Extracellular vesicles from microbiota-derived Escherichia coli strains as a postbiotic strategy to Enhance intestinal maturation and modulate gut-liver and gut-brain communication axes

Abstract

[eng] The intestinal microbiota plays a crucial role in maintaining mucosal and systemic homeostasis, particularly during early life when the immune and epithelial systems are still developing. Among microbial-derived components, extracellular vesicles (EVs) produced by beneficial gut bacteria have emerged as promising postbiotic agents capable of modulating host physiology beyond the gut. This thesis investigates the immunomodulatory, antiviral, metabolic, and neurodevelopmental effects of EVs derived from Escherichia coli strains EcN (probiotic) and EcoR12 (commensal) in in vivo neonatal and in vitro models. In healthy neonatal rats, oral administration of E. coli EVs enhanced humoral and cellular immune responses, promoted intestinal epithelial maturation, and accelerated the development of a balanced Th1/Th2 immune profile without inducing inflammation. In a neonatal rotavirus infection model, EV treatment reduced diarrhea severity, preserved mucosal integrity, and stimulated virus-specific immunity. These protective effects were linked to the modulation of serotonin-related pathways and mucin secretion. Beyond the gut, administered EVs reached the liver and induced gene expression profiles favoring anti-inflammatory, antioxidant, and lipid oxidation pathways, supporting their role in gut–liver axis communication under physiological conditions. In In vitro cellular models derived from human inducible pluripotent steam cells (iPSC), EVs upregulated the expression of tight junction proteins in intestinal organoids and enhanced dendritic branching during neuronal differentiation. These findings suggested that microbiota EVs may have a dual action along the gut–brain axis, modulating intestinal epithelial barrier integrity and neurodevelopment. Collectively, the findings presented in this thesis position EcN- and EcoR12-derived EVs as safe and effective postbiotic candidates capable of supporting early-life immune and epithelial maturation, enhancing antiviral defenses, and modulating organ functions across diverse gut-organ axis. Moreover, they provide a strong rationale for further investigation of microbiota-derived EVs in disease-relevant models and future translational studies.

[cat] La microbiota intestinal juga un paper essencial en el manteniment de la homeòstasi de intestinal i sistèmica, especialment durant les primeres etapes de la vida, quan els sistemes immunitari i epitelial encara estan en desenvolupament. Entre els components derivats de la microbiota, les vesícules extracel·lulars (EVs) produïdes per bacteris intestinals beneficiosos estan emergint com a agents postbiòtics prometedors, capaços de modular la fisiologia de l’hoste més enllà de l’intestí. Aquesta tesi estudia els efectes immunomoduladors, antivírics, metabòlics i sobre el desenvolupament neuronal de les EVs derivades de soques d’Escherichia coli, EcN (probiótica) i EcoR12 (commensal), mitjançant models in vivo emprant rates neonatals i models cel·lulars in vitro. En rates lactants sanes, l’administració oral d’EVs d’E. coli va millorar les respostes immunitàries humorals i cel·lulars, va promoure la maduració de l’epiteli intestinal i va afavorir el desenvolupament d’un perfil immunitari Th1/Th2 equilibrat, sense provocar inflamació. En un model neonatal d’infecció per rotavirus, el tractament amb EVs va reduir la gravetat de la diarrea, va preservar la integritat de la mucosa i va estimular la resposta immunitària específica contra el virus. Aquests efectes protectors es van relacionar amb la modulació de vies associades a la serotonina i la secreció de mucina. Més enllà de l’intestí, les EVs administrades van arribar al fetge i van induir perfils d’expressió gènica que afavorien vies antiinflamatòries, antioxidants i d’oxidació lipídica, posant de manifest el seu paper en la comunicació a través de l’eix intestí–fetge en condicions fisiològiques. En models cel·lulars in vitro derivats de cèl·lules mare pluripotents induïdes d’origen humà (iPSC), les EVs van augmentar l’expressió de proteïnes de les unions estretes en organoids intestinals i van potenciar el grau de ramificació de dendrites durant la diferenciació neuronal. Aquests resultats suggereixen una acció dual de les EVs derivades de la microbiota al llarg de l’eix intestí–cervell, modulant tant la integritat de la barrera epitelial intestinal com el desenvolupament neuronal. En conjunt, els resultats d’aquesta tesi situen les EVs derivades de EcN i EcoR12 com a candidats postbiòtics segurs i efectius, capaços de promoure la maduració del sistema immune i epitelial en les primeres etapes de la vida, potenciar les defenses antivíriques i modular la funció d’òrgans al llarg dels diferents eixos de comunicació intestí–òrgan. A més, aquests resultats ofereixen una base sòlida per a futures investigacions en models de malaltia i estudis translacionals.