Analyse van interacties tussen Endobiotica en humane gut microbiota met behulp van in-vitro Bad fermentatiesystemen
Summary
Hier beschreven is een protocol om de interacties tussen endobiotica en menselijke gut microbiota met behulp van in vitro batch fermentatiesystemen te onderzoeken.
Abstract
Menselijke intestinale micro-organismen zijn onlangs uitgegroeid tot een belangrijk doelwit van onderzoek bij het bevorderen van de menselijke gezondheid en het voorkomen van ziekten. Bijgevolg zijn onderzoeken naar interacties tussen endobiotica (bijv. drugs en prebiotica) en gut microbiota een belangrijk onderzoeksonderwerp geworden. In vivo experimenten met menselijke vrijwilligers zijn echter niet ideaal voor dergelijke studies als gevolg van bio-ethiek en economische beperkingen. Als gevolg hiervan zijn diermodellen gebruikt om deze interacties in vivo te evalueren. Niettemin, diermodel studies zijn nog steeds beperkt door bio-ethiek overwegingen, naast de verschillende samenstellingen en diversiteit van microbiota bij dieren vs. mensen. Een alternatieve onderzoeksstrategie is het gebruik van batch fermentatie-experimenten die het mogelijk maken de interacties tussen endobiotica en gut microbiota in vitro te evalueren. Om deze strategie te evalueren, werden bifidobacteriële (BIF) exopolysacchariden (EPS) gebruikt als representatief xenobioticum. Vervolgens werden de interacties tussen BIF EPS en humane gut microbiota onderzocht met behulp van verschillende methoden zoals Thin-layer chromatografie (TLC), bacteriële compositorische analyse met 16S rRNA Gene High-throughput sequencing en gaschromatografie van korte-keten vetzuren (SCFAs). Hier gepresenteerd is een protocol om de interacties tussen endobiotica en menselijke gut microbiota met behulp van in vitro batch fermentatiesystemen te onderzoeken. Belangrijk is dat dit protocol ook kan worden aangepast om de algemene interacties tussen andere endobiotica en gut microbiota te onderzoeken.
Introduction
Gut microbiota spelen een belangrijke rol in de werking van de menselijke darmen en in de gezondheid van de gastheer. Bijgevolg, gut microbiota zijn onlangs uitgegroeid tot een belangrijk doelwit voor ziektepreventie en therapie1. Bovendien, gut bacteriën interactie met gastheer intestinale cellen en reguleren fundamentele gastheer processen, met inbegrip van metabole activiteiten, voedingsstoffen availabiliteiten, immuun systeem modulatie, en zelfs hersenfunctie en besluitvorming van2,3 . Endobiotica hebben aanzienlijke potentie om invloed op de bacteriële samenstelling en de diversiteit van gut microbiota. Zo, interacties tussen endobiotica en menselijke gut microbiota hebben aangetrokken toegenomen onderzoek aandacht4,5,6,7,8,9.
Het is moeilijk om de interacties tussen endobiotica en humane gut microbiota in vivo te evalueren als gevolg van bio-ethiek en economische beperkingen. Bijvoorbeeld, experimenten onderzoeken de interacties tussen endobiotica en menselijke gut microbiota kan niet worden uitgevoerd zonder toestemming van de Food and Drug Administration, en werving van vrijwilligers is duur. Daarom worden voor dergelijke onderzoeken vaak diermodellen gebruikt. Het gebruik van diermodellen is echter beperkt als gevolg van verschillende microbiota-composities en diversiteit in dier-vs. mensen-geassocieerde Gemeenschappen. Een alternatieve in vitro methode om de interacties tussen endobiotica en humane gut microbiota te onderzoeken is door het gebruik van batch cultuur experimenten.
Exopolysacchariden (EPSs) zijn prebiotica die significant bijdragen aan het behoud van de gezondheid van de mens10. Afzonderlijke EPSS die bestaan uit verschillende Monosacharide composities en structuren kunnen verschillende functies vertonen. Eerdere analyses hebben de samenstelling van BIF EPSs bepaald, de representatieve xenobiotische die in de huidige studie11is getarget. Echter, gastheer-geassocieerde metabole effecten zijn niet overwogen met betrekking tot EPS samenstelling en diversiteit.
Het hier beschreven protocol gebruikt de fecale microbiota van 12 vrijwilligers tot gisten BIF EPSS. Thin-layer chromatografie (TLC), 16S rRNA Gene High-throughput sequencing en gaschromatografie (GC) worden vervolgens gebruikt in combinatie om de interacties tussen EPSs en humane gut microbiota te onderzoeken. Duidelijke voordelen van dit protocol in vergelijking met in vivo experimenten zijn de lage kosten en het vermijden van storende effecten van de stofwisseling van de gastheer. Bovendien kan het beschreven protocol worden gebruikt in andere onderzoeken die interacties tussen endobiotica en humane gut microbiota onderzoeken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van de samenstelling en activiteiten van menselijke gut microbiota in het afgelopen decennium. Als gevolg van deze studies is het concept van holobiont ontstaan, dat de interacties tussen hosts en geassocieerde microbiële gemeenschappen vertegenwoordigt, zoals tussen mensen en hun gut microbiota19,20. Bovendien, mensen worden nu zelfs beschouwd als Super organismen21, waarbij de darm mi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door de National Nature Science Foundation of China (nr. 31741109), de Hunan Natural Science Foundation (nr. 2018JJ3200), en het construct programma van toegepaste karakteristieke discipline in de Hunan University of Science and Engineering. Wij danken LetPub (www.letpub.com) voor haar taalkundige hulp bij de voorbereiding van dit manuscript.
Materials
| 0.22 µm membrane filters | Millipore | SLGP033RB | Use to filter samples |
| 0.4-mm Sieve | Thermo Fischer | 308080-99-1 | Use to prepare human fecal samples |
| 5-bromo-4-chloro-3-indolyl β-D-galactopyranoside (X-Gal) | Solarbio | X1010 | Use to prepare color plate |
| Acetic | Sigma-Aldrich | 71251 | Standard sample for SCFA |
| Agar | Solarbio | YZ-1012214 | The component of medium |
| Anaerobic chamber | Electrotek | AW 400SG | Bacteria culture and fermentation |
| Autoclave | SANYO | MLS-3750 | Use to autoclave |
| Bacto soytone | Sigma-Aldrich | 70178 | The component of medium |
| Baking oven | Shanghai Yiheng Scientific Instruments Co., Ltd | DHG-9240A | Use to heat and bake |
| Beef Extract | Solarbio | G8270 | The component of medium |
| Bifidobacterium longum Reuter | ATCC | ATCC® 51870™ | Bacteria |
| Bile Salts | Solarbio | YZ-1071304 | The component of medium |
| Butyric | Sigma-Aldrich | 19215 | Standard sample for SCFA |
| CaCl2 | Solarbio | C7250 | Salt solution of medium |
| Capillary column | SHIMADZU-GL | InertCap FFAP (0.25 mm × 30 m × 0.25 μm) | Used to SCFA detection |
| Casein Peptone | Sigma-Aldrich | 39396 | The component of medium |
| Centrifuge | Thermo Scientific | Sorvall ST 8 | Use for centrifugation |
| CoSO4.7H2O | Solarbio | C7490 | The component of medium |
| CuSO4.5H2O | Solarbio | 203165 | The component of medium |
| Cysteine-HCl | Solarbio | L1550 | The component of medium |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | E7023 | Use to prepare vitamin K1 |
| FeSO4.7H2O | Solarbio | YZ-111614 | The component of medium |
| Formic Acid | Sigma-Aldrich | 399388 | Used to TLC |
| Gas chromatography | Shimadzu Corporation | GC-2010 Plus | Used to SCFA detection |
| Glass beaker | Fisher Scientific | FB10050 | Used for slurry preparation |
| Glucose | Solarbio | G8760 | The component of medium |
| Haemin | Solarbio | H8130 | The component of medium |
| HCl | Sigma-Aldrich | 30721 | Basic solution used to adjust the pH of the buffers |
| Isobutyric | Sigma-Aldrich | 46935-U | Standard sample for SCFA |
| Isovaleric Acids | Sigma-Aldrich | 129542 | Standard sample for SCFA |
| K2HPO4 | Solarbio | D9880 | Salt solution of medium |
| KCl | Solarbio | P9921 | The component of medium |
| KH2PO4 | Solarbio | P7392 | Salt solution of medium |
| LiCl.3H2O | Solarbio | C8380 | Use to prepare color plate |
| Meat Extract | Sigma-Aldrich-Aldrich | 70164 | The component of medium |
| Metaphosphoric Acid | Sigma-Aldrich | B7350 | Standard sample for SCFA |
| MgCl2.6H2O | Solarbio | M8160 | The component of medium |
| MgSO4.7H2O | Solarbio | M8300 | Salt solution of medium |
| MISEQ | Illumina | MiSeq 300PE system | DNA sequencing |
| MnSO4.H20 | Sigma-Aldrich | M8179 | Salt solution of medium |
| Mupirocin | Solarbio | YZ-1448901 | Antibiotic |
| NaCl | Solarbio | YZ-100376 | Salt solution of medium |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | 792519 | Salt solution of medium |
| NanoDrop ND-2000 | NanoDrop Technologies | ND-2000 | Determine DNA concentrations |
| NaOH | Sigma-Aldrich | 30620 | Basic solution used to adjust the pH of the buffers |
| n-butanol | ChemSpider | 71-36-3 | Used to TLC |
| NiCl2 | Solarbio | 746460 | The component of medium |
| Orcinol | Sigma-Aldrich | 447420 | Used to prepare orcinol reagents |
| Propionic | Sigma-Aldrich | 94425 | Standard sample for SCFA |
| QIAamp DNA Stool Mini Kit | QIAGEN | 51504 | Extract bacterial genomic DNA |
| Ready-to-use PBS powder | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A610100-0001 | Used to prepare the lipid suspension |
| Resazurin | Solarbio | R8150 | Anaerobic Equipment |
| Speed Vacuum Concentrator | LABCONCO | CentriVap | Use to prepare EPSs |
| Starch | Solarbio | YZ-140602 | Use to the carbon source |
| Sulfuric Acid | Sigma-Aldrich | 150692 | Used to prepare orcinol reagents |
| T100 PCR | BIO-RAD | 1861096 | PCR amplification |
| TLC aluminium sheets | MerckMillipore | 116835 | Used to TLC |
| Trypticase Peptone | Sigma-Aldrich | Z699209 | The component of medium |
| Tryptone | Sigma-Aldrich | T7293 | The component of medium |
| Tween 80 | Solarbio | T8360 | Salt solution of medium |
| Valeric | Sigma-Aldrich | 75054 | Standard sample for SCFA |
| Vitamin K1 | Sigma-Aldrich | V3501 | The component of medium |
| Vortex oscillator | Scientific Industries | Vortex.Genie2 | Use to vortexing |
| Yeast Extract | Sigma-Aldrich | Y1625 | The component of medium |
| ZnSO4.7H2O | Sigma-Aldrich | Z0251 | The component of medium |
References
- Maarten, V. D. G., Blottière Hervé, M., Doré, J. Humans as holobionts: implications for prevention and therapy. Microbiome. 6 (1), 81 (2018).
- Allen, A. P., Dinan, T. G., Clarke, G., Cryan, J. F. A psychology of the human brain-gut-microbiome axis. Social and Personality Psychology Compass. 11 (4), e12309 (2017).
- Arora, T., Bäckhed, F. The gut microbiota and metabolic disease: current understanding and future perspectives. Journal of Internal Medicine. 280, 39-349 (2016).
- Maurice, C., Haiser, H., Turnbaugh, P. Xenobiotics shape the physiology and gene expression of the active human gut microbiome. Cell. 152 (1-2), 39-50 (2013).
- Carmody, R. N., Turnbaugh, P. J. Host-microbial interactions in the metabolism of therapeutic and diet-derived xenobiotics. Journal of Clinical Investigation. 124 (10), 4173-4181 (2014).
- Lu, K., Mahbub, R., Fox, J. G. Xenobiotics: interaction with the intestinal microflora. ILAR Journal. 56 (2), 218-227 (2015).
- Taguer, M., Maurice, C. The complex interplay of diet, xenobiotics, and microbial metabolism in the gut: implications for clinical outcomes. Clinical Pharmacology & Therapeutics. 99 (6), 588-599 (2016).
- Anubhav, D., Meenakshi, S., Shankar, G. T., Mande, S. S., Wilson, B. A. Xenobiotic metabolism and gut microbiomes. PLoS One. 11 (10), e0163099 (2016).
- Koppel, N., Rekdal, V. M., Balskus, E. P. Chemical transformation of xenobiotics by the human gut microbiota. Science. 356 (6344), 1246-1257 (2017).
- Hidalgo-Cantabrana, C., et al. Genomic overview and biological functions of exopolysaccharide biosynthesis in Bifidobacterium spp. Applied and Environmental Microbiology. 80 (1), 9-18 (2014).
- Liu, G., et al. Effects of bifidobacteria-produced exopolysaccharides on human gut microbiota in vitro. Applied Microbiology and Biotechnology. , 1-10 (2018).
- Tang, R., et al. Gut microbial profile is altered in primary biliary cholangitis and partially restored after UDCA therapy. Gut. 67 (3), 534-541 (2018).
- Kuczynski, J., et al. Using QIIME to analyze 16S rRNA gene sequences from microbial communities. Current Protocols in Microbiology. 27 (1), 1-28 (2012).
- Hiltemann, S. D., Boers, S. A., van der Spek, P. J., Jansen, R., Hays, J. P., Stubbs, A. P. Galaxy mothur Toolset (GmT): a user-friendly application for 16S rRNA gene sequencing analysis using mothur. GigaScience. , (2018).
- Wang, Q., Garrity, G. M., Tiedje, J. M., Cole, J. R. Naïve Bayesian classifier for rapid assignment of rRNA sequences into the new bacterial taxonomy. Applied and Environmental Microbiology. 73 (16), 5261-5267 (2007).
- Schloss, P. D., et al. Introducing mothur: open-source, platform-independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities. Applied and Environmental Microbiology. 75 (23), 7537-7541 (2009).
- Bai, S., et al. Comparative study on the in vitro effects of pseudomonas aeruginosa and seaweed alginates on human gut microbiota. Plos One. 12 (2), e0171576 (2017).
- Zhang, Z., Xie, J., Zhang, F., Linhardt, R. J. Thin-layer chromatography for the analysis of glycosaminoglycan oligosaccharides. Analytical Biochemistry. 371, 118-120 (2007).
- Simon, J. C., Marchesi, J. R., Mougel, C., Selosse, M. A. Host-microbiota interactions: from holobiont theory to analysis. Microbiome. 7 (5), (2019).
- Postler, T. S., Ghosh, S. Understanding the Holobiont: how microbial metabolites affect human health and shape the immune system. Cell Metabolism. 26 (1), 110-130 (2017).
- Kramer, P., Bressan, P. Humans as superorganisms: how microbes, viruses, imprinted genes, and other selfish entities shape our behavior. Perspectives on Psychological Science. 10 (4), 464-481 (2015).
- Malfertheiner, P., Nardone, G. Gut microbiota: the forgotten organ. Digestive Diseases. 29 (6), (2011).
- Andoh, A. The gut microbiota is a new organ in our body. The Japanese journal of Gastro-Enterology. 112 (11), 1939-1946 (2015).
- Mika, A., Van, W. T., González, A., Herrera, J. J., Knight, R., Fleshner, M. Exercise is more effective at altering gut microbial composition and producing stable changes in lean mass in juvenile versus adult male f344 rats. PLoS One. 10 (5), e0125889 (2015).
- Hugenholtz, F., de Vos, W. M. Mouse models for human intestinal microbiota research: a critical evaluation. Cellular and Molecular Life Sciences. 75 (1), 149-160 (2018).
- Takagi, R., et al. A single-batch fermentation system to simulate human colonic microbiota for high-throughput evaluation of prebiotics. PLoS One. 11 (8), e0160533 (2016).
- Ning, T., Gong, X., Xie, L., Ma, B. Gut microbiota analysis in rats with methamphetamine-induced conditioned place preference. Frontiers in Microbiology. 8 (1), 1620 (2017).
