An in vitro batch-kultur modell for å anslå virkningene av interventional regimer på Human avføring bakterieflora

Den menneskelige bakterieflora er et komplekst samfunn bestående av bakterier, Archaea, virus og eukaryote mikrober¹, som bor i menneskekroppen internt og eksternt. Nylige bevis har etablert den grunnleggende rollen til tarmen bakterieflora og tarmen mikrobiomet (hele samlingen av mikrober og deres gener som finnes i den menneskelige mage-tarmkanalen) i ulike menneskelige sykdommer, inkludert fedme, diabetes, kardiovaskulære sykdommer, og kreft^1,2,3. I tillegg mikroorganismer som lever i vår gut produsere et bredt spekter av metabolitter som i betydelig grad påvirker vår helse og kan også bidra til patofysiologi av flere sykdommer, samt en rekke metabolske funksjoner^{4, 5}. unormale forandringer (forstyrrelser) i sammensetningen og funksjon av denne tarmen mikrobiell befolkning er generelt betegnet som “gut dysbiosis”. Dysbiosis er vanligvis forbundet med en usunn tilstand av verten og dermed kan skilles fra den normale (homøostatisk) mikrobielle samfunn forbundet med en sunn kontroll tilstand verten. Spesifikke mønstre av gut mikrobiomet dysbiosis er ofte funnet i ulike sykdommer^1,2,3,6,7.

Gjæring av ufordøyd mat, spesielt fermentable karbohydrater/fibre, av tarmen bakterieflora ikke bare gir energi, men også produserer avvikende metabolitter inkludert Short-Chain fettsyrer (SCFAs), melkesyre, formiat, karbondioksid, metan, hydrogen og etanol⁶. I tillegg, tarmen bakterieflora produserer også en rekke andre bioaktive stoffer som folat, biotin, trimetylamin-N-oksid, serotonin, tryptofan, gamma-aminobutyric acid, dopamin, noradrenalin, acetylkolin, histamin, deoxycholic syre, og 4-ethylphenyl sulfat. Dette skjer hovedsakelig gjennom utnyttelse av indre metabolske flukser innenfor Host-mikrobe nisje, som bidrar i flere kroppens prosesser, metabolske funksjoner og epigenetic endringer^{1,8,9, 10}i. Men virkningene av ulike intervensjoner på slike mikrobielle produkter forblir ukjent eller uklart på grunn av mangel på enkel, effektiv og reproduserbar protokoller. Den menneskelige gut bakterieflora sammensetning er en svært kompleks og mangfoldig økosystem, og dermed mange spørsmål om sin rolle i menneskers helse og sykdom patologi fortsatt forblir ubesvart. Effekten av mange vanlige gut mikrobiomet modulatorer (f. eks, probiotika, Prebiotics, antibiotika, avføring transplantasjon og infeksjoner) på sammensetningen og metabolske funksjoner av intestinal bakterieflora fortsatt i stor grad unnvikende. I tillegg er undersøkelse og validering av disse effektene i vivo vanskelig, spesielt fordi de fleste av næringsstoffene og metabolitter som produseres av tarmen bakterieflora absorberes eller kastes samtidig og raskt i tarmen; Derfor er det fortsatt en praktisk utfordring å måle produksjonen, mengden og behandlingen av disse metabolitter (f.eks. SCFAs) in vivo. Faktisk, fysiologiske modeller som dyr og mennesker er avgjørende for å bestemme hvilken rolle gut mikrobiomet og modulering på verten helse, men disse kan ikke være egnet for stor skala screening av ulike typer mikrobiomet modulatorer grunn etiske, monetære eller tidspress. For dette formål, in vitro og/eller ex vivo-modeller, slik som dyrking av gut bakterieflora in vitro og deretter intervenere med ulike bakterieflora modulatorer, kan tilby tid-og penger-sparing muligheter og dermed kan tillate for foreløpige eller stor skala screening av ulike komponenter (for eksempel probiotika, Prebiotics, og andre interventional forbindelser) for å undersøke/forutsi deres virkninger på avføring bakterieflora mangfold, sammensetning og metabolske profiler. Studier som bruker slike in vitro-og ex vivo-systemer i tarmen mikrobiomet kan legge til rette for ytterligere forståelse av mikrobiomet interaksjoner som bidrar til å være vert for helse og sykdom, og kan også føre til å finne romanen behandlinger som mål mikrobiomet til forbedre verten helse og forebygge og behandle ulike sykdommer¹.

Selv om in vitro gut bakterieflora kultur systemer ikke kan virkelig gjenskape den faktiske tarm forhold, flere laboratorier har forsøkte å utvikle slike modeller, noen som har blitt funnet praktisk mulig til en viss grad og har blitt brukt til forskjellige formål. En av de siste gut modellene er Simulator av Human intestinal mikrobiell økosystem, som etterligner hele den menneskelige mage-tarmkanalen, inkludert magen, tynntarmen, og ulike regioner i tykktarmen. Imidlertid kan slike teknisk komplekse modeller ikke være tilgjengelig for andre forskningsanlegg over hele verden. Derfor er det fortsatt et kritisk behov for utvikling av nye alternative modeller som er relativt enkle, rimelige og praktiske for laboratorier studere mikrobiomet modulatorer og deres virkninger på Gut bakterieflora og Host helse. Derfor vil bruken av en in vitro (eller ex vivo) avføring bakterieflora kultur system være nyttig for å studere virkningene av slike intervensjoner^11,12. Nærmere bestemt, effekten av ulike Prebiotics på bakterieflora gjæring kapasitet i form av periodiske endringer i tarmen bakterieflora mangfold og sammensetning, den avføring pH, og nivåene av mikrobielle metabolitter inkludert SCFAs og melkesyre kan bli studert ¹³. heri, ved hjelp av inulin (en av de mest studerte prebiotiske komponenter) som et eksempel på mikrobiomet modulator, en trinnvis protokoll for denne enkle ex vivo bakterieflora batch-kultur systemet er beskrevet for å demonstrere sin bruk for å anslå endringer i avføring bakterieflora og mikrobielle metabolitter etter intervensjon med mikrobiomet modulatorer.