impact ¡on ¡disease. ¡

*Co-­‑Principal ¡Inves8gators ¡

DNA ¡sequencing, ¡data ¡analysis, ¡and ¡ mathema;cal ¡modeling ¡ *Frederic ¡D. ¡Bushman, ¡PhD ¡(Penn) ¡ Hongzhe ¡Li, ¡PhD ¡(Penn) ¡ Rob ¡Knight, ¡PhD ¡(U ¡of ¡C, ¡Boulder) ¡

“Diet, ¡Gene;c ¡Factors, ¡and ¡the ¡Gut ¡ Microbiome ¡in ¡Crohn’s ¡Disease” ¡

Pa;ent/subject ¡recruitment ¡and ¡ phenotyping, ¡dietary ¡assessment, ¡ sample ¡collec;on ¡and ¡processing ¡ ¡ *Gary ¡D. ¡Wu, ¡MD ¡(Penn) ¡ *James ¡D. ¡Lewis, ¡MD ¡(Penn) ¡ Robert ¡Baldassano, ¡MD ¡(CHOP) ¡

The ¡Joint ¡Penn-­‑CHOP ¡Center ¡for ¡Diges8ve, ¡Liver, ¡and ¡Pancrea8c ¡Medicine ¡ Center ¡for ¡Molecular ¡Studies ¡in ¡Diges8ve ¡and ¡Liver ¡Diseases ¡(P30 ¡DK050306) ¡ NIH ¡instrument ¡grant ¡S10RR024525 ¡and ¡NIH ¡CTSA ¡grant ¡UL1RR024134 ¡ Demonstra8on ¡Project ¡UH2/3DK083981 ¡(Wu, ¡Bushman, ¡Lewis, ¡Co-­‑PIs) ¡

Gary ¡L. ¡Lichtenstein, ¡MD ¡(Penn) ¡ ¡ Charlene ¡Compher, ¡PhD, ¡RD ¡(Penn) ¡ Anthony ¡Otley, ¡MD ¡(Dalhousie) ¡ Anne ¡Griffiths, ¡MD ¡(Toronto) ¡ Metabolomics ¡ Michael ¡Benner, ¡PhD ¡(CHOP) ¡ Biological ¡Oxymetry ¡ Sergei ¡Vinogradov ¡