نموذج في المختبر دفعة الثقافة لتقدير آثار النظم التدخلية على ميكروبيوتا البراز البشري

الكائنات الحية الدقيقة البشرية هي مجتمع معقد يتكون من البكتيريا والآثار والفيروسات والميكروبات eukaryotic¹، التي تسكن جسم الإنسان داخليا وخارجيا. وقد أثبتت الأدلة الحديثة الدور الأساسي لميكروبيوتا الأمعاء وميكروبيوم الأمعاء (مجموعة كاملة من الميكروبات وجيناتها الموجودة في الجهاز الهضمي البشري) في مختلف الأمراض البشرية بما في ذلك السمنة والسكري، أمراض القلب والأوعية الدموية، والسرطان^1،2،3. بالإضافة إلى ذلك، الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في الأمعاء لدينا تنتج مجموعة واسعة من الأيض التي تؤثر بشكل كبير على صحتنا ويمكن أن تسهم أيضا في الفيزيولوجيا المرضية للعديد من الأمراض، فضلا عن مجموعة متنوعة من الوظائف الأيضية^{4، 5.}التغيرات غير الطبيعية (الاضطرابات) في تكوين ووظيفة هذه المجموعة الميكروبية الأمعاء وتسمى عموما باسم “dysbiosis الأمعاء”. عادة ما يرتبط Dysbiosis مع حالة غير صحية من المضيف، وبالتالي يمكن تمييزها عن المجتمع الميكروبي العادي (المثلية) المرتبطة بحالة السيطرة الصحية للمضيف. أنماط محددة من خلل biosbiosis ميكروبيوم الأمعاء غالبا ما توجد في مختلف الأمراض المختلفة^{1،2،3،6،7}.

تخمير المواد الغذائية غير المهضومة، ولا سيما الكربوهيدرات القابلة للتخمير / الألياف، من قبل ميكروبيوتا الأمعاء ليس فقط تنتج الطاقة ولكن أيضا تنتج الأيض متباينة بما في ذلك الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFAs)، اللاكتات، فورمات، ثاني أكسيد الكربون، الميثان والهيدروجين والإيثانول⁶. وبالإضافة إلى ذلك، فإن ميكروبيوتا الأمعاء تنتج أيضا عددا من المواد النشطة بيولوجيا أخرى مثل الفولات، البيوتين، تريميثيلامين-Nأكسيد، السيروتونين، التربتوفان، حمض غاما أمينوبوتيريك، الدوبامين، بافراز، أستيل، الهستامين، حمض الديوكسيكوليك، وكبريتات الإيثيل فينيل 4. يحدث هذا في المقام الأول من خلال استخدام التدفقات الأيضية الجوهرية داخل محراب الميكروب المضيف، والذي يساهم في العديد من عمليات الجسم، وظائف التمثيل الغذائي والتغيرات الجينيّة^{1،8،9، 10}. ومع ذلك، فإن آثار مختلف التدخلات على هذه المنتجات الميكروبية لا تزال غير واضحة أو غير واضحة بسبب عدم وجود بروتوكولات سهلة وفعالة ويمكن استنساخها. تكوين ميكروبيوتا الأمعاء البشرية هو نظام بيئي معقد للغاية ومتنوعة، وبالتالي، فإن العديد من الأسئلة حول دورها في صحة الإنسان وأمراض الأمراض لا تزال دون إجابة. آثار العديد من المغيرات ميكروبيوم الأمعاء الشائعة (على سبيل المثال، البروبيوتيك، البريبايوتكس، المضادات الحيوية، زرع البراز والالتهابات) على تكوين وظائف التمثيل الغذائي للميكروبيوتا المعوية لا تزال بعيدة المنال إلى حد كبير. وبالإضافة إلى ذلك، فإن فحص هذه الآثار والتحقق منها في الجسم الحي أمر صعب، لا سيما لأن معظم العناصر الغذائية والأيض التي تنتجها ميكروبيوتا الأمعاء يتم امتصاصها أو التخلص منها في وقت واحد وبسرعة في الأمعاء. ولذلك، فإن قياس إنتاج وكمية ومعالجة هذه الأيض (على سبيل المثال، SCFAs) في الجسم الحي لا يزال يشكل تحديا ً عملياً. في الواقع، النماذج الفسيولوجية مثل الحيوانات والمواضيع البشرية حاسمة لتحديد دور ميكروبيوم الأمعاء وتعديلها على صحة المضيف، ولكن هذه قد لا تكون مناسبة لفحص على نطاق واسع لأنواع مختلفة من المغيرات ميكروبيوم بسبب القيود الأخلاقية أو النقدية أو الزمنية. ولهذا الغرض، يمكن أن توفر نماذج في المختبر و/أو الجسم الحي السابق، مثل زراعة الكائنات المجهرية في المختبر ومن ثم التدخل مع مغيرات الميكروبيوتا المختلفة، فرصاً لتوفير الوقت والمال، وبالتالي يمكن أن تسمح بالفحص الأولي أو الواسع النطاق مكونات مختلفة (مثل البروبيوتيك, البريبايوتكس, وغيرها من المركبات التدخلية) لدراسة / التنبؤ بآثارها على تنوع ميكروبيوتا البراز, تكوين وملامح التمثيل الغذائي. وقد تسهل الدراسات التي تستخدم هذه النظم المختبرية والذاتية للميكروبيوم الأمعاء ية المزيد من الفهم للتفاعلات بين المضيف والميكروبيوم التي تسهم في استضافة الصحة والمرض، ويمكن أن تؤدي أيضا إلى إيجاد علاجات جديدة تستهدف الميكروبيوم إلى تحسين صحة المضيف والوقاية من الأمراض المختلفة وعلاجها¹.

على الرغم من أن أنظمة زراعة ميكروبيوتا الأمعاء في المختبر لا يمكن تكرار حقا الظروف المعوية الفعلية، وقد سعت عدة مختبرات لتطوير مثل هذه النماذج، وقد تم العثور على بعض منها عمليا إلى حد ما، وقد استخدمت بنجاح ل أغراض مختلفة. واحدة من نماذج الأمعاء الأخيرة هو محاكاة النظام الإيكولوجي الميكروبي المعوي البشري، الذي يحاكي الجهاز الهضمي البشري بأكمله، بما في ذلك المعدة والأمعاء الدقيقة، ومناطق مختلفة من القولون. غير أن هذه النماذج المعقدة تقنيا قد لا تكون متاحة لمرافق البحوث الأخرى في جميع أنحاء العالم. ولذلك، لا تزال هناك حاجة ماسة لتطوير نماذج بديلة جديدة بسيطة نسبيا وبأسعار معقولة وعملية للمختبرات التي تدرس المغيرات ميكروبيوم وآثارها على ميكروبيوتا الأمعاء وصحة المضيف. وبالتالي، فإن استخدام في المختبر (أو فيالجسم الحي) نظام زراعة ميكروبيوتا البراز سيكون مفيدا لدراسة آثار مثل هذه التدخلات^11،12. وعلى وجه التحديد، يمكن دراسة تأثير البريبايوتكس المختلفة على قدرة التخمير الميكروبيوتا من حيث التغيرات الدورية في تنوع الأمعاء المجهرية وتكوينها، ودرجة الحموضة البرازية، ومستويات الأيض الميكروبي بما في ذلك SCFAs واللاكتات ^13.هنا، باستخدام الإينولين (واحدة من المكونات البريبايوتيك الأكثر دراسة على نطاق واسع) كمثال على المغير ميكروبيوم، يتم وصف بروتوكول خطوة بخطوة من هذا النظام بسيطة ex فيفو ميكروبيوتا دفعة الثقافة لإثبات استخدامه لتقدير التغيرات في ميكروبيوتا البراز والأيض الميكروبية بعد التدخل مع المغيرات ميكروبيوم.