Analisi delle interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale umana utilizzando sistemi di fermentazione bagno in vitro
Summary
Descritto qui è un protocollo per studiare le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale umano utilizzando sistemi di fermentazione in vitro.
Abstract
I microrganismi intestinali umani sono recentemente diventati un importante obiettivo di ricerca nella promozione della salute umana e nella prevenzione delle malattie. Di conseguenza, le indagini sulle interazioni tra endobiotici (ad esempio, farmaci e prebiotici) e microbiota intestinali sono diventate un importante argomento di ricerca. Tuttavia, gli esperimenti in vivo con volontari umani non sono ideali per tali studi a causa della bioetica e dei vincoli economici. Di conseguenza, sono stati utilizzati modelli animali per valutare queste interazioni in vivo. Tuttavia, gli studi sui modelli animali sono ancora limitati da considerazioni bioetica, oltre a diverse composizioni e diversità di microbiota negli animali rispetto all’uomo. Una strategia di ricerca alternativa è l’uso di esperimenti di fermentazione in batch che consentono di valutare le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale in vitro. Per valutare questa strategia, gli esocriteri bifidobatterici (Bif) sono stati utilizzati come xenobiotici rappresentativi. Poi, le interazioni tra Bif EPS e microbiota intestinale umano sono state studiate utilizzando diversi metodi come la cromatografia a strato sottile (TLC), l’analisi compositiva della comunità batterica con il sequenziamento ad alto valore del gene rRNA 16S e la cromatografia a gas di acidi grassi a catena corta (SCFA). Presentato qui è un protocollo per studiare le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale umano utilizzando sistemi di fermentazione in vitro. È importante sottolineare che questo protocollo può anche essere modificato per studiare le interazioni generali tra altri endobiotici e microbiota intestinali.
Introduction
Il microbiota intestinale svolge un ruolo importante nel funzionamento dell’intestino umano e nella salute dell’ospite. Di conseguenza, il microbiota intestinale è recentemente diventato un importante obiettivo per la prevenzione delle malattie e la terapia1. Inoltre, i batteri intestinali interagiscono con le cellule intestinali dell’ospite e regolano i processi fondamentali dell’ospite, comprese le attività metaboliche, le disponibilità dei nutrienti, la modulazione del sistema immunitario e persino la funzione cerebrale e il processo decisionale2,3 . Gli endobiotici hanno un notevole potenziale per influenzare la composizione batterica e la diversità del microbiota intestinale. Così, le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale umano hanno attirato l’attenzione crescente della ricerca4,5,6,7,8,9.
È difficile valutare le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinali umani in vivo a causa della bioetica e dei vincoli economici. Ad esempio, gli esperimenti che studiano le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinali umani non possono essere eseguiti senza il permesso della Food and Drug Administration, e il reclutamento di volontari è costoso. Di conseguenza, i modelli animali sono spesso utilizzati per tali indagini. Tuttavia, l’uso di modelli animali è limitato a causa di diverse composizioni di microbiota e diversità nelle comunità animali contro umane. Un metodo alternativo in vitro per esplorare le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale umano è attraverso l’uso di esperimenti di coltura batch.
Gli esopolioaccaridi (EPS) sono prebiotici che contribuiscono in modo significativo al mantenimento della salute umana10. EPS distinti che consistono in diverse composizioni monosaccoridi e strutture possono presentare funzioni distinte. Le analisi precedenti hanno determinato la composizione degli EPS Bif, che sono la xenobiotica rappresentativa mirata nell’attuale studio11. Tuttavia, gli effetti metabolici associati all’ospite non sono stati considerati per quanto riguarda la composizione e la diversità dell’EPS.
Il protocollo qui descritto utilizza il microbiota fecale di 12 volontari per fermentare gli EPS Bif. La cromatografia a strato sottile (TLC), il sequenziamento ad alta velocità a livello rRNA 16S e la cromatografia a gas (GC) vengono quindi utilizzati in combinazione per studiare le interazioni tra EPS e microbiota intestinale umano. I vantaggi distinti di questo protocollo rispetto agli esperimenti in vivo sono il suo basso costo ed evitare gli effetti interferenti dal metabolismo dell’ospite. Inoltre, il protocollo descritto può essere utilizzato in altri studi che studiano le interazioni tra endobiotici e microbiota intestinale umano.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sono stati compiuti progressi significativi verso la comprensione della composizione e delle attività del microbiota intestinale umano nell’ultimo decennio. Come conseguenza di questi studi, è emerso il concetto olobionte, che rappresenta le interazioni tra gli ospiti e le comunità microbiche associate, come tra gli esseri umani e il loro microbiota intestinale19,20. Inoltre, gli esseri umani sono ancora ora considerati come superorganismi21<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato finanziato dalla National Nature Science Foundation of China (n. 31741109), dalla Hunan Natural Science Foundation (n. 2018JJ3200), e dal programma di costruzione di disciplina caratteristica applicata presso l’Università Hunan di Scienza e Ingegneria. Ringraziamo LetPub (www.letpub.com) per la sua assistenza linguistica durante la preparazione di questo manoscritto.
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 |
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