Модель In Vitro Batch-culture для оценки влияния интервенционных режимов на человеческую фекальную микробиоту

Микробиота человека представляет собой сложное сообщество, состоящее из бактерий, археев, вирусов и эукариотических микробов¹, которые населяют человеческое тело внутри и снаружи. Недавние данные установили фундаментальную роль кишечной микробиоты и микрофлоры кишечника (вся коллекция микробов и их генов, найденных в желудочно-кишечном тракте человека) в различных заболеваниях человека, включая ожирение, диабет, сердечно-сосудистых заболеваний, и рак^1,2^,3. Кроме того, микроорганизмы, живущие в нашем кишечнике производят широкий спектр метаболитов, которые существенно влияют на наше здоровье, а также может способствовать патофизиологии нескольких заболеваний, а также различные метаболические функции^{4, 5}. Аномальные изменения (возмущения) в составе и функции этой кишечной микробной популяции обычно называют “кишка дисбиоз”. Дисбиоз обычно ассоциируется с нездоровым состоянием хозяина и, следовательно, может быть дифференцирован от нормального (гомеостатического) микробного сообщества, связанного со здоровым состоянием контроля хозяина. Специфические модели дисбиоза микрофлоры кишечника часто встречаютсяпри различных заболеваниях 1,^2,3,6,7.

Брожение непереваренной пищи, особенно ферментируемых углеводов/волокон, кишечной микробиотой не только дает энергию, но и производит различные метаболиты, включая короткоцепочечные жирные кислоты (СКФА), лактат, кормуковый, углекислый газ, метана, водорода и этанола⁶. Кроме того, кишечная микробиота также производит ряд других биологически активных веществ, таких как фолат, биотин, триметиламин- N-оксид, серотонин, триптофан, гамма-аминобутирная кислота, допамин, норадреналин, ацетилхолин, гистамин, дезоксихоловая кислота и 4-этилфенилов сульфат. Это происходит в первую очередь за счет использования внутренних метаболических флюсов в нише хозяина-микроба,которая способствует нескольким процессам тела, метаболическим функциям и эпигенетическим изменениям 1,^{8,9, 10}. Однако воздействие различных вмешательств на такие микробные продукты остается незаметным или неясным из-за отсутствия простых, эффективных и воспроизводимых протоколов. Состав микробиоты кишечника человека является чрезвычайно сложной и разнообразной экосистемой, и поэтому многие вопросы о его роли в здоровье человека и патологии болезней по-прежнему остаются без ответа. Влияние многих распространенных модуляторов микробиома кишечника (например, пробиотиков, пребиотиков, антибиотиков, фекальной трансплантации и инфекций) на состав и метаболические функции кишечной микробиоты остаются в значительной степени неуловимыми. Кроме того, изучение и проверка этих эффектов in vivo затруднена, особенно потому, что большинство питательных веществ и метаболитов, вырабатываемых микрофлорой кишечника, поглощаются или удаляются одновременно и быстро в кишечнике; поэтому измерение производства, количества и переработки этих метаболитов (например, SCFA) in vivo по-прежнему остается практическим вызовом. Действительно, физиологические модели, такие как животные и человеческие субъекты имеют решающее значение для определения роли микрофлоры кишечника и его модуляции на здоровье хозяина, но они не могут быть пригодны для крупномасштабного скрининга различных типов модуляторов микробиома из-за этические, денежные или временные ограничения. С этой целью, in vitro и/или ex vivo модели, такие как культивирование кишечной микробиоты in vitro, а затем вмешательство с различными модуляторами микробиоты, могут предложить возможности экономии времени и денег и, следовательно, могут позволить предварительный или крупномасштабный скрининг различные компоненты (такие как пробиотики, пребиотики и другие интервенционные соединения) для изучения/прогнозирования их воздействия на разнообразие фекальной микробиоты, состав и метаболические профили. Исследования с использованием таких in vitro и ex vivo систем микрофлоры кишечника могут способствовать дальнейшему пониманию взаимодействий хозяина-микробиома, которые способствуют здоровью и болезням хозяина, а также могут привести к поиску новых методов лечения, нацеленных на микробиом улучшить здоровье хозяина и профилактики илечения различных заболеваний 1.

Хотя системы культуры микрофлоры кишечника in vitro не могут по-настоящему воспроизвести фактические кишечные условия, несколько лабораторий пытались разработать такие модели, некоторые из которых были признаны практически осуществимыми в некоторой степени и успешно использовались для различных целей. Одной из последних моделей кишечника является симулятор кишечной микробной экосистемы человека, который имитирует весь желудочно-кишечный тракт человека, включая желудок, тонкий кишечник и различные области толстой кишки. Однако такие технически сложные модели могут быть недоступны для других научно-исследовательских учреждений во всем мире. Поэтому по-прежнему существует острая необходимость в разработке новых альтернативных моделей, которые являются относительно простыми, доступными и практичными для лабораторий, изучающих модуляторы микробиома и их воздействие на микрофлору кишечника и здоровье хозяев. Таким образом, использование in vitro (или ex vivo) фекальной системы культуры микробиоты было бы полезно для изучения последствий таких мероприятий^11,12. В частности, влияние различных пребиотиков на способность брожения микробиоты с точки зрения периодических изменений в разнообразии и составе микрофлоры кишечника, фекальных рН, а также уровни микробных метаболитов, включая СКФА и лактат, могут быть изучены ¹³. В этом случае, используя инулин (один из наиболее широко изученных пребиотических компонентов) в качестве примера модулятора микробиома, пошаговым протоколом этой простой системы пакетной культуры ex vivo microbiota описан, чтобы продемонстрировать его использование для оценки изменения в фекальной микробиоты и микробных метаболитов после вмешательства с модуляторами микробиома.