University of Groningen
Understanding the gut ecosystem: bugs, drugs & diseases
Vich Vila, Arnau
DOI:
10.33612/diss.102587978
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Vich Vila, A. (2019). Understanding the gut ecosystem: bugs, drugs & diseases. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.102587978
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
255
Appendices
Nederlandse samenvatting
Resumen español
Resum català
Curriculum vitae
Acknowledgments
256
Nederlandse samenvatting
De darmflora is een ecosysteem bestaande uit miljarden micro-organismen, waaronder bacteriën, schim-mels en virussen. Deze microben leven in onze darmen waar ze cruciale functies uitoefenen, bijvoorbeeld ze helpen ons met het verteren van voedsel die we eten, maken vitamines aan en beschermen ons van infecties. Derhalve kunnen grote veranderingen in de darmflora van invloed zijn op onze gezondheid. In het verleden was de capaciteit om microben te bestuderen gelimiteerd door ons vermogen om deze te laten groeien in het lab. Tegenwoordig kunnen we DNA verkrijgen van een monster, het sequencen en bioinformatische predicties uitvoeren. Hierdoor krijgen we een completer beeld van de microbiële populaties zonder dat we elk organisme in het lab hoeven te kweken.
In dit proefschrift maken we gebruik van sequencing technieken om de darmflora te bepalen in de con-text van inflammatoire darmziekte (IBD). IBD is een ontstekingsziekte van het maagdarmstelsel welke voornamelijk bestaat uit twee fenotypes: colitis ulcerosa (UC) en de ziekte van Crohn (CD). Tot op heden begrijpen we niet wat de oorzaak van de ziekte is, echter is een Westerse leefstijl geïdentificeerd als risicofactor voor IBD. Ook zijn er in de afgelopen jaren studies verricht om de rol van genetica in IBD te bestuderen. Dit heeft geleid tot de ontdekking van meer dan 200 genetische regionen die geas-socieerd zijn met IBD. In deze regionen komen veel genen voor die betrokken zijn in het immuunsys-teem en laten een interactie zien met onze microben die als commensalen leven in onze darm. Derhalve neemt de interesse toe om de rol van de darmflora te begrijpen in het ontstaan van IBD.
Bij het bestuderen van de darmflora is het essentieel om rekening te houden met factoren die invloed hebben op de compositie van de darmflora. Om dit soort onderzoek te kunnen doen zijn goed gekar-akteriseerde cohorten vereist. In dit proefschrift maken we derhalve gebruik van twee cohorten waarbij uitgebreide informatie beschikbaar is over zowel leefstijl als de genetica en de darmflora. Dit zijn de
LifeLines cohort, die bestaat uit deelnemers van de algehele populatie uit het noorden van Nederland en
een cohort met IBD-patiënten (1000IBD) van het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG). Het onderzoek die gepresenteerd wordt in dit proefschrift heeft als doel om de darmflora te karakteris-eren in IBD-patiënten en om te begrijpen hoe dit verschilt van gezonde individuen. Aanvullend hebben we de relaties tussen verscheidene karakteristieken van de participanten en de darmflora proberen te ontrafelen zodat we bijdragen aan welke andere factoren ook van invloed zijn op de darmflora.
In het eerste deel van dit proefschrift ligt de focus op de darmflora in de context van ziekte. In hoofdstuk
2 hebben we de darmflora vergeleken van 118 CD-patiënten en 107 UC-patiënten met de darmflora van
582 gezonde controles. Hierbij hebben we gevonden dat IBD-patiënten een lagere diversiteit hebben in hun darmflora en dat er een afname is van bekende gunstige darmbacteriën. We hebben geïdentificeerd dat de locatie van de ontsteking in de darm bepalend is voor de darmflora. Vergeleken met de controles,
257
Nederlandse samenvatting
hebben patiënten met ontsteking in het ileum drastischer veranderingen in hun darmflora dan patiënten met ontsteking in het colon. Verder hebben we een interessante bevinding geobserveerd dat gezonde individuen die meerdere mutaties dragen in IBD-geassocieerde genen (NOD2, CARD9, ATG16L1,
IRGM en FUT2) een afgenomen hoeveelheid van de Roseburia bacterie hebben. Deze bacterie is ook
afgenomen in IBD-patiënten en heeft een belangrijke rol in de productie van gunstige metabolieten voor het individu. Om deze bevindingen verder uit te diepen, hebben we in hoofdstuk 3 niet alleen de hoeveelheid van darmbacteriën bestudeerd, maar ook de genen die deze bacteriën bevatten. Zo vonden we bijvoorbeeld dat IBD-patiënten een afname in genen hebben die betrokken zijn in de aanmaak van belangrijke vitaminen en aminozuren. Aanvullend hebben we de microbiële veranderingen onderzocht in een cohort van patiënten met prikkelbare darm syndroom (IBS). Deze groep patiënten presenteren zich met vergelijkbare symptomen als IBD-patiënten, echter hebben ze geen ontsteking in de darm. Ondanks dat we ook veranderingen hebben geïdentificeerd in de darmflora bij deze patiënten, hebben we ook laten zien dat de darmflora onderscheid kan maken tussen IBD en IBS. Dit kan in de toekomst gebruikt worden om invasieve procedures, zoals colonoscopieën, te vervangen door de darmflora in de ontlasting te onderzoeken.
Het individu en de darmflora hebben een sterke interactie in de darm. Daarom hebben we in hoofdstuk
4 onderzocht of mutaties in het genoom gerelateerd zijn aan veranderingen in de darmflora. We hebben
veranderingen in de darmflora en microbiële functies geïdentificeerd die potentieel geassocieerd zijn met mutaties in genen, zoals CABIN1en IL17REL, genen die betrokken zijn in immunologische functies. In hoofdstuk 5 beschrijven we dat CD-patiënten een significante variatie laten zien in de aantallen van bacteriële cellen in hun ontlastingsmonsters. Aanvullend hebben we de relatie tussen deze variatie met patiënt karakteristieken onderzocht en hierbij tonen we aan dat patiënten die chirurgische procedures ondergaan hebben zich presenteren met lagere bacterie aantallen. Daarnaast laten monsters met lagere bacterie aantallen een toename van potentiële nadelige bacteriën zien. Dit hoofdstuk toont derhalve aan wat het belang is van corrigeren voor bacterie aantallen in onderzoek naar darmflora.
In het tweede deel van dit proefschrift worden de effecten van medicatie op de darmflora bestudeerd. In hoofdstuk 6 wordt uitgebreid de relevantie en de mogelijkheden beargumenteerd wat het bestuder-en van de darmflora kan biedbestuder-en op het gebied van de farmacologie. Ebestuder-en voorbeeld is dat het gebruik van bepaalde medicatie negatieve effecten kan hebben op de darmflora. In hoofdstuk 7 hebben we bij gebruikers van protonpompremmers, een medicijn tegen maagzuur wat gekocht kan worden zonder doktersrecept, geïdentificeerd dat 20 procent van de gedetecteerde bacteriën veranderingen laten zien. Voorbeelden zijn een toename van orale bacteriën en bacteriën van de genera Streptococcus, Rothia en
Enterococcus die bekend staan als pathologische bacteriën. Door het vergelijken van de darmflora van
cat-258
Nederlandse samenvatting
egorieën zoals metformine of antidepressiva van de groep selectieve serotonine heropname remmers (SSRIs) geassocieerd zijn met veranderingen in de darmflora, microbiële metabolische functies en de aanwezigheid van antibiotica resistentie genen, zoals beschreven in hoofdstuk 8.
Hoewel verschillen in geslacht meestal wordt behandeld als een factor waarvoor gecorrigeerd wordt bij het bestuderen van de darmflora, is het daadwerkelijk begrijpen van deze geslachtsverschillen in de darmflora relevant voor de klinische praktijk. In hoofdstuk 9 beschrijven we dat vrouwen een grotere diversiteit hebben in de darmflora en dat hormonale factoren zoals het gebruik van orale contraceptiva en het verwijderen van beide eierstokken geassocieerd zijn met de hoeveelheid van specifieke bacteriën. Verder zien we dat geslachtsverschillen in het voorschrijven van antibiotica ook zichtbaar was in de darmflora.
Concluderend, in hoofdstuk 10 plaats ik ons werk in het huidige perspectief en beargumenteer ik de lim-itatie van het gedane werk met hierbij de focus op het belang van longitudinale studies en de noodzaak voor het integreren van meerdere datalagen om een beter begrip te krijgen in microbiële ecosystemen.
Vijf boodschappen van dit proefschrift:
1. De darmflora in IBD-patiënten is gekarakteriseerd door een afname in diversiteit, afname in de hoeveelheid van obligate anaerobe bacteriën en een toename van pathologische bacteriën.
2. Chirurgie van de darm en locatie van de ziekte beïnvloedt de darmflora in IBD-patiënten in grote mate.
3. De darmflora kan helpen bij het stellen van de diagnose IBD. 4. De genetica van het individu is geassocieerd met de darmflora. 5. Veel gebruikte medicatie beïnvloeden de darmflora.
259
Resumen español
Resumen español
La microbiota intestinal es un ecosistema compuesto por millones de microorganismos, incluyendo bacte-rias, hongos y virus. Los microbios que viven en nuestro intestino realizan funciones cruciales para nuestro organismo, por ejemplo, nos ayudan a digerir los alimentos que comemos, sintetizar vitaminas y prote-gernos de las infecciones. Es por eso que, cualquier alteración grave de la microbiota intestinal pueden comprometer nuestra salud.
Hasta hace poco, el estudio de los microorganismos estaba limitado por nuestra capacidad de aislarlos y hacer cultivos en el laboratorio. Los recientes avances tecnológicos en la extracción de ADN, su secuenci-ación y la predicciones bioinformáticas, nos permite estudiar distintas poblaciones microbianas sin tener que cultivar cada microbio en el laboratorio.
En esta tesis, hemos utilizado distintas técnicas de secuenciación para explorar la microbiota intestinal en el contexto de las enfermedades inflamatorias intestinales (EII). La EII es un trastorno inflamatorio del trac-to gastrointestinal, que comprende, principalmente, dos fenotipos: colitis ulcerosa (CU) y la enfermedad de Crohn (EC). Hasta ahora, no sabemos que causa la enfermedad, aunque factores como el estilo de vida occidental han sido identificados como un factor de riesgo. Además, en los últimos años, se han descubierto más de 200 regiones genéticas asociadas con la EII. Curiosamente, estas regiones contienen genes implica-dos en el sistema inmune y en la interacción con los microbios presentes en nuestro cuerpo. Es por eso que existe un interés creciente para comprender el papel de las bacterias intestinales en el desarrollo de las EII. Múltiples factores (intrínsecos y ambientales) pueden influir la composición de la microbiota intestinal. Para poder estudiar el rol de la microbiota en nuestra salud, es necesario tener en cuenta estos factores. Por eso, es esencial una buena caracterización de los participantes y las muestras usadas en cada estudio. En esta tesis, hemos utilizado dos bases de datos en las cuales hay una amplia información sobre el estilo de vida, datos genómicos y información del microbioma de cada uno de los participantes: la cohorte LifeLines, que representa la población del norte de los Países Bajos y una cohorte de pacientes con EII (1000IBD) del
University Medical Center of Groningen (UMCG).
La investigación presentada en esta tesis tiene como objetivo caracterizar y comprender los cambios en la microbiota intestinal en pacientes con EII. Además, y como parte de nuestros esfuerzos por comprender qué factores influyen en la composición de la microbiota intestinal, hemos investigado como ciertos hábi-tos, características y estilos de vida de cada individuo están asociados con el microbioma. Poniendo especial énfasis en la relación entre las bacterias intestinales y el uso de medicamentos.
En los primeros capítulos de esta tesis centramos nuestra investigación en la composición microbiana en personas con EII. En el capítulo 2, comparamos la composición de microbiota intestinal de 118 pacientes con EC y 107 pacientes con CU con el microbioma de 582 personas sanas. Los pacientes con EII
260
Resumen español
ron una menor diversidad microbiana y una disminución en la abundancia de bacterias potencialmente beneficiosas. Identificamos que, en este grupo de pacientes, la composición bacteriana esta determinada por la ubicación de la inflamación en el intestino. Los pacientes con inflamación en el íleon presentaron alteraciones más acentuadas que los pacientes con inflamación del colon. Además, observamos que los indi-viduos sanos que portaban múltiples mutaciones en distintos genes asociados con la EII (NOD2, CARD9,
ATG16L1, IRGM y FUT2) mostraron una menor abundancia de las bacterias de la especie Roseburia.
Curiosamente, la disminución de esta bacteria, que tiene un papel importante en la producción de metab-olitos beneficiosos para el huésped, también ocurre en pacientes con EII. Para investigar más a fondo estos hallazgos, en el capítulo 3, examinamos no solo la abundancia de los microbios intestinales sino también su contenido genético. Por ejemplo, encontramos que los pacientes con EII tienen una disminución en la abundancia de genes involucrados en la síntesis de vitaminas y aminoácidos. Además, comparamos estos cambios con la microbiota de un grupo de pacientes con síndrome del intestino irritable (SII). Estos pa-cientes pueden presentar síntomas similares a los de los papa-cientes con EII; sin embargo, no presentan in-flamación en el intestino. Aunque también observamos cambios composición microbiana en los pacientes con SII, demostramos que el microbioma se puede utilizar para a distinguir entre los dos trastornos. Estos resultados abren la puerta al diseño de pruebas no invasivas basadas en la composición microbiana para, en un futuro, reducir el numero de colonoscopias.
El ser humano y su microbiota establecen una fuerte interacción en el intestino. Por lo tanto, en el capítulo
4, estábamos interesados en estudiar la relación entre las mutaciones en el genoma humano y la
com-posición microbiana. Como resultado, descubrimos que personas con mutaciones en genes como CABIN1 e IL17REL (estos genes intervienen en funciones inmunológicas) presentan características especiales en la microbiota intestinal, incluyendo cambios en la abundancia y las funciones de algunas bacterias intestinales. En el capítulo 5, observamos que los pacientes con enfermedad de Crohn muestran una gran variación en el número de células bacterianas en las muestras fecales. Demostramos que esta variación esta relacionada con distintas características individuales, siendo los procedimientos quirúrgicos en el intestino uno de los factores mas relevantes. También describimos como la diferencias en el número de células bacterias en cada muestra está correlacionado con la composición bacteriana; por ejemplo, las muestras con un menor núme-ro de células bacterianas mostranúme-ron un mayor numenúme-ro de posibles patógenos. Estos resultados subrayan la importancia de considerar estas diferencias al estudiar distintos ecosistemas microbianos.
En la segunda parte de esta tesis, nos centramos en los efectos de la medicación en la microbiota intestinal. En el capítulo 6, discutimos ampliamente la relevancia y las oportunidades que ofrece el estudio de la microbiota intestinal en el campo de la farmacología. Por ejemplo, el uso de ciertos medicamentos puede tener un efecto adverso en la comunidad microbiana en el intestino. En el capítulo 7, identificamos que las personas que usan inhibidores de la bomba de protones (un tipo de medicamento que reduce la acidez
261
Cinco puntos de esta tesis:
1. La microbiota intestinal de los pacientes con enfermedades inflamatorias del intestino (EII) se caracteriza por una disminución de la riqueza microbiana, una reducción en la abundancia de bacterias anaerobias estrictas y una mayor abundancia de patógenos potenciales.
2. Las cirugías intestinales y la ubicación de la inflamación influyen en gran medida en la composición del microbioma en pacientes con EII.
3. La microbiota fecal puede servir como herramienta para el diagnóstico de EII. 4. Diferentes mutaciones genéticas están asociadas con la composición de la microbiota intestinal.
5. Los medicamentos de uso común afectan la microbiota intestinal.
Resumen español
gástrica y que se pueden adquirir sin receta médica) muestran cambios en la abundancia de hasta el 20% de las bacterias detectadas. Estos cambios incluyen un aumento de bacterias de la cavidad oral y bacterias potencialmente perjudiciales de los géneros Streptococcus, Rothia y Enterococcus. Para ampliar y profundizar en la relación entre medicamentos y microbiota, en el capítulo 8, relacionamos la composición microbiana de 1883 personas con el uso de medicación. Observamos que otras categorías de medicamentos, como la metformina o los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS) están asociados con cambios en la composición y funciones del microbioma y con la presencia de genes de resistencia a los antibióticos. Si bien las diferencias entre sexos generalmente se tratan como un factor que debe tener en cuenta en el estudio de la microbiota intestinal, la comprensión de las diferencias entre el microbioma de hombres y mujeres puede ser importante para el diseño de tratamientos clínicos. En el capítulo 9, describimos que las mujeres muestran una microbiota más diversa y que distintos factores hormonales como el uso de anticon-ceptivos orales y la extracción de ambos ovarios están asociados con cambios en la abundancia de ciertas especies bacterias. Además, mostramos como las diferencias en los patrones prescripción de antibióticos entre sexos se reflejan en la composición del microbioma intestinal.
Finalmente, en el capítulo 10 pongo en perspectiva nuestro trabajo y discuto sus limitaciones, subrayando la importancia de los estudios longitudinales y la necesidad de integrar distintas modalidades de datos (multi-ómicos) para poder comprender mejor los ecosistemas microbianos.
262
Resum català
La microbiota intestinal és un ecosistema compost per milions de microorganismes, incloent bacteris, fongs i virus. Els microorganismes que viuen al nostre intestí realitzen funcions crucials per al nostre or-ganisme, per exemple, ens ajuden a digerir els aliments que mengem, sintetitzar vitamines i protegir-nos d’infeccions. És per això que qualsevol alteració greu de la microbiota intestinal pot tenir conseqüències en la nostra salut.
Fins fa poc, l’estudi de microorganismes estava limitat per la capacitat d’aïllar i generar cultius d’aquests. Recentment, els avenços tecnològics en l’extracció d’ADN, la seqüenciació i la capacitat de generar prediccions bioinformàtiques, ens permet estudiar poblacions microbianes sense haver de recórrer als cultius en el laboratori.
En aquesta tesi, hem utilitzat tècniques de seqüenciació per explorar la microbiota intestinal de pacients amb malalties inflamatòries intestinals (MII). La MII és un trastorn inflamatori del tracte gastroin-testinal que comprèn, principalment, dos fenotips: colitis ulcerosa (CU) i la malaltia de Crohn (MC). Actualment, encara no sabem què causa la malaltia. Malgrat això, sabem que l’estil de vida occidental n’és un dels factors de risc. A més, en els últims anys, s’han descobert més de 200 regions genètiques associades amb les MII. Curiosament, aquestes regions contenen gens implicats en el sistema immune i en la interacció amb els microbis presents en el nostre organisme. És per això que està creixent l’interès per comprendre quin és el paper de la microbiota intestinal en el desenvolupament de les MII.
Múltiples factors (intrínsecs i ambientals) poden influir la composició de la microbiota intestinal. Per tal de poder estudiar com la microbiota intestinal influeix en la nostra salut, cal tenir en compte tots els elements que poden alterar-la. És doncs, essencial, una bona col·lecció de dades dels participants i de les mostres utilitzades en cada estudi. En aquesta tesi, hem utilitzat dues bases de dades en les quals hi ha una àmplia informació sobre l’estil de vida, dades genòmiques i informació de la microbiota intestinal de cadascuna de les participants: la cohort Lifelines, que representa la població del nord dels Països Baixos i una cohort de pacients amb MII (1000IBD) del University Medical Center of Groningen (UMCG). La investigació que presentem en aquesta tesi té com objectiu caracteritzar i comprendre els canvis en la microbiota intestinal de pacients amb MII. A més, i com a part dels nostres esforços per comprendre quins factors influeixen en la composició de la microbiota intestinal, hem investigat com certs hàbits, característiques i estils de vida de cada individu estan associats amb la microbiota, posant especial èmfasi en la relació entre els bacteris intestinals i l’ús de medicaments.
En els primers capítols d’aquesta tesi ens centrem en la composició de la microbiota intestinal de les persones amb MII. En el capítol 2, comparem la composició microbiana de 118 pacients amb MC i 107 pacients amb CU amb la microbiota de 582 persones sanes. Els pacients amb MII mostren una menor
263
Resum català
diversitat microbiana i una disminució en l’abundància de bacteris potencialment beneficiosos. Vàrem identificar que, en aquest grup de pacients, la composició bacteriana està influenciada per la ubicació de la inflamació a l’intestí. Els pacients amb inflamació en l’ili presenten alteracions més accentuades que els pacients amb inflamació del còlon. A més, observem que els individus sans que presenten múltiples mutacions en diferents gens associats amb la MII (NOD2, CARD9, ATG16L1, IRGM i FUT2) tenen una menor quantitat de bacteris de l’espècie Roseburia. Curiosament, la disminució d’aquest bacteri, que té un paper important en la producció de metabòlits beneficiosos per a l’hoste, també ocorre en pacients amb MII. Per ampliar aquestes observacions, en el capítol 3, examinarem no només l’abundància dels microbis intestinals sinó també el seu contingut genètic. Per exemple, observem que els pacients amb MII tenen una disminució en l’abundància de gens involucrats en la síntesi de vitamines i aminoàcids. A més, vam comparar aquests canvis amb la microbiota d’un grup de pacients amb síndrome de l’intestí irritable (SII). Aquests pacients poden experimentar símptomes similars als dels pacients amb MII; però no presenten inflamació a l’intestí. Encara que també observem canvis en la composició microbiana d’aquests pacients, demostrem que la microbiota es pot utilitzar per a distingir entre ambdós trastorns intestinals. Aquests resultats obren la porta al disseny de tests no invasius basats en la composició micro-biana per reduir el nombre de colonoscòpies.
L’ésser humà i la seva microbiota estableixen una forta interacció en l’intestí. Per tant, en el capítol 4, estàvem interessats en estudiar la relació entre les mutacions en el genoma humà i la composició mi-crobiana. Com a resultat, vam observar que persones amb mutacions en els gens CABIN1 i IL17REL presenten característiques especials en la microbiota intestinal, incloent canvis en l’abundància i les funcions d’alguns bacteris intestinals.
En el capítol 5, descrivim que els pacients amb malaltia de Crohn mostren una gran variació en el nombre de cèl·lules bacterianes en les mostres fecals. Aquesta variació està relacionada amb diferents característiques individuals. El factor més rellevant és el fet que el pacient hagi estat sotmès a una o vàries cirurgies intestinals. També descrivim com les diferències en el nombre de cèl·lules bacterianes en una mostra està correlacionat amb la composició bacteriana; per exemple, les mostres amb un menor nombre de cèl·lules bacterianes mostren un major nombre de patògens. En resum, aquests resultats subratllaren la importància de considerar aquestes diferències quan s’estudien ecosistemes microbians.
A la segona part d’aquesta tesi, ens centrem en els efectes que té la medicació sobre la microbiota in-testinal. En el capítol 6, discutim àmpliament la rellevància i les oportunitats que ofereix l’estudi de la microbiota intestinal en el camp de la farmacologia. Per exemple, l’ús de certs medicaments pot tenir un efecte advers en la comunitat microbiana a l’intestí. En el capítol 7, vam identificar que les persones que fan servir inhibidors de la bomba de protons (un tipus de medicament que redueix l’acidesa gàstrica i que es poden adquirir sense recepta mèdica) presenten canvis en el 20% dels bacteris intestinals. Aquests
264
Resum català
Cinc punts d’aquesta tesi:
1. La microbiota intestinal dels pacients amb malalties inflamatòries de l’intestí (MII) es caracteritza per una disminució de la riquesa microbiana, una reducció en l’abundància de bacteris anaerobis estrictes i una major abundància de patògens potencials.
2. En els pacients amb MII, les cirurgies intestinals i la ubicació de la inflamació influeixen en gran mesura a la composició de la microbiota.
3. La microbiota fecal pot servir com a eina per al diagnòstic de MII.
4. Diferents mutacions genètiques estan associades amb la composició de la microbiota intestinal.
5. Els medicaments d’ús comú afecten la microbiota intestinal.
Resum català
canvis inclouen un augment de bacteris de la cavitat oral i bacteris potencialment perjudicials dels gè-neres Streptococcus, Rothia i Enterococcus. Per ampliar i aprofundir en la relació entre medicaments i mi-crobiota, en el capítol 8, relacionarem la composició microbiana de 1883 persones amb l’ús de medicació. Vàrem observar que altres categories de medicaments, com la metformina o els inhibidors selectius de la recaptació de serotonina (ISRS) estan associats amb canvis en la composició i funcions de la microbiota, però també amb la presència de gens de resistència als antibiòtics.
Si bé les diferències entre sexes generalment es tracten com un factor que ha de tenir en compte en l’estudi de la microbiota intestinal, la comprensió d’aquestes diferències és important per al disseny de tractaments mèdics. En el capítol 9, descrivim com les dones mostren una microbiota més diversa i que diferents factors hormonals com l’ús d’anticonceptius orals i l’extracció de tots dos ovaris estan associats a canvis en l’abundància de certes espècies bacterianes. A més, mostrem com les diferències en els patrons de prescripció d’antibiòtics entre sexes es reflecteixen en la composició de la microbiota intestinal. Finalment, al capítol 10 poso en perspectiva els resultats de la nostra investigació i discuteixo les seves limitacions, subratllant la importància d’estudis longitudinals i la necessitat d’integrar diferents modali-tats de dades (multi-òmiques) per tal de poder comprendre millor els ecosistemes microbians.
Curriculum Vitae
Curriculum Vitae
Arnau Vich Vila
Arnau Vich Vila was born on 29th August of 1988 in Sant Cugat del Vallès
(Barcelona, Catalunya). In 2011 he graduated with a Bachelor’s degree in
Biology at the Autonomous University of Barcelona (UAB).
He continued
his studies with a Master’s program in Bioinformatics where he got
interested in the emerging field of microbiome research. In the summer
of 2014 he joined as a PhD student at the Department
of
Gastroenterology and Hepatology of the University Medical Center
of
Groningen. Under the joined supervision of Prof. Dr. Rinse K. Weersma
and Prof. Alexandra Zhernakova he investigated the gut microbiome in
patients with IBD. During his PhD studies, he visited
the groups of Prof. Eric Alm at the Massachusetts Institute of Technology
(MIT) and Prof. Mark Daly at the Broad Institute to investigate
host-microbiota interactions.
After defending his thesis, Arnau will continue his research
as a postdoc at the UMCG.
267 List of publications
Gupta, A., Juyal, G., Sood, A., Midha, V., Yamazaki, K., Vich Vila, A., Esaki, M., Matsui, T., Takahashi, A., Kubo, M., Weersma, R.K., Thelma, B.K. (2016). A cross-ethnic survey of CFB and SLC44A4, Indian ulcerative colitis GWAS hits, underscores their potential role in disease susceptibility. European journal of human genetics : EJHG 25, 111–122.
Imhann, F., Bonder, M.J., Vich Vila, A., Fu, J., Mujagic, Z., Vork, L., Tigchelaar, E.F., Jankipersadsing, S.A., Cenit, M.C., Harmsen, H.J.M., Dijkstra, G., Franke, L., Xavier, R.J., Jonkers, D., Wijmenga, C., Weersma, R.K., Zhernakova, A. (2016). Proton pump inhibitors affect the gut microbiome. Gut 65, 740–748.
Janse, I.C., Koldijk, M.J., Spekhorst, L.M., Vich Vila, A., Weersma, R.K., Dijkstra, G., Horvath, B. (2016). Identification of Clinical and Genetic Parameters Associated with Hidradenitis Suppurativa in Inflammatory Bowel Disease. Inflammatory bowel diseases 22, 106–113.
Zhernakova, A., Kurilshikov, A., Bonder, M.J., Tigchelaar, E.F., Schirmer, M., Vatanen, T., Mujagic, Z., Vich Vila, A., Falony, G., Vieira-Silva, S., Wang, J., Imhann, F., Brandsma, E., Jankipersadsing, S.A., Joossens, M., Cenit, M.C., Deelen, P., Swertz, M.A., Weersma, R.K., Feskens, E.J.M., Netea, M.G., Gevers, D., Jonkers, D., Franke, L., Aulchenko, Y.S., Huttenhower, C., Raes, J., Hofker, M.H., Xavier, R.J., Wijmenga, C., Fu, J. (2016). Population-based metagenomics analysis reveals markers for gut microbiome composition and diversity. Science 352, 565–569. Bonder, M.J., Kurilshikov, A., Tigchelaar, E.F., Mujagic, Z., Imhann, F., Vich Vila, A., Deelen, P., Vatanen, T., Schirmer, M., Smeekens, S.P., Zhernakova, D.V., Jankipersadsing, S.A., Jaeger, M., Oosting, M., Cenit, M.C., Masclee, A.A.M., Swertz, M.A., Li, Y., Kumar, V., Joosten, L., Harmsen, H., Weersma, R.K., Franke, L., Hofker, M.H., Xavier, R.J., Jonkers, D., Netea, M.G., Wijmenga, C., Fu, J., Zhernakova, A. (2016). The effect of host genetics on the gut microbiome. Nature genetics 48, 1407–1412.
Imhann, F., Vich Vila, A., Bonder, M.J., Lopez Manosalva, A.G., Koonen, D.P.Y., Fu, J., Wijmenga, C., Zhernakova, A., Weersma, R.K. (2017). The influence of proton pump inhibitors and other commonly used medication on the gut microbiota. Gut microbes 8, 351–358.
Alberts, R., de Vries, E.M.G., Goode, E.C., Jiang, X., Sampaziotis, F., Rombouts, K., Bottcher, K., Folseraas, T., Weismuller, T.J., Mason, A.L., Wang, W., Alexander, G., Alvaro, D., Bergquist, A., Bjorkstrom, N.K., Beuers, U., Bjornsson, E., Boberg, K.M., Bowlus, C.L., Bragazzi, M.C., Carbone, M., Chazouilleres, O., Cheung, A., Dalekos, G., Eaton, J., Eksteen, B., Ellinghaus, D., Farkkila, M., Festen, E.A.M., Floreani, A., Franceschet, I., Gotthardt, D.N., Hirschfield, G.M., van Hoek, B., Holm, K., Hohenester, S., Hov, J.R., Imhann, F., Invernizzi, P., Juran, B.D., Lenzen, H., Lieb, W., Liu, J.Z., Marschall, H.-U., Marzioni, M., Melum, E., Milkiewicz, P., Muller, T., Pares, A., Rupp, C., Rust, C., Sandford, R.N., Schramm, C., Schreiber, S., Schrumpf, E., Silverberg, M.S., Srivastava, B., Sterneck, M., Teufel, A., Vallier, L., Verheij, J., Vich Vila A., de Vries, B., Zachou, K., Chapman, R.W., Manns, M.P., Pinzani, M., Rushbrook, S.M., Lazaridis, K.N., Franke, A., Anderson, C.A., Karlsen, T.H., Ponsioen, C.Y., Weersma, R.K. (2018).Genetic association analysis identifies variants associated with disease progression in primary sclerosing cholangitis. Gut 67, 1517–1524.
Doestzada, M., Vich Vila, A., Zhernakova, A., Koonen, D.P.Y., Weersma, R.K., Touw, D.J., Kuipers, F., Wijmenga, C., Fu, J. (2018). Pharmacomicrobiomics: a novel route towards personalized medicine? Protein & cell 9, 432–445
Curriculum Vitae
Imhann, F., Vich Vila, A., Bonder, M.J., Fu, J., Gevers, D., Visschedijk, M.C., Spekhorst, L.M., Alberts, R., Franke, L., van Dullemen, H.M., Ter Steege, R.W.F., Huttenhower, C., Dijkstra, G., Xavier, R.J., Festen, E.A.M., Wijmenga, C., Zhernakova, A., Weersma, R.K. (2018). Interplay of host genetics and gut microbiota underlying the onset and clinical presentation of inflammatory bowel disease. Gut 67, 108–119.
Rothschild, D., Weissbrod, O., Barkan, E., Kurilshikov, A., Korem, T., Zeevi, D., Costea, P.I., Godneva, A., Kalka, I.N., Bar, N., Shilo, S., Lador, D., Vich Vila, A., Zmora, N., Pevsner-Fischer, M., Israeli, D., Kosower, N., Malka, G., Wolf, B.C., Avnit-Sagi, T., Lotan-Pompan, M., Weinberger, A., Halpern, Z., Carmi, S., Fu, J., Wijmenga, C., Zhernakova, A., Elinav, E., Segal, E. (2018). Environment dominates over host genetics in shaping human gut microbiota. Nature 555, 210–215.
van der Meulen, T.A., Harmsen, H.J.M., Bootsma, H., Liefers, S.C., Vich Vila, A., Zhernakova, A., Fu, J., Wijmenga, C., Spijkervet, F.K.L., Kroese, F.G.M., Vissink, A. (2018). Dysbiosis of the buccal mucosa microbiome in primary Sjogren’s syndrome patients. Rheumatology (Oxford, England) 57, 2225–2234.
van der Meulen, T.A., Harmsen, H.J.M., Bootsma, H., Liefers, S.C., Vich Vila, A., Zhernakova, A., Weersma, R.K., Spijkervet, F.K.L., Kroese, F.G.M., Vissink, A. (2018). Reduced salivary secretion contributes more to changes in the oral microbiome of patients with primary Sjogren’s syndrome than underlying disease. Annals of the Rheumatic Diseases 2018;77:1542-1544
Vich Vila, A., Imhann, F., Collij, V., Jankipersadsing, S.A., Gurry, T., Mujagic, Z., Kurilshikov, A., Bonder, M.J., Jiang, X., Tigchelaar, E.F., Dekens, J., Peters, V., Voskuil, M.D., Visschedijk, M.C., van Dullemen, H.M., Keszthelyi, D., Swertz, M.A., Franke, L., Alberts, R., Festen, E.A.M., Dijkstra, G., Masclee, A.A.M., Hofker, M.H., Xavier, R.J., Alm, E.J., Fu, J., Wijmenga, C., Jonkers, D.M.A.E., Zhernakova, A., Weersma, R.K. (2018). Gut microbiota composition and functional changes in inflammatory bowel disease and irritable bowel syndrome. Science translational
medicine 10.
Collij, V., Imhann, F., Vich Vila, A., Fu, J., Dijkstra, G., Festen, E.A.M., Voskuil, M.D., Daly, M.J., Xavier, R.J., Wijmenga, C., Zhernakova, A., Weersma, R.K. (2019). SLC39A8 missense variant is associated with Crohn’s disease but does not have a major impact on gut microbiome composition in healthy subjects. PloS One 14.
Imhann, F., Van der Velde, K.J., Barbieri, R., Alberts, R., Voskuil, M.D., Vich Vila, A., Collij, V., Spekhorst, L.M., Van der Sloot, K.W.J., Peters, V., Van Dullemen, H.M., Visschedijk, M.C., Festen, E.A.M., Swertz, M.A., Dijkstra, G., Weersma, R.K. (2019). The 1000IBD project: multi-omics data of 1000 inflammatory bowel disease patients; data release 1. BMC gastroenterology 19, 5.
Uniken Venema, W.T., Voskuil, M.D., Vich Vila, A., van der Vries, G., Jansen, B.H., Jabri, B., Faber, K.N., Dijkstra, G., Xavier, R.J., Wijmenga, C., Graham, D.B., Weersma, R.K., Festen, E.A., (2019) Single-Cell RNA Sequencing of Blood and Ileal T Cells From Patients With Crohn’s Disease Reveals Tissue-Specific Characteristics and Drug Targets. Gastroenterology 156, 812–815.e22.
van der Meulen, T.A., Harmsen, H.J.M., Vich Vila, A., Kurilshikov, A., Liefers, S.C., Zhernakova, A., Fu, J., Wijmenga, C., Weersma, R.K., de Leeuw, K., Bootsma, H., Spijkervet, F.K.L., Vissink, A., Kroese, F.G.M., (2019). Shared gut, but distinct oral microbiota composition in primary Sjogren’s syndrome and systemic lupus erythematosus. Journal of autoimmunity 97, 77–87.
269 List of publications
Klaassen, M.A.Y., Imhann, F., Collij, V., Fu, J., Wijmenga, C., Zhernakova, A., Dijkstra, G., Festen, E.A.M., Gacesa, R., Vich Vila, A., Weersma, R.K. (2019). Anti-inflammatory Gut Microbial Pathways Are Decreased During Crohn’s Disease Exacerbations. Journal of Crohn’s & colitis.
Sinha, T., Vich Vila, A., Garmaeva, S., Jankipersadsing, S.A., Imhann, F., Collij, V., Bonder, M.J., Jiang, X., Gurry, T., Alm, E.J., D’Amato, M., Weersma, R.K., Scherjon, S., Wijmenga, C., Fu, J., Kurilshikov, A., Zhernakova, A., (2019). Analysis of 1135 gut metagenomes identifies sex-specific resistome profiles. Gut microbes 10, 358–366.
Sanna, S., van Zuydam, N.R., Mahajan, A., Kurilshikov, A., Vich Vila, A., Vosa, U., Mujagic, Z., Masclee, A.A.M., Jonkers, D.M.A.E., Oosting, M., Joosten, L.A.B., Netea, M.G., Franke, L., Zhernakova, A., Fu, J., Wijmenga, C., McCarthy, M.I. (2019). Causal relationships among the gut microbiome, short-chain fatty acids and metabolic diseases. Nature genetics 51, 600–605.
Hu, Shixian*, Vich Vila, A*, Gacesa, R.*, Collij, V.*, Stevens, C., Rivas, M. A., Imhann, F., van Dullemen, H., Dijkstra, G., Visschedijk, M. C., Festen, E. A.; Xavier, R., Fu, J., Daly, M. J., Wijmenga, C., Zhernakova, A., Kurilshikov, A., Weersma, R. K. Whole exome sequencing analyses reveal gene-microbiota interactions in the context of inflammatory bowel disease (Submitted)
Vich Vila A, Kurilshikov A.*, Boddeke A.*, Collij V., Sureda Horrach P., von Martels J. Z. H, Bourgonje A.R, Jansen D., Klaassen M., Hu S., Faber K.N, Dijkstra G., Fu J., Zhernakova A., Harmsen H.J.M., Weersma R.K. Combining absolute quantification of faecal bacteria with metagenomic sequencing data improves the characterization of the gut microbiome of patients with Crohn’s disease (In preparation)
von Martels J. Z. H. *, Bourgonje A. R. *, Klaassen M. A. Y. *, Alkhalifah, H.A. A., Sadaghian Sadabad, M, Vich Vila A., Gacesa, R., Gabriëls R.Y., Steinert R.E, Jansen B.H, Bulthuis M.L.C, van Dullemen H.M, Visschedijk M.C., Festen, E.A.M, Weersma, R.K., de Vos P., van Goor H., Faber K.N, Harmsen H.J. M., Dijkstra G. Riboflavin suppresses inflammation and attenuates Crohn’s disease symptoms (RISE-UP Study) (Submitted)
Chen L., Collij V., Jaeger M., van de Munckhoff I., Vich Vila A., Kurilshikov A., Gacesa R., Sinha T., Oosting M., Joosten L., Rutten J., Riksen N., Lifelines Cohort Study, Human Functional Genomics Project, Xavier R.J, Kuipers F., Wijmenga C., Zhernakova A., Netea M.G, Weersma R.K., Fu J. Gut microbial co-abundance networks identify functional hubs for inflammatory bowel disease and obesity (Submitted)
Wind T.T, Gacesa R., Vich Vila A., de Haana J.J., Jalvinga M, Weersma R.K, Hospersa G.A.P. Gut microbial species and metabolic pathways associated with response to treatment with immune checkpoint inhibitors in metastatic melanoma (Submitted)
Vich Vila A, Collij V., Sanna S., Imhann F., Sinha T., Mujagic Z., Jonkers D., Masclee A.A.M, Fu J., Kurilshikov A, Wijmenga C., Zhernakova A., Weersma R.K. Impact of 41 commonly used drugs on the composition, metabolic function and resistome of the gut microbiome (Conditionally accepted)
270
Acknowledgments
The work presented in this thesis is the result of collective effort and the product of multiple interactions at the professional but also the personal level. I consider this part of the thesis very important because it gives me the opportunity to show my gratitude to all the people that, in one way of the other, contrib-uted to make this book possible.
First, I would like to thank all the participants in the cohorts. Thank you for your altruistic partici-pation in research. Also, to all the lab technicians, research nurses, doctors and students involved in the sample collection and preparation. Here, I want to especially mention Dianne Jansen, for all the logistic work she does, always with a smile on her face. I also want to thank Kate McIntyre, for all the gram-matical corrections and writing tips. Thank you for transforming my words and sentences into written science.
The fact that you are now reading this book is because my supervisors believed in my potential. None of this would have been possible if they had not had the vision and motivation to mentor me. To my supervisors:
Prof. Dr. R. K. Weersma. Dear Rinse, thank you for your trust, for believing in my abilities and for guiding me through the science world. Thank you for pushing me when it was necessary and for giving me the space to grow scientifically, the opportunity to take responsibilities and the chance to develop my own ideas. Thank you for your good mood and your integrity. I have great admiration for your optimism, your knowledge and your amazing strategic vision. It is a great honour to be part of your team and to learn from you. Thanks a lot.
Prof. dr. A. Zhernakova. Dear Sasha, thank you for your advice, for spending time with me to discuss all kind of topics, and for always being willing to help, to collaborate and to answer any question, even when you are traveling to the most remote places on this planet. Thank you for transmitting your vitality and your energy to me. Your passion for science and your hard work is a great inspiration.
I have also felt very fortunate to be able to work alongside other brilliant scientists and to be able to learn from them.
Prof. dr. C. Wijmenga, dear Cisca. Thank you for opening the doors of the genetics department to me. Thank you for all your advice and feedback, but above all, thanks for helping me improve day by day. Especially by stressing the importance of developing my communication skills and scientific reasoning. Prof. dr. J. Fu, dear Jing, it has been a pleasure working and sharing ideas with you. I have to admit that during my presentations I have always been afraid of your questions, and I think that, thanks to that, I have improved and matured in many aspects. Thank you for trusting me and for all the help provided during these years.
And although I have interacted less than I would have liked, I also want to thank Prof. dr. L.H. Franke, Dr. V. Kumar, Dr. H.J.H Harmsen, Prof. dr. G. Dijkstra and Dr. Y. Li for all the scientific discussions and comments during work discussions, talk practices and journal clubs.
Moreover, I want to thank the reading committee of my thesis. Thank you for the positive comments and for reading this book during the summer.
271
Acknowledgments
I want to thank the two fundamental pillars that have helped me to made this document a reality, my paranymphs: Trishla and Valerie. Thank you for all your help, your enthusiasm, being positive and for being tireless workers. I can anticipate that you both will have large success in the future.
IBD research group and MDL department:
During these years I have felt lucky to work with a group of enthusiastic people and great scientists. People that are always open to help, support and collaborate with each other. It has been a real pleasure working with all the members of the Weersma group. A special mention to Floris, “el presidente”. Our constant dialectic relation and our work side by side has proven very successful. Without your initiative and your persistence, I would not have made it this far. Thank you.
Marijn, Noortje, Suzanne and Rudi thanks for welcoming me and guiding me in my first years in the group. Lieke, thanks for your enthusiasm, for almost forcing me to take coffee breaks every hour and for the gossiping. Although sometimes I have called you DF, I admire your determination. Michiel, Rugge-ro, Yanni, Ineke and Dianne thank you for all the good times at and outside work. Shixian and Ranko, it’s great to have had the opportunity to work with you both, either for “feeding the horse”, as Ranko would say, or for discussing the newest version of Shixian’s analyses. Arno, thanks for your help on my last project as a PhD student. Laura and Marjolein, I’ve learned a lot from your questions! Marjolein please keep all this energy and enthusiasm, and Laura thanks for your sarcasm and perfectionism. I also want to thank the new generation of cyclists from the department (Amber, Fleur, Renate and Kim (a.k.a. radio Kim)) for sharing with me their passion for cycling and science.
Genetics department and “poepgroep”
There are so many people with whom I have shared good times on a professional and personal level that I am sure that I am going to miss some. Beforehand, my apologies.
Marc Jan, thank you for all your patience and for all the time you spent mentoring me, solving my bioinformatics doubts about parameters, tools, etc. Thank you for all your kindness, for never losing your good mood even when the stress levels were high. And thank you for inviting me to the great parties on the boat.
Alex, I have learnt a lot from you. I feel lucky to having been able to work with you. Thank you for all your statistical advice, for sharing your views on the microbiome field with me, and above all, for always being willing to have a beer to celebrate any occasion.
Thanks to the fantastic members of the microbiome group (de poepgroep). Debbie, Eelke, Liamin, Ailine, Marwah, Jelle, Esteban, Johanne, Ayse, Soesma… Thank you for all the brainstorming sessions. Taco, thank you for revealing me that the microbiota also exists outside the gut. Serena, I appreciate all the time you spent advising me on statistics, work and specially your useful advice on what is the best
272 Acknowledgments
food to order at Da Vinci’s. Sana, it is a real pleasure to work and talk about life with you, we have a trip to Russia pending! Silvia, gracias por devolverme la perspectiva de la microbiología al microbioma. Thank you Adriaan, Annique, Niek, Patrick, Pieter, Harm-Jan and so many others with whom I do not have the opportunity to work with on a daily basis, but with whom from time to time I am lucky to share and discuss ideas or to just have a beer with.
A very important part of this adventure has been the colleagues who have almost become a family for me, and with whom I have shared a lot of good times: Vicky, Kieu, Maria, Andres, Raul, Lili, Zuza & Konrad. I could write a whole book just to thank you for all the great time we have spent together.
I also want to mention the magnificent group of people who, although we only shared a small pro-portion of the time I have been in Groningen, helped me to integrate into the city and the department: Javier, Mamen, Juha, Isis, Ania, Anna and others, thanks a lot. Luz Maria (Luz Ma) ha sido y sigue siendo un placer compartir charlas, aventuras (como en Noruega) y frustraciones contigo. Además, has contribuido significativamente a encontrar mi propio camino y a comprender si “voy o vengo”.
Urmo & Cleo, thanks for all the advice, jokes, beers and nights at the O’ceallaigh. I miss you guys here!
Cycling and Sabadell
Groningen has also given me the opportunity to meet wonderful people with whom I share a passion for cycling. Thanks to the people from Spaak for sharing so many hours on the road. Nicole, thanks for pedaling with me before work. Michiel, thanks for all the kudos on Strava, the minimal techno, the good wine and the dinners at Da Vinci. Andrian y Nuria, es un placer compartir cenas y anécdotas que fre-cuentemente giran alrededor del mundo del ciclismo…Gracias por ayudarme a desconectar del trabajo.
També vull agrair a la gent de Sabadell que malgrat la distancia han fet l’esforç de mantenir el con-tacte i l’amistat. Pol, Miquel, Sebes, Roser, Andrea i Albert gràcies per trobar forats a l’agenda, viatjar, escriure de tant en tant i per tot el que heu fet per mi tots aquests anys. Aquesta tesis també és gràcies a tots vosaltres. Tena trobo a faltar les nostres aventures nocturnes i discussions polítiques i futbolístiques de tota mena. Gràcies per ser-hi sempre. Sergi, Alba i Estel gràcies per fer-me sentir com un més de la vostra família cada cop que baixo a Sabadell. Mireia, aquesta aventura va començar, en part, per “culpa” teva. Gràcies per l’espenta necessària per superar pors i per acompanyar-me durant els primers anys. Èlia, Júlia i Laura gràcies per suportar-me durant la carrera. Júlia i Irantzu merci per compartir tot el bioinformatics drama que m’ha portat aquí. Marina, veïna de Badia del Vallès, algún dia ens veurem a Groningen, mentrestant em conformo amb els cafès a Sabadell i saber de les teves aventures. I gràcies Diego per acceptar el repte d’editar aquesta tesis i disculpa si he sigut molt caòtic.
A la bona gent del moviment popular de Sabadell (MPS) que m’han ensenyat tantes coses i que mal-grat totes les contradiccions i dificultats continuen treballant dia a dia, i remant contra corrent, per un món millor.
Finalment, a la meva família, els Vich i els Vila, però especialment els Vich i Vila. Pare, Mare, Miquel, Albert i Helena, per mi sou el millor exemple. Tot el que sóc es en part per vosaltres. Gràcies per la vostra perseverança, constància i alegria. En ook veel dank aan mijn Nederlandse familie: Bettie, Aedge en Julia. Bedankt voor de gezelligheid.
Werna bedankt dat je er altijd bent. Ik kan je niet genoeg bedanken voor alles wat je voor me doet. Ik wil naast je blijven trappen, omdat we samen beter zijn.
