Der probiotische Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) ist eines der wenigen Probiotika, die als aktive Komponente eines Medikaments in mehreren Ländern zugelassen sind. Am besten ist die Wirksamkeit des EcN für die Remissionserhaltung von an Colitis Ulcerosa leidenden Patienten dokumentiert. Diese Fähigkeit ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass EcN in der Lage ist die Produktion des humanen beta-Defensins 2 (HBD2) mittels seiner Flagelle zu Induzieren. In dieser Studie wurden rekombinante EcN Stämme konstruiert, die ein Defensin zu produzieren vermögen. Zu diesem Zweck wurden Kodon-optimierte Defensingene in Expressionsplasmidvektoren kloniert, die entweder die Proform mit der Signalsequenz oder die reife Defensinform des humanen -Defensins 5 (HD5) oder des humanen -Defensins 2 (HBD2) unter der Kontrolle des T7-Promotors kodieren. Die Synthese dieser Defensine wurde mittels Western-Blot nach der Induktion der Expression und der Lyse der rekombinanten EcN Stämme demonstriert. Das rekombinante reife HBD2 mit einem N-terminalen His-Tag konnte mittels Ni-Säulen-Chromatographie aufgereinigt werden. Das so gewonnene HBD2 zeigte antimikrobielle Aktivität gegen E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes. In einem zweiten Ansatz wurde der Teil des HBD2-Gens mit dem yebF-Gen fusioniert, der das reife HBD2 kodiert. Das resultierende Fusionsprotein YebFMHBD2 wurde von dem entsprechenden EcN Stamm nach Induktion der Expression sekretiert. Die Präsenz von YebFMHBD2 im Medium war nicht das Ergebnis von Zellyse wie Western-Blots spezifisch für die -Galaktosidase und das Maltose-Bindeprotein mit dem Kulturüberstand zeigten. Dieser Kulturüberstand inhibierte das Wachstum von E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes nach Dialyse und Aufkonzentration sowohl in Agardiffusionsassays als auch in Flüssigcokultur. Damit konnte gezeigt werden, dass EcN ein für die Produktion von bestimmten humanen Defensinen geeignetes Probiotikum darstellt. EcN ist bei der Behandlung von Morbus Crohn Patienten nicht aktiv. Dies ist vermutlich in der genetisch bedingten Unfähigkeit zur ausreichenden Defensinproduktion solcher Individuen begründet. Als ein erster Schritt in der Entwicklung von alternativen Ansätzen zur Behandlung Morbus Crohn Patienten wurden in dieser Arbeit EcN Stämme konstruiert, die in der Lage sind HD5 oder HBD2 zu produzieren. / The probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 (EcN) is one of the few probiotics licensed as a medication in several countries. Best documented is its effectiveness in keeping patients suffering from ulcerative colitis (UC) in remission. This might be due to its ability to induce the production of human beta defensin 2 (HBD2) in a flagellin-dependent way in intestinal epithelial cells. In contrast to ulcerative colitis, for Crohn´s disease (CD) convincing evidence is lacking that EcN might be clinically effective, most likely due to the genetically based inability of sufficient defensin production in CD patients. As a first step in the development of an alternative approach for the treatment of CD patients, EcN strains were constructed which were able to produce human alpha-defensin 5 (HD5) or beta-defensin 2 (HBD2). For that purpose codon-optimized defensin genes encoding either the proform with the signal sequence or the mature form of human alpha defensin 5 (HD5) or the gene encoding HBD2 with or without the signal sequence were cloned in an expression vector plasmid under the control of the T7 promoter. Synthesis of the encoded defensins was shown by Western blots after induction of expression and lysis of the recombinant EcN strains. Recombinant mature HBD2 with an N-terminal His-tag could be purified by Ni-column chromatography and showed antimicrobial activity against E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes. In a second approach, that part of the HBD2-gene which encodes mature HBD2 was fused with yebF gene. The resulting fusion protein YebFMHBD2 was secreted from the encoding EcN mutant strain after induction of expression. Presence of YebFMHBD2 in the medium was not the result of leakage from the bacterial cells, as demonstrated in the spent culture supernatant by Western blots specific for ß-galactosidase and maltose-binding protein. The dialyzed and concentrated culture supernatant inhibited the growth of E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes in radial diffusion assays as well as in liquid coculture. This demonstrates EcN to be a suitable probiotic E. coli strain for the production of certain defensins.

Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) gehört zu den am besten untersuchten und charakterisierten probiotischen Bakterienstämmen. Seit Beginn des letzten Jahrhunderts wird er als Medikament eingesetzt, um verschiedene Darmerkrankungen wie z.B. Diarrhöe, entzündliche Darmerkrankungen und Verstopfung zu behandeln. Die Flagelle des EcN vermittelt Beweglichkeit und kann die Produktion von humanem β-Defensin 2 (hBD2) durch Epithelzellen induzieren. Somit ist dieses Organell direkt in die probiotische Funktion des EcN involviert. Es konnte gezeigt werden, dass die Flagellen anderer Bakterien, wie z.B. dem probiotischen Stamm Bacillus cereus CH oder den pathogenen Stämmen Pseudomonas aeruginosa und Clostridium difficile, die Adhäsion an intestinalen Mucus, welcher von Epithelzellen sekretiert wird, vermitteln. Allerdings blieb unklar, welcher Teil der Flagelle an welche Mucuskomponente bindet. Die Fähigkeit effizient an Wirtgewebe zu adhärieren wird als wichtiges Attribut eines probiotischen Stammes angesehen. Ex vivo Adhäsionsstudien mit Kryoschnitten humaner Darmbiopsien haben gezeigt, dass die Flagelle des EcN in die effiziente Adhäsion an humanes Darmgewebe involviert sein muss. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Funktion der Flagelle des EcN als Adhäsin untersucht. Zunächst wurde die hyperflagellierte Variante EcN ATHF isoliert und durch verschiedene Experimente, z.B. Schwärmagartests und Elektronenmikroskopie, charakterisiert. Weitere ex vivo Adhäsionsstudien mit EcN ATHF zeigten eine höhere Adhäsionseffizienz dieser hyperflagellierten Variante und bestätigten damit die Rolle der Flagelle bei der effizienten Adhäsion von EcN an die Kryoschnitte der humanen Darmbiopsien. Interessanterweise fungierte die Flagelle in in vitro Studien mit den humanen Epithelzellen Caco-2 und T24 nicht als Adhäsin. Diese Unterschiede zwischen den in vitro und ex vivo Studien führten zu der Annahme, dass die Flagelle des EcN in vivo die Adhäsion an Mucus vermittelt, welcher von den Caco-2- und T24-Zellen nicht produziert wird, aber in den Kryoschnitten der Darmbiopsien nachgewiesen wurde. Diese Vermutung wurde durch in vitro Adhäsionsstudien mit der Mucin-produzierenden Epithelzelllinie LS174-T bestätigt, da die Flagellen für eine effektive Adhäsion an diese Zellen essentiell waren. Zudem reduzierte die Präinkubation flagellierter EcN-Stämme mit Mucin2 ihre Adhäsionseffizienz an Kryoschnitte humaner Darmbiopsien. Um die direkte Interaktion zwischen Flagellen des EcN Wildtyps und Mucus zu zeigen, wurde ein ELISA etabliert. Es konnte eine direkte konzentrationsabhängige Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und Mucin2, bzw. humanem Mucus (Kolon) beobachtet werden. Interessanterweise konnte keine Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und murinem Mucus (Duodenum, Ileum, Caecum, Colon) festgestellt werden. Dies weist darauf hin, dass die Mucuszusammensetzung zwischen verschiedenen Spezies variiert. Verschiedene Kohlenhydrate, welche bekannte Mucusbestandteile sind, wurden auf ihre Interaktion mit der Flagelle von EcN getestet und Gluconat wurde als ein Rezeptor identifiziert. Die Präinkubation isolierter Flagellen mit Gluconat reduzierte ihre Interaktion mit Mucin2, bzw. humanem Mucus signifikant. Zudem wurde die oberflächenexponierte Domäne D3 des Flagellins, der Hauptuntereinheit der Flagelle, als möglicher Interaktionspartner von Mucin2, bzw. humanem Mucus ausgeschlossen. Flagellen, die aus einer Domäne D3 Deletionsmutante isoliert wurden, zeigten sogar eine effizientere Bindung an Mucin2, bzw. humanen Mucus. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Änderungen des pH-Wertes signifikante Effekte auf die Interaktion zwischen Mucus und isolierten Flagellen hatten, vermutlich aufgrund von Konformationsänderungen. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Flagelle als neues und scheinbar wichtigstes Adhäsin in vivo für den probiotischen Stamm EcN identifiziert. Hierfür wurden sowohl eine hyperflagellierte Variante, eine ΔfliC Mutante, sowie der dazugehörige komplementierte Stamm verwendet. EcN ist zudem der erste probiotische Stamm für den eine direkte Bindung der Flagellen an humanen Mucus nachgewiesen werden konnte. Die Mucuskomponente Gluconat konnte dabei als wichtiger Rezeptor identifiziert werden. Da einige pathogene Bakterien ihre Flagelle zur Adhäsion an Wirtsgewebe nutzen, könnte dieses Organell EcN dazu befähigen, mit Pathogenen um die erfolgreiche Kolonisierung des Darms zu konkurrieren, was als wichtige Eigenschaft eines Probiotikums betrachtet wird. / Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) is one of the best studied and characterized probiotic bacterial strains. It is in use as a drug since the beginning of last century to treat various diseases and dysfunctions of the human intestinal tract, e.g. diarrhea, inflammatory bowel diseases and obstipation. The flagellum of EcN mediates motility and is able to induce human beta defensin 2 (hBD2) production by epithelial cells. Therefore, this organelle is directly involved in EcN’s probiotic function. It has been shown that the flagella of several other bacteria, including the probiotic strain Bacillus cereus CH or the pathogenic strains Pseudomonas aeruginosa and Clostridium difficile, mediate adhesion to intestinal mucus, which is secreted by epithelial cells. However it remained unclear which part of the flagella binds to which mucus component. The ability to adhere efficiently to host tissue is considered to be an important attribute for a probiotic strain. Ex vivo adhesion studies with cryosections of human gut biopsies have revealed, that the flagellum of EcN must be involved in efficient adhesion to human intestinal tissue. Thus, the function of EcN’s flagellum as an adhesin was investigated in this work. First, the hyperflagellated variant EcN ATHF was isolated and characterized by several experiments, e.g. motility tests and electron microscopy. Further ex vivo adhesion studies with EcN ATHF demonstrated a higher adhesion efficiency of this hyperflagellated variant confirming the role of the flagellum for adhesion of EcN to cryosections of human gut biopsies. Interestingly, EcN’s flagellum did not function as an adhesin in in vitro adhesion studies with the human epithelial cells Caco-2 and T24. These differences between the in vitro and ex vivo studies led to the assumption, that in vivo the flagellum of EcN mediates adhesion to mucus, which is not produced by Caco-2 and T24 cells, but was shown to be present in the cryosections of human gut biopsies. This was confirmed by in vitro adhesion studies with the mucin-producing epithelial cell line LS174-T, as flagella were essential for efficient adhesion to these cells. Furthermore, preincubation of flagellated EcN strains with mucin2 (porcine stomach) reduced their adhesion effiency to cryosections of human gut biopsies. To demonstrate the direct interaction between flagella from EcN wildtype and mucus, an ELISA was established. A direct concentration-dependent interaction between isolated flagella from EcN wildtype and mucin2 as well as human mucus (Colon) could be observed. In contrast, there was no direct interaction between isolated flagella from EcN wildtype and murine mucus (Duodenum, Ileum, Ceacum, Colon), indicating that mucus composition varies among different species. By testing different carbohydrates - known to be constituents of mucus - for their interaction with the flagellum of EcN, gluconate was identified as one receptor. Preincubation of isolated flagella with gluconate significantly reduced their interaction with mucin2 or human mucus. Additionally, the surface exposed domain D3 of flagellin, the major subunit of the flagellum, could be excluded to be responsible for the interaction with mucin2 or human mucus. Flagella, which were isolated from a domain D3 deficient mutant, bound even more efficient to mucin2 as well as to human mucus. Furthermore the change of pH had significant effects on the interaction between mucus and isolated flagella, probably due to conformational changes. In summary, this study identified the flagellum as a novel and apparently major adhesin in vivo of the probiotic EcN by employing a hyperflagellated variant, a ΔfliC mutant as well as the corresponding complemented strain. Additionally, EcN is so far the first probiotic strain, for which it has been shown, that its flagella directly bind to human mucus. Thereby the mucus component gluconate was identified as an important receptor. As some pathogens have been reported to use their flagella for adhesion to human host tissue, this organelle might enable EcN to compete with pathogens for successful colonization of the gut, which has been postulated to be a prerequisite for probiotics.

Die Hemmwirkung des regelmäßigen Konsums probiotischer Lactobacillus reuteri-Stämme auf die Ausprägung oraler Entzündungen ist mittlerweile durch eine ganze Reihe klinischer Interventionsstudien gut belegt. Die allgemeinen Lebensumstände der untersuchten Probanden waren dabei jedoch in der Regel wenig standardisiert, so dass eine mögliche Beeinträchtigung der Validität der Studiendaten durch nicht kontrollierte externe Faktoren wie etwa Lebensstil oder Ernährung bislang nicht ausgeschlossen werden konnte. Daher war es das Ziel dieser prospektiven, randomisierten, doppelt verblindeten und placebokontrollierten Interventionsstudie über einen Beobachtungszeitraum von sechs Wochen die Auswirkungen des täglichen Konsums probiotischer, L. reuteri-haltiger Lutschtabletten auf Parameter der oralen Gesundheit von 72 Besatzungsmitgliedern einer Fregatte der Deutschen Marine zu evaluieren, die während einer Einsatzvorbereitung in See unter weitgehend vergleichbaren Lebens- und Ernährungsbedingungen ihren Dienst versahen. Zu Studienbeginn, sowie nach zwei und sechs Wochen wurden an den Ramfjordzähnen (Zähne 16, 21, 24, 36, 41, 44) der Probanden die Anzahl der auf Sondierung blutenden Zahnfleischtaschen (BoP) als primärem Studien-endpunkt erfasst. Darüber hinaus wurden als sekundäre Endpunkte die Taschensondierungstiefe (PPD), das klinische Attachmentniveau (CAL), der Gingival-Index (GI) und der Plaque Control Record (PCR) aufgezeichnet. Mit Hilfe einer doppelt verblindeten Zuteilungsstrategie wurden die Probanden zufällig der L. reuteri-Gruppe (n=36) oder der Placebogruppe (n=36) zuge-ordnet. Sie erhielten nachfolgend einen für die Studiendauer ausreichenden Vorrat an L. reuteri- oder Placebo-Lutschtabletten mit der Anweisung, diese in den nächsten sechs Wochen zweimal täglich zu konsumieren. 30 Probanden der L. reuteri-Gruppe sowie 32 Probanden der Placebogruppe beendeten die Studie mit vollständig erfassten Datensätzen. Ihre Analyse enthüllte für die L. reuteri-Gruppe einen signifikanten (p<0,001) Rückgang der beobachteten BoP-Mittelwerte von initial 41% (±22 SD) aller erfassten Messstellen auf 10 % (±13 SD) nach sechs Wochen. In der Placebogruppe hingegen kam es während des Beobachtungszeitraums zu einer signifikanten (p=0.05) Zunahme der BoP-Mittelwerte gegenüber der Ausgangssituation von initial 37 % (±20 SD) auf 43 % (±17 SD) am Studienende. Auch bezüglich aller sekundären Endpunkte (PPD, CAL, GI, PCR) konnte in der L. reuteri-Gruppe eine signifikante Verbesserung der oralen Gesundheit zwischen Studienbeginn und Studienende beobachtet werden, während sich wiederum in der Placebo-Gruppe im Beobachtungszeitraum eine statistisch verifizierbare Verschlech¬terung aller erfassten sekundären Endpunkte ergab. Die Ergebnisse dieser unter weitgehend kontrollierten Lebens- und Ernährungsbedingungen durchgeführten Untersuchung belegen, dass der regelmäßigem Konsum probiotischer, L. reuteri-haltiger Lutschtabletten unter den Einsatzbedingungen in See nicht nur eine in der Placebogruppe beobachtete Verschlechterung der oralen Gesundheit verhinderte, sondern diese vielmehr im Vergleich zum Ausgangsbefund signifikant verbesserte. Der adjunktive Konsum L. reuteri-haltiger Lutschtabletten könnte daher eine kostengünstige und einfach zu implementierende Maßnahme darstellen, um einer unter militärischen Einsatzbedingungen häufiger zu beobachtenden Verschlechterung der oralen Gesundheit wirksam vorzubeugen. / The inhibitory effect of the regular consumption of probiotic Lactobacillus reuteri strains on the occurrence of oral inflammations has been established by numerous clinical intervention trials. In general however social ,dietary and environmental conditions of the study subjects were not well controlled, so that so far, it could not be precluded, that the validity of the recorded data may have been possibly impaired by external interference factors like lifestyle and nutrition. Therefore it was the aim of this prospective, randomized, double-blind placebo controlled intervention trial to evaluate the impact of the daily consumption of probiotic L. reuteri-containing lozenges on parameters of oral health in 72 crew members of a frigate of the German Navy over an observation period of 6 weeks during a practicing mission at sea under broadly comparable living and dietary conditions. At baseline, as well as after two and six weeks the number of periodontal pockets showing bleeding on probing (BoP) on the Ramfjord teeth (16, 21, 24, 36, 41, 44) were recorded as the primary study outcome. Additionally pocket probing depth (PPD), periodontal attachment level (PAL), Gingival Index (GI) and Plaque Control Record (PCR) were recorded as secondary study outcomes. Using a computer generated random list study subjects were randomly assigned to either the L. reuteri (n=36) or the placebo group (n=36), provided with a supply of experimental L. reuteri- or placebo lozenges and instructed to consume them twice daily for the next 6 weeks. 30 subjects of the L. reuteri and 32 subjects of the placebo group finished the study with complete data sets. For the L. reuteri group statistical analysis revealed a significant (p<0.001) reduction of the observed percentage of BoP positive sites from 41% (±22 SD) at baseline to 10% (±13) at 6 weeks. In the placebo group by contrast a significant increase (p<0.05) of the percentage of BoP positive sites from 37% (±20 SD) at baseline to 43% (±17%) at 6 weeks was recorded. Also regarding the secondary study outcomes (PPD, CAL, GI, PCR) a significant improvement of all assessed parameters was observed in subjects of the L. reuteri group, while in the placebo group a significant deterioration was recorded. The results of this intervention trial performed under broadly controlled comparable living and dietary conditions revealed, that the regular consumption of probiotic L-reuteri-containing lozenges during a practicing mission at sea not only prevented a deterioration of oral health as documented for the placebo group but even improved the status of oral health when compared to baseline values. The adjunctive consumption of L.reuteri-containing lozenges may therefore present a cost-efficient and easy implementable measure for the prevention of oral health deterioration under military operational conditions.

Aktualität des Themas. Wir haben nicht so viele Daten über den Einfluss des Probiotikums auf die Schlachtkörper und Fleischqualität, die Parameter des Blutes. Forschungsziel – wir sollten den Einfluss des Probiotikums Bonvital auf die Blutparameter, Schlachtkörper und Fleischqualität von Mastschweinen feststellen. Im Verlauf der beiden Versuche wurde der Gesundheitszustand der Tiere beobachtet. Dieser kann als normal eingeschätzt werden. Veterinärmedizinische Präparate kamen nicht zum Einsatz. Im Verlauf der versuche wurden auch biochemischen Parameter vom Blut beobachtet. Diese Parameter enschprachen den Normen an Anfang und am Ende der Versuche. Auf die Parameter des Blutes hatte die Bonvital Ergänzung der Futtermischungen keinen signifikanten Einfluss. Am Prüfende erfolgte eine Kontrollschlachtung der Schweine. Nach der Schlachtung wurden Schlachtausbeute, Magerfleischanteil, chemische und physikalische Fleischparameter ermittelt. Die Schweine, die bekamen die Bonvital Ergänzung oder nicht M. longissimus dorsi haben fast die gleichen chemische und physikalische (wie Trockensubstanz, Organische Substanz, Rohprotein, Rohasche, pH-Wert) Parameter des Fleisches. Der Positive Effekt des Probiotikums wurde auf Scherkraft festgestellt. Im Verlauf der beiden Versuche, wen wir vergleichen die Kontrollgrupe und Versuchsgrupe II, dieser Parameter war 8 – 34 %. Im beiden Versuchen das Wasserbindungsvermögen des Fleisches von den Tieren, deren Futter mit Bonvital supplementiert war, im... [to full text]

Universiẗat, Diss., 2004--München.

Thesis (doctoral)--Freie Universität Berlin, 2005.

Tierärztliche Hochsch., Diss., 2005--Hannover.

Zugl.: Bonn, Univ., Diss., 2009

No description available.

The work was comprehensively focused on the development of adhesive forms of probiotics in the form of a biofilm on combined carriers with a prebiotic component. The second part dealed with the influence of food on the multiplication and survival of selected types of probiotic bacteria. Subsequently, the effect of individualized probiotic supplements on changes in the human intestinal microbiome was monitored. Suitable adherent probiotic strains for biofilm formation were selected and tested. Methods have been introduced and different variants of carriers for culturing and binding bacteria have been tested. In vitro experiments verified the stability of biofilm stucture and its resistance to low pH, bile and antibiotics in comparison with the planktonic cell form. The antimicrobial effect of probiotic strains in the form of a biofilm was studied. The cultivation of the multispecies biofilm on the combined carrier was optimized and the stability of the biofilm and the final viability of probiotic bacteria were confirmed. Furthermore, the influence of various foods and beverages on the viability of probiotic bacteria was evaluated with emphasis on the simulation of passage through the gastrointestinal tract. Both models, solutions with standardised concentrations of alcohol, sugar, salts, proteins or different pH and different types of real foods and beverages were tested. The effect of food and beverages was tested on monocultures of Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium breve and on probiotic capsules containing a mixed culture of probiotic microorganisms. The survival of probiotics in various food matrices in the simulated gastrointestinal tract was quantitatively different. We managed to define foods suitable for supporting the multiplication of probiotic bacteria. A separate part of the work was focused on the targeted modulation of the intestinal microbiome by individualized probiotics that were prepared on the basis of molecular biological analyzes of the intestinal microbiome aimed at detecting the percentage of lactobacilli, bifidobacteria and phylum Firmicutes and Bacteroidetes. Personalized probiotic supplementation confirmed the positive effect of this approach on microbiome changes, especially on the increase of the content of lactobacilli, bifidobacteria and the overall diversity of the microbiome.