Un modèle de culture de lots in vitro pour estimer les effets des régimes interventionnels sur le microbiote fécal humain
Summary
Ce protocole décrit un système in vitro de fermentation par lots-culture du microbiote fécal humain, utilisant l’inuline (un prébiotique bien connu et l’un des modulateurs de microbiote les plus largement étudiés) pour démontrer l’utilisation de ce système dans l’estimation des effets de sur la composition du microbiote fécal et les activités métaboliques.
Abstract
Le rôle émergent du microbiome intestinal dans plusieurs maladies humaines exige une percée de nouveaux outils, techniques et technologies. De telles améliorations sont nécessaires pour déchiffrer l’utilisation des modulateurs de microbiome pour les bienfaits pour la santé humaine. Cependant, le dépistage à grande échelle et l’optimisation des modulateurs pour valider la modulation du microbiome et prédire les avantages connexes pour la santé peuvent être pratiquement difficiles en raison de la nécessité d’un grand nombre d’animaux et / ou des sujets humains. À cette fin, les modèles in vitro ou ex vivo peuvent faciliter le dépistage préliminaire des modulateurs de microbiome. Ici, il est optimisé et a démontré un système de culture de microbiote fécal ex vivo qui peut être employé pour examiner les effets de diverses interventions des modulateurs de microbiome d’intestin comprenant des probiotiques, des prebiotiques et d’autres ingrédients alimentaires, en dehors de nutraceutiques et de drogues, sur la diversité et la composition du microbiote intestinal humain. L’inuline, l’un des composés prébiotiques et modulateurs de microbiome les plus étudiés, est utilisée comme exemple ici pour examiner son effet sur la composition saine du microbiote fécal et ses activités métaboliques, telles que le pH fécal et les niveaux fécaux d’acides organiques y compris les acides gras à chaîne courte (SCFA). Le protocole peut être utile pour les études visant à estimer les effets des différentes interventions des modulateurs sur les profils de microbiotes fécaux et à prédire leurs impacts sur la santé.
Introduction
Le microbiote humain est une communauté complexe composée de bactéries, d’archées, de virus et de microbes eucaryotes1, qui habitent le corps humain à l’intérieur et à l’extérieur. Des preuves récentes ont établi le rôle fondamental du microbiote intestinal et du microbiome intestinal (toute la collection de microbes et de leurs gènes présents dans le tractus gastro-intestinal humain) dans diverses maladies humaines, y compris l’obésité, le diabète, maladies cardiovasculaires, et le cancer1,2,3. En outre, les micro-organismes vivant dans notre intestin produisent un large spectre de métabolites qui affectent de manière significative notre santé et peuvent également contribuer à la physiopathologie de plusieurs maladies aussi bien qu’à une variété de fonctions métaboliques4, 5. Les changements anormaux (perturbations) dans la composition et la fonction de cette population microbienne intestinale sont généralement appelés « dysbiose intestinale ». La dysbiose est habituellement associée à un état malsain de l’hôte et peut donc être différenciée de la communauté microbienne normale (homéostatique) associée à un état de contrôle sain de l’hôte. Des modèles spécifiques de dysbiose de microbiome intestinal sont souvent trouvés dans diverses maladies différentes1,2,3,6,7.
La fermentation d’aliments non digérés, en particulier les glucides fermentables/fibres, par le microbiote intestinal non seulement produit de l’énergie, mais produit également des métabolites divergents, y compris les acides gras à chaîne courte (SCFA), lactate, formate, dioxyde de carbone, méthane, hydrogène et éthanol6. En outre, le microbiote intestinal produit également un certain nombre d’autres substances bioactivestelles que le folate, la biotine, la triméthylamine- N-oxyde, la sérotonine, le tryptophane, l’acide gamma-aminobutyrique, la dopamine, la noradrénaline, l’acétylcholine, l’histamine, acide désoxycholique, et sulfate de 4-éthylphényl. Cela se produit principalement par l’utilisation de flux métaboliques intrinsèques dans la niche hôte-microbe, qui contribue à plusieurs processus du corps, fonctions métaboliques et changements épigénétiques1,8,9, 10. Cependant, les effets de diverses interventions sur ces produits microbiens restent inconnus ou peu clairs en raison de l’absence de protocoles faciles, efficaces et reproductibles. La composition du microbiote intestinal humain est un écosystème extrêmement complexe et diversifié, et par conséquent, de nombreuses questions sur son rôle dans la santé humaine et la pathologie des maladies restent sans réponse. Les effets de nombreux modulateurs de microbiome intestinal communs (p. ex. probiotiques, prébiotiques, antibiotiques, transplantations fécales et infections) sur la composition et les fonctions métaboliques du microbiote intestinal demeurent largement insaisissables. En outre, l’examen et la validation de ces effets in vivo est difficile, en particulier parce que la plupart des nutriments et des métabolites produits par le microbiote intestinal sont absorbés ou éliminés simultanément et rapidement dans l’intestin; par conséquent, la mesure in vivo de la production, de la quantité et du traitement de ces métabolites (p. ex., les SCFA) demeure un défi pratique. En effet, les modèles physiologiques tels que les animaux et les sujets humains sont essentiels pour déterminer le rôle du microbiome intestinal et sa modulation sur la santé de l’hôte, mais ceux-ci peuvent ne pas convenir au dépistage à grande échelle de différents types de modulateurs de microbiome en raison de contraintes éthiques, monétaires ou temporelles. À cette fin, les modèles in vitro et/ou ex vivo, tels que la culture du microbiote intestinal in vitro, puis l’intervention avec différents modulateurs de microbiote, peuvent offrir des possibilités d’économie de temps et d’argent et peuvent donc permettre un dépistage préliminaire ou à grande échelle de divers composants (tels que les probiotiques, les prébiotiques et d’autres composés interventionnels) pour examiner/prédire leurs effets sur la diversité, la composition et les profils métaboliques du microbiote fécal. Les études utilisant ces systèmes in vitro et ex vivo du microbiome intestinal peuvent faciliter une meilleure compréhension des interactions hôte-microbiome qui contribuent à la santé et à la maladie de l’hôte, et pourraient également mener à la recherche de nouvelles thérapies qui ciblent le microbiome à améliorer la santé de l’hôte et prévenir et traiter diverses maladies1.
Bien que les systèmes de culture in vitro de microbiote intestinal ne puissent pas vraiment reproduire les conditions intestinales réelles, plusieurs laboratoires se sont efforcés de développer de tels modèles, dont certains ont été jugés réalisables dans une certaine mesure et ont été utilisés avec succès pour à des fins différentes. L’un des modèles intestinaux récents est le simulateur de l’écosystème microbien intestinal humain, qui imite l’ensemble du tractus gastro-intestinal humain, y compris l’estomac, l’intestin grêle et différentes régions du côlon. Cependant, de tels modèles techniquement complexes peuvent ne pas être accessibles à d’autres installations de recherche dans le monde entier. Par conséquent, il y a encore un besoin critique pour le développement de nouveaux modèles alternatifs qui sont relativement simples, abordables et pratiques pour les laboratoires qui étudient les modulateurs de microbiome et leurs effets sur le microbiote intestinal et la santé de l’hôte. Par conséquent, l’utilisation d’un système de culture du microbiote fécal in vitro (ou ex vivo) serait utile pour étudier les effets de telles interventions11,12. Plus précisément, l’effet de différents prébiotiques sur la capacité de fermentation du microbiote en termes de changements périodiques dans la diversité et la composition du microbiote intestinal, le pH fécal et les niveaux de métabolites microbiens, y compris les SCFA et le lactate, peut être étudié 13. Dans la herein, en utilisant l’inuline (l’un des composants prébiotiques les plus étudiés) comme exemple du modulateur de microbiome, un protocole étape par étape de ce système simple de culture par lots de microbiote ex vivo est décrit pour démontrer son utilisation pour estimer le changements dans le microbiote fécal et les métabolites microbiens suivant l’intervention avec les modulateurs de microbiome.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le modèle in vitro de fermentation de lisier fécal présenté ici est un modèle simple à un seul lot pour approximer les effets de différents substrats et souches microbiennes (par exemple, prébiotiques et probiotiques) sur la composition du microbiote fécal humain ainsi que son les activités métaboliques en termes de pH fécal et de niveaux de SCFA. Les résultats présentés ici démontrent que l’inoculation de l’inuline diminue le pH fécal et augmente de manière significative les niveaux de SCFA et de lacta…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient le soutien financier du Center for Diabetes, Obesity and Metabolism et du Clinical and Translational Science Center, de la Wake Forest School of Medicine, du financement du ministère de la Défense (numéro de subvention : W81XWH-18-1-0118), la Chaire Kermit Glenn Phillips II en médecine cardiovasculaire; les National Institutes of Health ont financé le Claude D. Pepper Older Americans Center (financé par P30AG12232); R01AG18915; R01DK114224 et le Clinical and Translational Science Center (Clinical Research Unit, financé par UL1TR001420), sont également reconnus avec reconnaissance. Nous remercions également les bénévoles d’avoir fourni des échantillons de matières fécales, ainsi que nos autres membres du laboratoire pour leur aide technique au cours de cette expérience.
Materials
| Ammonium Bicarbonate (NH4HCO3) | Sigma-Aldrich | 217255 | |
| Ammonium Sulfate (NH4)2SO4 | TGI | C2388 | Toxic |
| Calcium Chloride Dihydrate (CaCl2•2H2O) | Sigma-Aldrich | C3306 | Irritating |
| Cobaltous Chloride Hexahydrate (CoCl2•6H2O) | Sigma-Aldrich | 255599 | |
| Cupric Chloride Dihydrate (CuCl2•2H2O) | Acros organics | 2063450000 | Toxic, Irritating |
| Cysteine-HCl | Sigma-Aldrich | C121800 | |
| D-biotin | Sigma-Aldrich | B4501 | |
| D-Pantothenic acid | Alfa Aesar | A16609 | |
| Disodium Ethylenediaminetetraacetate Dihydrate (Na2EDTA) | Biorad | 1610729 | |
| DL-α-methylbutyrate | Sigma-Aldrich | W271918 | |
| Ferrous Sulfate Heptahydrate (FeSO4•7H2O) | Sigma-Aldrich | F8263 | Toxic |
| Folic acid | Alfa Aesar | J62937 | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| Hemin | Sigma-Aldrich | H9039 | |
| Hepes | Alfa Aesar | A14777 | |
| Isobutyrate | Alfa Aesar | L04038 | |
| Isovalerate | Alfa Aesar | A18642 | |
| Magnesium Chloride Hexahydrate (MgCl2•6H2O) | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| Manganese Chloride Tetrahydrate (MnCl2•4H2O) | Sigma-Aldrich | 221279 | |
| Niacin (Nicotinic acid) | Sigma-Aldrich | N4126 | |
| Nickel(Ii) Chloride Hexahydrate (NiCl2•6H2O) | Alfa Aesar | A14366 | Toxic |
| N-valerate | Sigma-Aldrich | 240370 | |
| P-aminobenzoic acid | MP China | 102569 | Toxic, Irritating |
| Phosphoric Acid (H3PO4) | Sigma-Aldrich | P5811 | |
| Potassium Dihydrogen Phosphate (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P5504 | |
| Potassium Hydrogen Phosphate (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 1551128 | |
| Pyridoxine | Alfa Aesar | A12041 | |
| Resazurin | Sigma-Aldrich | R7017 | |
| Riboflavin | Alfa Aesar | A11764 | |
| Sodium carbonate (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | 1613757 | |
| Sodium chloride (NaCl) | Fisher BioReagents | 7647-14-5 | |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Fisher Chemicals | S320 | |
| Sodium Molybdate Dihydrate (Na2MoO4•2H2O) | Acros organics | 206375000 | |
| Thiamine Hydrochloride (Thiamin-HCl) | Acros organics | 148991000 | |
| Trypticase | BD Biosciences | 211921 | |
| Vitamin B12 | Sigma-Aldrich | V2876 | |
| Yeast extract | Sigma-Aldrich | 70161 | |
| Zinc Sulfate Heptahydrate (ZnSO4•7H2O) | Sigma-Aldrich | Z0251 | |
| 0.22 µm membrane filter | |||
| AMPure magnetic purification beads | Agencourt | ||
| Anaerobic chamber with incubatore | Forma anaerobic system, Thermo Scientific, USA | ||
| Bottle filter | Corning | ||
| Cheesecloth | |||
| Illumina MiSeq sequencer | Miseq reagent kit v3 | ||
| pH meter | |||
| Qiagen PowerFecal kit | Qiagen | ||
| Quantitative Insights into Microbial Ecology (QIIME) software | |||
| Qubit-3 fluorimeter | InVitrogen | ||
| Vortex | Thermoscientific | ||
| Waters-2695 Alliance HPLC system | Waters Corporation |
References
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