באצווה מחוץ לגופית-מודל תרבות להעריך את ההשפעות של משטרי התערבותית על האדם מיקרוביוטה בצואה
Summary
פרוטוקול זה מתאר את מערכת התסיסה התרבותית של תרבות האצווה האנושית של מיקרוביוטה בצואה, באמצעות אינולין (באופן מוכר, ואחד מהמיקרוביוטה הנפוצים ביותר) כדי להדגים את השימוש במערכת זו בהערכת השפעות ספציפיות התערבויות על הרכב microbiota צואה ופעילויות מטבולית.
Abstract
התפקיד המתעוררים של מיקרובידום הבטן במספר מחלות אנושיות דורש פריצת דרך של כלים חדשים, טכניקות וטכנולוגיות. שיפורים כאלה נחוצים כדי לפענח את הניצול של מודולים microbiome עבור הטבות בריאות האדם. עם זאת, ההקרנה בקנה מידה גדול אופטימיזציה של מודולטורים כדי לאמת אפנון microbiome ולנבא יתרונות בריאותיים קשורים עשוי להיות קשה כמעט בשל הצורך במספר רב של בעלי חיים ו/או בעלי האדם. לשם כך, במודלים של מבחנה או vivo ex יכול להקל על הקרנה ראשונית של מאפטורים מיקרובידום. בזאת, הוא ממוטב והפגינו לשעבר מערכת התרבות microbiota vivo הצואה שניתן להשתמש בהם כדי לבחון את ההשפעות של התערבויות שונות של מאפטורים במעיים של המעי, כולל פרוביוטיקה, prebiotics ורכיבים אחרים מזון, מלבד ותרופות, על הגיוון וההרכב של מיקרוביוטה המעי האנושי. אינולין, אחד התרכובות הנפוצות ביותר במחקר prebio, ו microbiome מודולטורים, משמש כדוגמה כאן כדי לבחון את השפעתו על הרכב מיקרוביוטה צואה בריא ופעילויות מטבולית שלה, כגון בצואה pH ורמות צואה של חומצות אורגניות כולל חומצות שומן לקטט ושרשרת קצרות (SCFAs). הפרוטוקול עשוי להיות שימושי עבור מחקרים שנועדו להערכת ההשפעות של התערבויות שונות של מודולטורים על פרופילי microbiota צואה ובניבוי השפעות בריאותיות.
Introduction
Microbiota האדם היא קהילה מורכבת המורכבת של חיידקים, הארכנות, וירוסים ו-איקריוטית חיידקים1, כי לאכלס את גוף האדם פנימי וחיצוני. העדויות האחרונות הקימו את התפקיד הבסיסי של המעיים microbiota ואת המעיים מיקרובידום (האוסף כולו של חיידקים והגנים שלהם נמצא במערכת העיכול האנושית) במחלות אנושיות שונות כולל השמנה, סוכרת, מחלות לב וכלי דם, וסרטן1,2,3. בנוסף, המיקרואורגניזמים החיים בבטן שלנו לייצר ספקטרום רחב של מטבוליטים אשר משפיעים באופן משמעותי על הבריאות שלנו, יכול גם לתרום הפתופסולוגיה של מחלות מספר, כמו גם מגוון של פונקציות מטבוליות4, 5. שינויים חריגים (רטבאליות) בקומפוזיציה ובתפקוד של אוכלוסיית המעיים הזאת מכונים בדרך כלל כ “תחושת בטן”. דיסביוזיס משויך בדרך כלל עם מצב לא בריא של המארח ולכן ניתן לבדיל מן הקהילה הטבעית (הומאטית) הקשורים במצב בריא של המארח. דפוסים ספציפיים של המעיים מיקרובידום דיסביוזיס מצויים לעתים קרובות במחלות שונות1,2,3,6,7.
התסיסה של מזון בלתי מתעכל, במיוחד פחמימות fermentable/סיבים, על ידי מיקרוביוטה בטן לא רק תשואות אנרגיה אלא גם מייצרת מטבוליטים מפוצלים כולל חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFAs), לקטט, formate, פחמן דו חמצני, מתאן, מימן, ואתנול6. בנוסף, מיקרוביוטה המעיים מייצרת גם מספר חומרים ביולוגיים אחרים כגון חומצה פולית, ביוטין, טרימטוליאמין-N-תחמוצת, סרוטונין, טריפטופן, חומצה גמא-עמינח בוטירית, דופמין, נוראדרנלין, אצטילכולין, היסטמין, חומצה דאוקסיכופילית ו-4-אתיל סולפט. הדבר מתרחש בעיקר באמצעות הניצול של פלקסים מטבולית פנימית בתוך נישה חיידק מארח, אשר תורמת בכמה תהליכי הגוף, פונקציות מטבולית ושינויים אפיגנטיים1,8,9, . בסדר, עשר עם זאת, ההשפעות של התערבויות שונות על מוצרים מסוג זה להישאר אירעה או לא ברור בשל היעדר קל, יעיל ומהווה פרוטוקולים להיות ברורים. הרכב מיקרוביוטה של הבטן האנושית הוא מערכת אקולוגית מורכבת ומגוונת ביותר, ולכן, שאלות רבות לגבי תפקידה בבריאות האדם ובמחלות המחלה עדיין נשארות ללא מענה. ההשפעות של הרבה במעי המשותף מודולטורים הנפוצים (למשל, פרוביוטיקה, prebiotics, אנטיביוטיקה, השתלת צואה וזיהומים) על הרכב פונקציות מטבולית של microbiome המעי להישאר חמקמק במידה רבה. בנוסף, הבדיקה והאימות של תופעות אלה ב vivo הוא קשה, במיוחד משום שרוב החומרים המזינים ומטבוליטים המיוצרים על ידי מיקרוביוטה המעיים נספגים או נפטרים של בו זמנית ובמהירות בבטן; לכן, מדידת הייצור, כמות ועיבוד של מטבוליטים אלה (g., SCFAs) ב vivo עדיין נשאר אתגר מעשי. אכן, מודלים פיזיולוגיים כגון בעלי חיים ונושאים אנושיים הם קריטיים לקביעת התפקיד של מיקרובידום המעיים והאפנון שלה על בריאות מארח, אבל אלה לא יכול להיות מתאים הקרנת בקנה מידה גדול של סוגים שונים של מודולים microbiome בשל אילוצי מוסר, כספיים או זמן. לשם כך, ב-vivo מבחנה ו/או לשעבר מודלים, כגון culturing של מיקרוביוטה במבחנה ולאחר מכן להתערב עם מודולים microbiota שונים, יכול להציע זמן וכסף הזדמנויות ומכאן יכול לאפשר הקרנה ראשונית או בקנה מידה גדול של מרכיבים שונים (כגון פרוביוטיקה, prebiotics, ותרכובות התערבותית אחרים) כדי לבחון/לנבא את ההשפעות שלהם על הגיוון microbiota צואה, קומפוזיציה ופרופילים מטבוליים. מחקרים באמצעות כגון מערכות מחוץ לvivo לשעבר של מיקרובידום הבטן עשוי להקל על הבנה נוספת של המארחים-microbiome מארח שתורמים לארח בריאות ומחלות, והוא יכול גם להוביל למציאת טיפולים חדשניים המטרה מיקרובידום ל שפר בריאות המארחת ולמנוע ולטפל במחלות שונות1.
למרות שמערכות התרבות של מיקרוביוטה בבטן החוץ לא יכולות לשכפל באמת את תנאי המעיים הממשיים, מספר מעבדות השתדלו לפתח מודלים כאלה, שחלקם נמצאו מעשי במידה מסוימת והשתמשו בהם בהצלחה ל מטרות שונות. אחד מדגמי הבטן האחרונים הוא סימולטור של המערכת האקולוגית של מעיים אנושיים, אשר מחקה את מערכת העיכול האנושית כולה, כולל הקיבה, המעי הדק, ואזורים שונים של המעי הגס. עם זאת, מודלים מורכבים מבחינה טכנית לא יהיו נגישים למתקני מחקר אחרים ברחבי העולם. לכן, יש עדיין צורך קריטי לפיתוח דגמים חלופיים חדשים, כי הם פשוטים יחסית, במחיר סביר ומעשי עבור מעבדות לימוד מודולים microbiome ואת ההשפעות שלהם על המעיים microbiome ובריאות מארח. מכאן, השימוש של מבחנה (או ex vivo) מערכת התרבות מיקרוביוטה הצואה יהיה שימושי ללמוד את ההשפעות של התערבויות כאלה11,12. באופן ספציפי, את ההשפעה של prebiotics שונים על קיבולת תסיסה microbiota מבחינת שינויים תקופתיים מגוון מיקרוביוטה הבטן והרכב, ה-pH צואה, ואת רמות של מטבוליטים מיקרוביאלית כולל SCFAs ו לקטט ניתן ללמוד 13. בזאת, באמצעות אינולין (אחד הרכיבים הנפוצים ביותר לחקור prebiotic יוטי) כדוגמה של מודול microbiome, הפרוטוקול צעד אחר צעד של מערכת האצווה vivo microbiome פשוטה זו לשעבר מתוארים כדי להדגים את השימוש בה כדי להעריך את ה שינויים במיקרוביוטה הצואה ומיקרוטבוליטים בעקבות התערבות עם מודולים מיקרובידום.
Protocol
Representative Results
Discussion
מודל תסיסה בצואה מבחנה מוצג כאן הוא מודל פשוט אצווה יחיד לקירוב ההשפעות של מצעים שונים וזנים מיקרוביאלית (למשל, prebiotics ו פרוביוטיקה) על ההרכב של האדם microbiota בצואה, כמו גם ה פעילות מטבולית במונחים של הצואה pH ו SCFAs רמות. התוצאות המוצגות בזאת להפגין כי החיסונים של אינולין מקטין את ה-pH בצואה ומגדי?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים בהכרת תודה את תמיכתם של המרכז לסוכרת, השמנת יתר ומטבוליזם ומרכז המדע הקליני והטרנסלtional, בית הספר לרפואה של יער ההתעוררות, מחלקת מימון ההגנה (מספר מענק: W81XWH-18-1-0118), הכיסא השני של קרמיט גלן פיליפס ב רפואת לב וכלי דם; המכון הלאומי לבריאות במימון קלוד ד. פפר מבוגרים אמריקאים מרכז (ממומן על ידי P30AG12232); R01AG18915; R01DK114224 ומרכז המדע הקליני וטרנסלtional (יחידת המחקר הקליני, ממומן על ידי UL1TR001420), מודה גם למרבה המזל. אנו מודים גם למתנדבים שסיפקו דגימות צואה, וחברי המעבדה האחרים שלנו לעזרה טכנית במהלך ניסוי זה.
Materials
| Ammonium Bicarbonate (NH4HCO3) | Sigma-Aldrich | 217255 | |
| Ammonium Sulfate (NH4)2SO4 | TGI | C2388 | Toxic |
| Calcium Chloride Dihydrate (CaCl2•2H2O) | Sigma-Aldrich | C3306 | Irritating |
| Cobaltous Chloride Hexahydrate (CoCl2•6H2O) | Sigma-Aldrich | 255599 | |
| Cupric Chloride Dihydrate (CuCl2•2H2O) | Acros organics | 2063450000 | Toxic, Irritating |
| Cysteine-HCl | Sigma-Aldrich | C121800 | |
| D-biotin | Sigma-Aldrich | B4501 | |
| D-Pantothenic acid | Alfa Aesar | A16609 | |
| Disodium Ethylenediaminetetraacetate Dihydrate (Na2EDTA) | Biorad | 1610729 | |
| DL-α-methylbutyrate | Sigma-Aldrich | W271918 | |
| Ferrous Sulfate Heptahydrate (FeSO4•7H2O) | Sigma-Aldrich | F8263 | Toxic |
| Folic acid | Alfa Aesar | J62937 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| Hemin | Sigma-Aldrich | H9039 | |
| Hepes | Alfa Aesar | A14777 | |
| Isobutyrate | Alfa Aesar | L04038 | |
| Isovalerate | Alfa Aesar | A18642 | |
| Magnesium Chloride Hexahydrate (MgCl2•6H2O) | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| Manganese Chloride Tetrahydrate (MnCl2•4H2O) | Sigma-Aldrich | 221279 | |
| Niacin (Nicotinic acid) | Sigma-Aldrich | N4126 | |
| Nickel(Ii) Chloride Hexahydrate (NiCl2•6H2O) | Alfa Aesar | A14366 | Toxic |
| N-valerate | Sigma-Aldrich | 240370 | |
| P-aminobenzoic acid | MP China | 102569 | Toxic, Irritating |
| Phosphoric Acid (H3PO4) | Sigma-Aldrich | P5811 | |
| Potassium Dihydrogen Phosphate (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P5504 | |
| Potassium Hydrogen Phosphate (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 1551128 | |
| Pyridoxine | Alfa Aesar | A12041 | |
| Resazurin | Sigma-Aldrich | R7017 | |
| Riboflavin | Alfa Aesar | A11764 | |
| Sodium carbonate (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | 1613757 | |
| Sodium chloride (NaCl) | Fisher BioReagents | 7647-14-5 | |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Fisher Chemicals | S320 | |
| Sodium Molybdate Dihydrate (Na2MoO4•2H2O) | Acros organics | 206375000 | |
| Thiamine Hydrochloride (Thiamin-HCl) | Acros organics | 148991000 | |
| Trypticase | BD Biosciences | 211921 | |
| Vitamin B12 | Sigma-Aldrich | V2876 | |
| Yeast extract | Sigma-Aldrich | 70161 | |
| Zinc Sulfate Heptahydrate (ZnSO4•7H2O) | Sigma-Aldrich | Z0251 | |
| 0.22 µm membrane filter | |||
| AMPure magnetic purification beads | Agencourt | ||
| Anaerobic chamber with incubatore | Forma anaerobic system, Thermo Scientific, USA | ||
| Bottle filter | Corning | ||
| Cheesecloth | |||
| Illumina MiSeq sequencer | Miseq reagent kit v3 | ||
| pH meter | |||
| Qiagen PowerFecal kit | Qiagen | ||
| Quantitative Insights into Microbial Ecology (QIIME) software | |||
| Qubit-3 fluorimeter | InVitrogen | ||
| Vortex | Thermoscientific | ||
| Waters-2695 Alliance HPLC system | Waters Corporation |
Riferimenti
- Shreiner, A. B., Kao, J. Y., Young, V. B. The gut microbiome in health and in disease. Current Opinion in Gastroenterology. 31 (1), 69-75 (2015).
- Xu, Z., Knight, R. Dietary effects on human gut microbiome diversity. British Journal of Nutrition. 113, 1-5 (2015).
- Jiang, C., Li, G., Huang, P., Liu, Z., Zhao, B. The gut microbiota and Alzheimer’s disease. Journal of Alzheimers Disease. 58 (1), 1-15 (2017).
- Clemente, J. C., Ursell, L. K., Parfrey, L. W., Knight, R. The impact of the gut microbiota on human health: an integrative view. The Journal Cell. 148 (6), 1258-1270 (2012).
- Yadav, H., Jain, S., Marotta, F. Probiotics mediated modulation of gut flora might be biotherapeutical approach obesity and type 2 diabetes. Metabolomics : Open Access. 1 (3), 1-3 (2011).
- Ahmadi, S., et al. Dietary Polysaccharides in the Amelioration of Gut Microbiome Dysbiosis and Metabolic Diseases. Obesity and Control Theries: Open Access. 4 (3), (2017).
- Nagpal, R., et al. Obesity-Linked Gut Microbiome Dysbiosis Associated with Derangements in Gut Permeability and Intestinal Cellular Homeostasis Independent of Diet. Journal of Diabetes Research. , 1-9 (2018).
- Paul, B., et al. Influences of diet and the gut microbiome on epigenetic modulation in cancer and other diseases. Journal of Clinical Epigenetics. 7 (1), 112 (2015).
- O’mahony, S., Clarke, G., Borre, Y., Dinan, T., Cryan, J. Serotonin tryptophan metabolism and the brain-gut-microbiome axis. Journal of Behavioural Brain Research. 277, 32-48 (2015).
- Sharon, G., et al. Specialized metabolites from the microbiome in health and disease. Journal of Cell Metabolism. 20 (5), 719-730 (2014).
- Faber, T. A., Bauer, L. L., Price, N. P., Hopkins, A. C., Fahey, G. C. In vitro digestion and fermentation characteristics of temulose molasses, a coproduct of fiberboard production, and select temulose fractions using canine fecal inoculum. Journal of Agricultural Food Chemistry. 59 (5), 1847-1853 (2011).
- Bourquin, L. D., Titgemeyer, E. C., Fahey, G. C. Vegetable fiber fermentation by human fecal bacteria: cell wall polysaccharide disappearance and short-chain fatty acid production during in vitro fermentation and water-holding capacity of unfermented residues. Journal of Nutrition. 123 (5), 860-869 (1993).
- Nagpal, R., et al. Human-origin probiotic cocktail increases short-chain fatty acid production via modulation of mice and human gut microbiome. Scientific Reports. 8 (1), 12649 (2018).
- Nagpal, R., et al. Comparative microbiome signatures and short-chain fatty acids in mouse, rat, non-human primate and human feces. Frontiers in Microbiology. 9, 2897 (2018).
- Thangamani, S., Guinan, J., Wang, S., Yadav, H. Antibiotic-induced decreases in the levels of microbial-derived short-chain fatty acids promote gastrointestinal colonization of Candida albicans. bioRxiv. , 428474 (2018).
- Ahmadi, S., et al. Prebiotics from acorn and sago prevent high-fat diet-induced insulin resistance via microbiome-gut-brain axis modulation. The Journal of Nutritional Biochemistry. , (2019).
- Nagpal, R., et al. Gut Microbiome Composition in Non-human Primates Consuming a Western or Mediterranean Diet. Frontiers in Nutrition. 5, 28 (2018).
- Caporaso, J. G., et al. Ultra-high-throughput microbial community analysis on the Illumina HiSeq and MiSeq platforms. ISME Journal. 6 (8), 1621-1624 (2012).
- Caporaso, J. G., et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data. Nature Methods. 7 (5), 335-336 (2010).
- Garcia-Villalba, R., et al. Alternative method for gas chromatography-mass spectrometry analysis of short-chain fatty acids in faecal samples. Journal of Seperation Science. 35 (15), 1906-1913 (2012).
- Lee, C. H., et al. Frozen vs Fresh Fecal Microbiota Transplantation and Clinical Resolution of Diarrhea in Patients With Recurrent Clostridium difficile Infection: A Randomized Clinical Trial. JAMA. 315 (2), 142-149 (2016).
- Chen, M. -. H., et al. In vitro fermentation of xylooligosaccharides produced from Miscanthus× giganteus by human fecal microbiota. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 64 (1), 262-267 (2015).
- Cook, S., Sellin, J. Short chain fatty acids in health and disease. Alimentary Pharmacology & Therapeutics. 12 (6), 499-507 (1998).
- Rastelli, M., Knauf, C., Cani, P. D. Gut microbes and health: a focus on the mechanisms linking microbes, obesity, and related disorders. Obesity. 26 (5), 792-800 (2018).
- Zou, J., et al. Fiber-mediated nourishment of gut microbiota protects against diet-induced obesity by restoring IL-22-mediated colonic health. Cell Host & Microbe. 23 (1), 41-53 (2018).
- Dinan, T. G., Cryan, J. F. Gut–brain axis in 2016: Brain–gut–microbiota axis—mood, metabolism and behaviour. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology. 14 (2), 69 (2017).
