Der probiotische Stamm E. coli Nissle 1917 ist ein Fäkalisolat, das in der Medizin traditionell zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt wird. Durch erfolgversprechende klinische Studien zur Remissionserhaltung bei Colitis ulcerosa, bei denen EcN als therapeutische Alternative zur Standardmedikation eingesetzt wird, ist das Interesse an den Wirkmechanismen von Probiotika stark gestiegen. EcN gehört derzeit zu den am besten untersuchten Probiotika. Einige Wirkmechanismen konnten dadurch schon aufgeklärt werden. So sind vermutlich Strukturkomponenten und stammspezifische Syntheseleistungen an der Ausprägung des probiotischen Phänotyps von EcN beteiligt. Schlüssige Konzepte, die über Gene, Genprodukte und molekulare Mechanismen den probiotischen Effekt von EcN erklären, fehlen bislang. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Genom von EcN analysiert und auf der Basis der Genomsequenz mit anderen E. coli-Stämmen verglichen. Mit Hilfe einer Promotor-Reporter-Fusionsbibliothek (Promotorbank) werden intestinal in vivo regulierte Gene identifiziert und dadurch neue Ansätze zur Untersuchung der probiotischen Eigenschaften von EcN geschaffen. Die Grundlage für die molekulare Analyse von EcN ist die manuelle Nachannotation seines sequenzierten Genoms. Die EcN-Sequenz wird mit 13 weiteren annotierten E. coli-Sequenzen verglichen. Nach dieser Analyse kodiert EcN derzeit 121 stammspezifische Gene. Die Genomstruktur ist mit den enthaltenen genomischen Inseln und Prophagen dem Genom des uropathogenen E. coli CFT073 sehr ähnlich. Mit wenigen Ausnahmen kodiert EcN alle in E. coli CFT073 vorhandenen Virulenz- und Fitnessfaktoren, so dass auf der Nukleotidebene die nahe Verwandschaft dieser beiden Stämme bestätigt werden kann. Zudem kann gezeigt werden, dass EcN in artifiziellen Systemen wie der Zellkultur oder gnotobiotischen Mäusen ein pathogenes Potenzial hat, obgleich die Kolonisierungsfähigkeit pathogener Bakterien durch Inkubation mit EcN herabgesetzt wird. Eine wichtige Rolle bei der Besiedlung des Intestinaltrakts und der Immunstimulation von Darmepithelzellen spielt auch die globale Regulation der Genaktivität bei EcN durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS, der im Gegensatz zu rpoS-Deletionsmutanten zu einer gesteigerten mRNA-Expression des Tight-junction Proteins ZO-1 führt. Des Weiteren führte die Untersuchung von EcN-Deletionsmutanten zu der Schlussfolgerung, dass einige genomische Inseln für Eigenschaften, die das probiotische Verhalten erklären können, eine Rolle spielen. Durch den Einsatz einer Promotorbank von EcN in konventionellen und gnotobiotischen Mäusen werden erstmalig Sequenzen von intestinal in vivo aktiven Promotoren identifiziert. Der Aufbau eines Promotor-Reportergen-Assays mit dem Biolumineszenz erzeugenden luxCDABE-Operon ermöglichte die Untersuchung ausgewählter Promotoren in vitro. Mit einem In Vivo Imaging System (IVIS) kann in weiteren Experimenten die Aktivität dieser Promotoren in lebenden Mäusen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass EcN kein vollkommen harmloser probiotischer Stamm ist. Weitere Informationen über EcN sind dehalb wichtig für eine optimierte Anwendung als Therapeutikum. Die molekulare Analyse ist somit eine unbedingt notwendige Grundlage für weiterführende Untersuchungen der Eigenschaften von EcN, die für seinen probiotischen Charakter verantwortlich sind. / The probiotic E. coli Nissle 1917 is a fecal isolate which is traditionally used for treatment of various gastrointestinal disorders. In clinical trials where EcN was used as therapeutic alternative for remission maintenance of ulcerative colitis compared to standard medication, promising results led to an increased interest in probiotics. Today, EcN is one of the best studied probiotics. Therefore, several mechanisms of action could be enlightened. Structural components and strain-specific products are responsible for its probiotic effects. But conclusive concepts about genes, gene products and molecular mechanisms that really contribute to the probiotic character of EcN have not been offered so far. In order to create new possibilities to elucidate the probiotic traits of EcN the genome is analysed by taking this as a basis for comparison to other E. coli genomes and identification of intestinal in vivo regulated genes using a promoter-trap-library. The sequenced EcN genome is annotated and compared to 13 other so far annotated E. coli genomes. Concerning these analyses EcN encodes 121 strain-specific genes. The genome structure including the genomic islands and prophages is highly homolog to the uropathogenic E. coli CFT073. EcN encodes most of the virulence and fitness factors that are present in E. coli CFT073. Therefore, the close relationship of these two strains is confirmed at nucleotide level. Furthermore, it is shown that in artificial systems like cell culture assays and gnotobiotic mice EcN reveals a pathogenic potential although EcN is able to decrease colonization efficiency of pathogenic bacteria. The alternative sigma factor RpoS that is responsible for global regulation and activity of several genes seems to play an important role during colonization of EcN in the intestine and its immunostimulatory effects on intestinal epithelial cells. Investigation of EcN-deletion mutants lacking genomic islands and prophages lead to the conclusion that some genomic islands may play a role for specific probiotic traits. This is the first time where a promoter-trap-library was used in conventional and gnotobiotic mice for collection of intestinal in vivo active promoters. Constructing and establishing a promoter-reporter gene assay with the bioluminescent luxCDABE operon made the investigation of selected promoters in vitro possible as well as establishing a bioluminescence assay using an In Vivo Imaging System (IVIS) for investigation of promoter activity in living mice. In this research project was shown that EcN is not a completely harmless probiotic. The genome structure and regulatory mechanisms of gene expression are the strain’s molecular traits that lead to probiotic activity and immunostimulatory effects. Therefore, the molecular analyses presented here, together with the complete genome sequence, are a basis for further investigations of mechanisms that are responsible for the probiotic effects of EcN.

Der probiotische Stamm E. coli Nissle 1917 ist ein Fäkalisolat, das in der Medizin traditionell zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt wird. Durch erfolgversprechende klinische Studien zur Remissionserhaltung bei Colitis ulcerosa, bei denen EcN als therapeutische Alternative zur Standardmedikation eingesetzt wird, ist das Interesse an den Wirkmechanismen von Probiotika stark gestiegen. EcN gehört derzeit zu den am besten untersuchten Probiotika. Einige Wirkmechanismen konnten dadurch schon aufgeklärt werden. So sind vermutlich Strukturkomponenten und stammspezifische Syntheseleistungen an der Ausprägung des probiotischen Phänotyps von EcN beteiligt. Schlüssige Konzepte, die über Gene, Genprodukte und molekulare Mechanismen den probiotischen Effekt von EcN erklären, fehlen bislang. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Genom von EcN analysiert und auf der Basis der Genomsequenz mit anderen E. coli-Stämmen verglichen. Mit Hilfe einer Promotor-Reporter-Fusionsbibliothek (Promotorbank) werden intestinal in vivo regulierte Gene identifiziert und dadurch neue Ansätze zur Untersuchung der probiotischen Eigenschaften von EcN geschaffen. Die Grundlage für die molekulare Analyse von EcN ist die manuelle Nachannotation seines sequenzierten Genoms. Die EcN-Sequenz wird mit 13 weiteren annotierten E. coli-Sequenzen verglichen. Nach dieser Analyse kodiert EcN derzeit 121 stammspezifische Gene. Die Genomstruktur ist mit den enthaltenen genomischen Inseln und Prophagen dem Genom des uropathogenen E. coli CFT073 sehr ähnlich. Mit wenigen Ausnahmen kodiert EcN alle in E. coli CFT073 vorhandenen Virulenz- und Fitnessfaktoren, so dass auf der Nukleotidebene die nahe Verwandschaft dieser beiden Stämme bestätigt werden kann. Zudem kann gezeigt werden, dass EcN in artifiziellen Systemen wie der Zellkultur oder gnotobiotischen Mäusen ein pathogenes Potenzial hat, obgleich die Kolonisierungsfähigkeit pathogener Bakterien durch Inkubation mit EcN herabgesetzt wird. Eine wichtige Rolle bei der Besiedlung des Intestinaltrakts und der Immunstimulation von Darmepithelzellen spielt auch die globale Regulation der Genaktivität bei EcN durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS, der im Gegensatz zu rpoS-Deletionsmutanten zu einer gesteigerten mRNA-Expression des Tight-junction Proteins ZO-1 führt. Des Weiteren führte die Untersuchung von EcN-Deletionsmutanten zu der Schlussfolgerung, dass einige genomische Inseln für Eigenschaften, die das probiotische Verhalten erklären können, eine Rolle spielen. Durch den Einsatz einer Promotorbank von EcN in konventionellen und gnotobiotischen Mäusen werden erstmalig Sequenzen von intestinal in vivo aktiven Promotoren identifiziert. Der Aufbau eines Promotor-Reportergen-Assays mit dem Biolumineszenz erzeugenden luxCDABE-Operon ermöglichte die Untersuchung ausgewählter Promotoren in vitro. Mit einem In Vivo Imaging System (IVIS) kann in weiteren Experimenten die Aktivität dieser Promotoren in lebenden Mäusen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass EcN kein vollkommen harmloser probiotischer Stamm ist. Weitere Informationen über EcN sind dehalb wichtig für eine optimierte Anwendung als Therapeutikum. Die molekulare Analyse ist somit eine unbedingt notwendige Grundlage für weiterführende Untersuchungen der Eigenschaften von EcN, die für seinen probiotischen Charakter verantwortlich sind. / The probiotic E. coli Nissle 1917 is a fecal isolate which is traditionally used for treatment of various gastrointestinal disorders. In clinical trials where EcN was used as therapeutic alternative for remission maintenance of ulcerative colitis compared to standard medication, promising results led to an increased interest in probiotics. Today, EcN is one of the best studied probiotics. Therefore, several mechanisms of action could be enlightened. Structural components and strain-specific products are responsible for its probiotic effects. But conclusive concepts about genes, gene products and molecular mechanisms that really contribute to the probiotic character of EcN have not been offered so far. In order to create new possibilities to elucidate the probiotic traits of EcN the genome is analysed by taking this as a basis for comparison to other E. coli genomes and identification of intestinal in vivo regulated genes using a promoter-trap-library. The sequenced EcN genome is annotated and compared to 13 other so far annotated E. coli genomes. Concerning these analyses EcN encodes 121 strain-specific genes. The genome structure including the genomic islands and prophages is highly homolog to the uropathogenic E. coli CFT073. EcN encodes most of the virulence and fitness factors that are present in E. coli CFT073. Therefore, the close relationship of these two strains is confirmed at nucleotide level. Furthermore, it is shown that in artificial systems like cell culture assays and gnotobiotic mice EcN reveals a pathogenic potential although EcN is able to decrease colonization efficiency of pathogenic bacteria. The alternative sigma factor RpoS that is responsible for global regulation and activity of several genes seems to play an important role during colonization of EcN in the intestine and its immunostimulatory effects on intestinal epithelial cells. Investigation of EcN-deletion mutants lacking genomic islands and prophages lead to the conclusion that some genomic islands may play a role for specific probiotic traits. This is the first time where a promoter-trap-library was used in conventional and gnotobiotic mice for collection of intestinal in vivo active promoters. Constructing and establishing a promoter-reporter gene assay with the bioluminescent luxCDABE operon made the investigation of selected promoters in vitro possible as well as establishing a bioluminescence assay using an In Vivo Imaging System (IVIS) for investigation of promoter activity in living mice. In this research project was shown that EcN is not a completely harmless probiotic. The genome structure and regulatory mechanisms of gene expression are the strain’s molecular traits that lead to probiotic activity and immunostimulatory effects. Therefore, the molecular analyses presented here, together with the complete genome sequence, are a basis for further investigations of mechanisms that are responsible for the probiotic effects of EcN.

Escherichia coli are bacteria found in bowels of warm blooded animals. Most subspecies are harmless and part of the normal gut flora. However, E. coli have the ability to exchange genetic material with other bacteria, and some E. coli have acquired genes coding for virulence factors. VTEC, E. coli with the ability to produce verotoxin are commonly found in cattle, but certain types can cause severe disease in humans, known as enterohaemorrhagic E. coli, EHEC.     In this study, isolates of E. coli and other bacteria in the family Enterobacteriaceae from calves were subtyped and clustered using MALDI-TOF. Ten strains were selected for experimental competition analysis against E. coli MG1655.     The aim of the study was to identify strains of bacteria with the potential to outcompete VTEC in the cattle host and decrease the risk of human infections.     Three of the bacterial strains were able to outcompete the laboratory strain, and in future studies these strains can be analysed when competing against VTEC. The rest of the strains were outcompeted. Four known strains of VTEC were analysed competing the laboratory strain, showing weak ability to compete. Finally, a highly pathogenic strain of VTEC was analysed against Escherichia coli Nissle 1917, known for its ability to outcompete many strains of bacteria. Nissle could not outcompete the tested VTEC strain under the tested conditions.     In conclusion the majority of the bacterial strains isolated from calves were identified as E. coli and three of the isolates showed good ability to compete against the laboratory strain.

In der vorliegenden Arbeit wurde in einem in vitro-Modell mit porcinen intestinalen Epithelzellen (IPEC-J2) der Einfluss des probiotischen E. coli Nissle 1917 (EcN) auf die Infektion mit atypischen EPEC (aEPEC) untersucht. EcN reduzierte bei Vorinkubation auf IPEC-J2 die aEPEC-Infektion drastisch. Konfokale Laserscanning- und Elektronenmikroskopie zeigten, dass EcN die Adhäsion und Mikrokoloniebildung inhibierte, jedoch nicht die Ausbildung von Attaching and Effacing-Läsionen adhärenter aEPEC. Der inhibierende Effekt von EcN wurde durch dessen sehr gute Adhäsionsfähigkeit an IPEC-J2 vermittelt. Die F1C-Fimbrien wurden als wichtigster Adhäsionsfaktor von EcN identifiziert. Darüber hinaus waren auch H1-Flagellen durch Ausbildung interbakterieller Verbindungen maßgeblich an der Adhäsion des Stammes beteiligt. In gleichem Maß wie die Vorinkubation von EcN reduzierte die Koinkubation seines Kulturüberstandes die aEPEC-Infektion, was auf die Abgabe eines inhibierenden Faktors in den Kulturüberstand schließen lässt. Dieser Faktor wurde auch von anderen pathogenen sowie nicht pathogenen E. coli-Stämmen in Schüttelkultur gebildet und scheint deshalb nicht spezifisch für EcN zu sein. Jedoch ermöglichte erst die gute Adhäsionsfähigkeit von EcN auf der Epithelzelloberfläche die Abgabe ausreichender Mengen des Inhibitors und eine Beeinflussung der aEPEC-Infektion. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass durch EcN die initiale Anheftung von aEPEC an die Wirtszelle unterbunden wird. Der inhibierende Effekt von EcN auf die aEPEC-Infektion war zeitabhängig. Im Gegensatz zur Vorinkubation erhöhten Ko- und Nachinkubation von EcN die Adhäsion von aEPEC und hatten einen geringeren inhibierenden Effekt auf die Mikrokoloniebildung. Dieser gegensätzliche Effekt auf die Adhäsion von aEPEC wird möglicherweise von einem zweiten Faktor hervorgerufen. Dieser scheint nur dann wirksam zu sein, wenn der inhibierende Faktor in zu geringer Konzentration oder erst nach Adhäsion von aEPEC vorliegt. / In this study, the effects of the probiotic E. coli strain Nissle 1917 (EcN) on host cell infection with atypical enteropathogenic E. coli (aEPEC) were investigated in an in vitro porcine intestinal epithelial cell model (IPEC-J2). In pre-incubation experiments, EcN drastically reduced the infection efficiencies of aEPEC. Using confocal laser scanning microscopy and scanning electron microscopy, it was shown that EcN inhibited the attachment and formation of microcolonies, but not the formation of attaching and effacing lesions by adherent aEPEC. The inhibitory effect was mediated by the adherent properties of EcN to epithelial cells. The F1C fimbriae were identified as the most important adhesion factor of EcN in vitro. Furthermore, the H1 flagellae were also shown to be involved in the adhesion of EcN, serving as bridges between bacterial cells. Co-incubation of culture supernatants of EcN reduced the infection efficiencies of aEPEC to the same extent as in pre-incubation with EcN bacteria, indicating the secretion of an inhibitory factor by EcN. This factor was also secreted by other pathogenic and non-pathogenic E. coli strains in shaking culture and therefore does not appear to be specific for EcN. However, the outstanding ability of EcN to adhere to epithelial cells largely contributes to the secretion of sufficient concentrations of this inhibitory factor und to the influence on the aEPEC infection. The results suggest that EcN interferes with the initial adhesion of aEPEC to host cells. The inhibitory effect of EcN was found to be time-dependent. In contrast to pre-incubation experiments, co- and post-incubation of EcN actually increased the adhesion efficiencies of aEPEC and showed only minor effects on microcolony formation. This second effect of EcN on aEPEC adhesion, possibly due to a second factor, appears only to be effective when the putative inhibitory factor is either present at low concentrations or after aEPEC is already adherent to host cells.

En 2022, le cancer colorectal (CCR) est le deuxième cancer le plus meurtrier au Canada et le troisième dans le monde. Plusieurs facteurs dont l’alimentation, le manque d'activité physique et la génétique, ont été identifiés comme contribuant au développement du CCR. Le microbiote intestinal, une communauté de micro-organismes vivant dans l'intestin de l'hôte, est également associé au développement du CCR, comme particulièrement Escherichia coli productrice de colibactine. Cette génotoxine induit des réticulations inter brin et cassures double brin (DSBs) de l’ADN dans les cellules de mammifères, entraînant des mutations et un risque élevé de développement du CCR. Nous avons pour objectif de contrôler la prolifération et la production de colibactin de la bactérie pks+ E. coli. Nous avons évalué la prévalence des bactéries pks+ et des bactéries bft+ chez des patients atteints de CCR et individus sains de la province de Québec (Canada), en utilisant une cohorte de 156 participants. Nous avons constaté qu'une grande proportion d’individus sains sont colonisés par des bactéries pks+ (42%) et à des niveaux similaires à ceux des patients atteints de CCR (46%). En ce qui concerne la bactérie entérotoxigénique Bacteroides fragilis (ETBF), le gène bft a été détecté chez 21% des contrôles sains et 32% des patients atteints de CCR, et 8% des contrôles sains et 13% des patients atteints de CRC étaient colonisés à la fois par des bactéries pks+ et par ETBF. Comme ces individus sains sont plus susceptibles de développer un CCR, il est vital de fournir des traitements nutritionnels et médicinaux personnalisés pour contrôler la croissance de ces bactéries. Nous avons ensuite étudié l'effet de la supplémentation en prébiotiques sur la génotoxicité des souches de E. coli productrice de colibactine dans un modèle cellulaire. L'inuline et les galacto-oligosaccharides ont augmenté l'expression du gène de la colibactine A chez E. coli pks+, ce qui a été aboli par l'addition de 125 µM de sulfate de fer. La souche de E. coli NC101 (EcNC101) a augmenté les dysplasies et DSBs dans les cellules d'adénocarcinome humain Caco-2, en présence de l'un ou l'autre des oligosaccharides. 6 Nos résultats indiquent que les oligosaccharides aggravent les dommages à l'ADN causés par les bactéries productrices de colibactine. Étant donné la popularité croissante de la supplémentation en prébiotiques et leur facilité d'accès, d'autres études sont nécessaires pour déterminer comment ces prébiotiques peuvent réguler le développement et la progression des tumeurs dans des modèles animaux et chez les humains en présence d'une colonisation par E. coli pks+. Nous avons constaté précédemment que l'inuline avait à la fois des effets protecteurs et des effets promoteurs de tumeurs dans le CCR, et ces divergences peuvent être attribuées à la présence de E. coli pks+. En utilisant le modèle de souris ApcMin/+ de CCR, nous avons cherché à savoir si les bactéries E. coli productrice de colibactine modifiaient la protection conférée par l'inuline contre le développement et la progression des tumeurs. La supplémentation en inuline a conduit à une augmentation de la colonisation par EcNC101, ce qui a entraîné une élévation des DSBs, de la charge tumorale et de la progression tumorale chez les souris ApcMin/+, de manière dépendante à la colibactine. E. coli Nissle 1917 pasteurisé a inhibé la croissance tumorale en inhibant la prolifération de EcNC101 induite par l'inuline. Nos résultats soulignent la nécessité de dépister les bactéries pks+ chez les patients et de leur fournir des conseils nutritionnels préventifs. En résumé, nous avons rapporté que les pré-biotiques, pro-biotiques et post-biotiques peuvent influencer la croissance de E. coli pks+ et/ou la sécrétion de colibactine. Par conséquent, la pertinence de ce projet serait de fournir une thérapie nutritionnelle personnalisée basée sur ces résultats pour les individus colonisés par ces bactéries, qui sont plus enclins à développer un cancer colorectal. / In 2022, colorectal cancer (CRC) was the second deadliest cancer in Canada and the third globally. Factors such as diet, lack of physical activity, and genetics have been identified as contributors to CRC development. The intestinal microbiota, a community of microorganisms living in the host intestine, has been associated with CRC development, particularly the colibactin-producing Escherichia coli. The genotoxin colibactin induces interstrand cross-links (ICLs) double-strand DNA breaks (DSBs) in mammalian cells, resulting in mutations and an elevated risk of CRC development. Therefore, these studies aimed to control the proliferation and production of colibactin of pks+ E. coli. Using a case-control study of 156 participants, we evaluated the prevalence of pks+ bacteria and bft+ bacteria in patients with CRC and healthy controls from the province of Québec (Canada). We found that similar to patients with CRC (46%), a large proportion of healthy controls were colonized by pks+ bacteria (42%). Regarding enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF), the bft gene was observed in 21% of healthy controls and 32% of patients with CRC, with 8% of healthy controls and 13% of patients with CRC colonized by both pks+ bacteria and ETBF. Providing personalized dietary and medicinal treatments to control the growth of these bacteria is necessary because these healthy individuals are more likely to develop CRC. The effect of prebiotic supplementation on the genotoxicity of colibactin-producing E. coli strains was investigated in a cellular model. Inulin and galactooligosaccharide increased the expression of the colibactin A gene in pks+ E. coli, which was abrogated by the addition of 125 µM of iron sulfate. E. coli strain NC101 (EcNC101) increased dysplasia and DSBs breaks in human adenocarcinoma Caco-2 cells, in the presence of both inulin and galactooligosaccharide. Our findings indicate that oligosaccharides aggravate DNA damage caused by colibactin-producing bacteria. 4 Given the increasing popularity and accessibility of prebiotic supplementation, more studies are required to determine how these prebiotics may regulate tumor development and progression in animal models and humans in the presence of pks+ E. coli colonization. Inulin has protective and tumor-promoting effects on CRC; these discrepancies may be attributed to the presence of pks+ E. coli. Using the ApcMin/+ mouse model of CRC, we explored whether colibactin-producing E. coli altered the protection conferred by inulin against tumor development and progression. Inulin supplementation increased EcNC101 colonization, resulting in more DSBs, tumor burden, and tumor progression in ApcMin/+ mice, in a colibactin dependant manner. Pasteurized E. coli Nissle 1917 inhibited tumor growth by reversing inulin-driven EcNC101 proliferation. Our findings emphasized the need to screen patients for pks+ bacteria and provide them with preventive dietary counseling. In summary, we reported that prebiotics, probiotics, and postbiotics could influence pks+ E. coli growth, colibactin secretion, or both. Therefore, the significance of this project lies in providing personalized nutritional-based therapy based on the findings for individuals colonized by these bacteria, who are more prone to develop CRC.

Einleitung: Das Probiotikum E. coli Nissle 1917 (EcN) wird seit einigen Jahren erfolgreich in der Behandlung chronisch entzündlicher Darmerkrankungen angewendet, der zugrunde liegende Wirkmechanismus ist jedoch nur unzureichend geklärt. T-Zellen spielen in der intestinalen Immunhomöostase und der Pathogenese von CED eine zentrale Rolle. Ziel: Den Einfluss von EcN auf humane T-Zellen weitergehend zu charakterisieren. Methoden: CD3-stimulierte periphere und Lamina propria T-Zellen wurden mit verschiedenen Konzentrationen eines E. coli Nissle 1917 konditionierten Mediums (EcN-CM) oder aber hitzeinaktivierten E. coli Nissle 1917 (hi-EcN) kultiviert. Die Expression von zellzyklus- und apoptoseassoziierten Regulationsproteinen sowie DNA-Gehalt, Zellzykluskinetik, Apoptoserate und Zellexpansion wurden durchflusszytometrisch und im Western Blot bestimmt. Die Sekretion von Cytokinen wurde mit dem Cytometric Bead Assay bestimmt. Ergebnisse: EcN-CM, nicht aber hitzeinaktivierte E. coli Nissle 1917 hemmt die Zellzyklusprogression und die Expansion von stimulierten, humanen peripheren T-Zellen. Ursächlich hierfür ist eine verminderte Expression der Cykline A, B1, D2 und E mit einer konsekutiv verminderten Phosphorylierung des Retinoblastomaproteins. Periphere T-Zellen sezernieren unter EcN-CM vermindert IL-2, IFN-gamma und TNF-alpha, während die Sekretion des antiinflammatorischen IL-10 durch EcN-CM heraufreguliert wird. Im Gegensatz zur potenten Beeinflussung des Zellzyklus, wurde die Apoptose von PBT durch E. coli Nissle 1917 nicht moduliert. Während periphere T-Zellen durch EcN-CM in ihrer Zellzyklusprogression und Expansion gehemmt wurden, zeigte sich kein derartiger Effekt auf ortständige Lamina propria T-Lymphozyten. Diskussion: Bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen kommt es zu einer Rekrutierung und Aktivierung von peripheren T-Zellen in die intestinale Mukosa. Durch die differenzielle Beeinflussung des Immunsystems, bei der aktivierte periphere T-Zellen inhibiert, die ortsständigen T-Zellen jedoch in ihrer Funktion nicht gestört werden, könnte E. coli Nissle 1917 dazu beitragen, die mukosale Entzündungsreaktion zu limitieren, während die intestinale Immunhomöostase gewahrt bleibt. Als wirksames Agens kommen kleine, hitzestabile bakterielle Produkte wie Lipopolysaccharide, bakterielle Lipoproteine, CPG-DNA, Lipoteichonsäuren und Peptidoglykane in Frage. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit liefern weitere Hinweise, dass Probiotika einen breiten Einfluss auf das humane Immunsystem haben und decken zugrundeliegende Mechanismen auf. / Introduction: Although probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 (EcN) has been proven to be efficacious for the treatment of inflammatory bowel diseases, the underlying mechanisms of action still remain elusive. T cells play a major role in the pathogenesis of inflammatory bowel disease. Aims: To analyze the effects of E. coli Nissle 1917 on cell cycling and apoptosis of peripheral blood and lamina propria T cells. Methods: Anti-CD3-stimulated peripheral or lamina propria T cells were treated with E. coli Nissle 1917-conditioned medium (EcN-CM) or heat-inactivated E. coli Nissle 1917. Expression of cell cycle or apoptosis related proteins was determined by immunoblotting, DNA content, cell cycle kinetics, cell expansion and apoptosis were measured by flow cytometry. Cytokine levels in culture supernatants were assessed by cytometrc bead array. Results: EcN-CM but not heat-inactivated EcN inhibits cell cycling and expansion of peripheral T cells. EcN-CM decreases expression of Cyclin A, B1, D2 and E and thus reduces phosphorylation of retinoblastomaprotein in CD3-stimulated peripheral T cells. Further, secretion of proinflammatory cytokines IL-2, IFN-gamma and TNF-alpha is reduced while antiinflammatory IL-10 is increased under treatment with EcN-CM. In contrast to peripheral T cells, expansion and cell cycle progression of lamina propria T cells was not affected by EcN-CM. Apoptosis of was not modulated by EcN-CM. Discussion: The differential reaction of circulating and tissue-bound T cells towards E. coli Nissle 1917 may explain the beneficial effect of EcN in intestinal inflammation. EcN may downregulate the expansion of newly recruited T cells into the mucosa and thus limit intestinal inflammation, while already activated tissue-bound T cells may eliminate deleterious antigens in order to maintain immunological homeostasis. Possible agents, for which immunomodulatory effects are known, include heat-stable bacterial products like lipopolysaccharids, bacterial lipoproteins or bacterial DNA-motifs.

The use of probiotics has emerged in the last decades as a promising strategy when it comes to the treatment of inflammatory diseases. Through modulation of composition of the intestinal microbiota and the signalling it provides, probiotics can favourably tune the immune system. Beneficial effects of probiotic treatment have been documented in multiple animal inflammatory disease models. The effect of probiotic treatment on uveitis-a sight- threatening disease-has however not yet been described. In our study, we have tested two commercially available probiotics-Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) and Escherichia coli O83:K24:H31 (EcO)-in the treatment of experimental autoimmune uveitis (EAU). The disease severity was assessed by ophthalmoscopy and histology, proportions of leukocyte populations and intracellular expression of cytokines were evaluated by flow cytometry and the gut immune environment was analysed by tissue culture and ELISA. We found that prophylactic and early oral treatment with EcN reduces the severity of EAU. However, EcO treatment does not. The effects were accompanied by immune changes including a lowered production of inflammatory cytokines in Peyer's patches, a shift in macrophage populations in ileum and mesenteric lymph nodes or a reduced IRBP-specific response of CD4+ T...