Medication exposures, intestinal microbiota alterations and Clostridium difficile colonization and infection in hospitalized patients Caroline Vincent Department of Microbiology and Immunology McGill University, Montréal August 2015 A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy © Caroline Vincent, 2015 ABSTRACT lostridium difficile infection (CDI) is the leading cause of infectious diarrhea in hospital settings. Broad-spectrum antimicrobials and other medications such as C proton pump inhibitors can disrupt the integrity of the intestinal microbiota, thereby impairing colonization resistance and allowing C. difficile to infect the gut. In this thesis, I used a variety of metagenomic approaches to investigate the complex relationships between medication exposures, intestinal microbiota composition, intestinal epithelium integrity and subsequent development of C. difficile colonization or infection in two distinct patient populations. Fecal specimens collected prior to the onset of C. difficile colonization or infection were evaluated by 16S ribosomal RNA gene or whole metagenome shotgun sequencing to examine the structure and diversity of the intestinal microbiota and quantify host DNA excretion (as a marker of intestinal inflammation) during the at-risk period. Cephalosporin and fluoroquinolone exposure decreased the frequency of Clostridiales Incertae Sedis XI and use of laxatives was associated with reductions in the abundance of secondary bile-acid producers (Clostridium and Eubacterium genera). The diversity of the intestinal microbiota was significantly reduced prior to an episode of CDI, while human DNA excretion was increased. Cephalosporin and fluoroquinolone use, as well as a decrease in the abundance of Clostridiales Incertae Sedis XI were significantly and independently associated with risk of CDI. In contrast to CDI cases, asymptomatic patients exhibited elevated abundances of potentially protective bacterial taxa at the onset of C. difficile colonization, such as Clostridiales Incertae Sedis XI, Clostridium and Eubacterium. These results indicate that intestinal colonization with key ii bacterial taxa may prevent C. difficile overgrowth or the transition from asymptomatic colonization to CDI and these protective microorganisms could be used as targets to restore colonization resistance against C. difficile. iii RÉSUMÉ ’infection à Clostridium difficile (ICD) est la principale cause de diarrhée infectieuse en milieu hospitalier. Les antimicrobiens à large spectre et autres médicaments tels que L les inhibiteurs de la pompe à proton peuvent perturber l’intégrité du microbiote intestinal, compromettant ainsi la resistance à la colonization par des pathogènes et permettant à C. difficile d’infecter l’intestin. Dans cette thèse, j’ai utilisé une variété d’approches métagénomiques afin d’investiguer les liens complexes entre l’exposition aux medicaments, la composition du microbiote intestinal, l’intégrité de l’épithélium intestinal et le développement subsequent de colonization ou d’ICD dans deux populations de patients distinctes. Des échantillons fécaux collectés avant la survenue de colonization ou d’ICD ont été évalués par séquençage du gène d’ARN ribosomal 16S ou de fragments aléatoires du métagénome entier afin d’examiner la structure et la diversité du microbiote intestinal et de quantifier l’excrétion d’ADN hôte (en tant que marqueur d’inflammation intestinale) durant la période à risque. L’exposition aux céphalosporines et aux fluoroquinolones a diminué la fréquence des Clostridiales Incertae Sedis XI et l’utilisation de laxatifs était associée à une reduction dans l’abondance de producteurs d’acides biliaires secondaires (genres Clostridium et Eubacterium). La diversité du microbiote intestinal était significativement réduite avant un épisode d’ICD, alors que l’excrétion d’ADN human était accrue. L’utilisation de céphalosporines et de fluoroquinolones, de même qu’une diminution de l’abondance des Clostridiales Incertae Sedis XI sont significativement et indépendamment associés au risque d’ICD. Contrairement aux cas d’ICD, les patients asymptomatiques démontraient une abondance élevée de taxa iv bactériens potentiellement protecteurs lors de l’apparition de la colonization par C. difficile, tels que Clostridiales Incertae Sedis XI, Clostridium et Eubacterium. Ces résultats indiquent que la colonization de l’intestin par des taxa bactériens clés pourrait prévenir la proliferation du C. difficile ou la transition d’une colonization asymptomatique à une ICD et ces microorganismes protecteurs pourraient être utilisés comme cible afin de restaurer la resistance à la colonization par C. difficile. v TABLE OF CONTENTS ABSTRACT ............................................................................................................................... ii RÉSUMÉ ................................................................................................................................. iv TABLE OF CONTENTS ............................................................................................................. vi ACKNOWLEDGEMENTS ......................................................................................................... xvi CONTRIBUTION OF AUTHORS ............................................................................................. xviii ORIGINALITY AND CONTRIBUTIONS TO KNOWLEDGE ............................................................ xx LIST OF ABBREVIATIONS ...................................................................................................... xxii CHAPTER 1. INTRODUCTION ................................................................................................... 1 1.1. Clostridium difficile infection ........................................................................................ 1 1.1.1. Characteristics of C. difficile .......................................................................................... 1 1.1.2. Definitions ..................................................................................................................... 2 1.1.3. Epidemiology ................................................................................................................. 3 1.1.4. Transmission ................................................................................................................. 4 1.1.5. Pathogenesis ................................................................................................................. 5 1.1.6. Risk factors .................................................................................................................... 6 1.1.7. Asymptomatic C. difficile colonization .......................................................................... 8 1.1.8. Recurrent CDI ................................................................................................................ 9 1.1.9. Genomic characteristics of C. difficile and strain typing methods .............................. 10 1.1.10. Diagnostic tests ......................................................................................................... 12 1.1.10.1. Toxigenic culture and cell cytotoxicity neutralization assay ........................................................... 12 vi 1.1.10.2. Enzyme immunoassay .................................................................................................................... 13 1.1.10.3. Nucleic acid amplification tests ...................................................................................................... 13 1.1.11. Treatment ................................................................................................................. 14 1.1.11.1. Definitions ...................................................................................................................................... 14 1.1.11.2. Management of mild, moderate and severe CDI ........................................................................... 14 1.1.11.3. Management of fulminant CDI ....................................................................................................... 16 1.1.11.4. Management of recurrent CDI ....................................................................................................... 17 1.1.11.5. Probiotics ........................................................................................................................................ 17 1.1.11.6. Immunotherapy .............................................................................................................................. 18 1.1.12. Prevention and infection control .............................................................................. 19 1.2. Human intestinal microbiota ...................................................................................... 20 1.2.1. General characteristics ................................................................................................ 20 1.2.2. Intestinal microbiota variations in health and disease ............................................... 22 1.2.3. The intestinal microbiota in the context of development and aging .......................... 23 1.2.4. Large-scale studies of the human microbiome ........................................................... 24 1.2.5. Structure and function of the intestinal microbiota in healthy adults ........................ 25 1.2.6. Methods to study the human gut microbiota ............................................................