Оптимизация технологии получения препарата бактерий человека для биологической коррекции микрофлоры кишечника

Fecal microbiota transplantation (FMT) is now considered as an effective tool for the treatment of various GI pathologies. Fecal preparations are delivered both through the lower GIT (enema, colonoscopy) and upper (endoscopy, capsules). A common disadvantage of instrumental methods of administration is their high invasiveness associated with the risk of intestinal perforation and the use of anesthesia. Oral capsules are minimally invasive, comfortable and more aesthetic, so this method of drug delivery is gaining popularity. The main issue with the use of frozen feces (including the lyophilisate used in capsules) is its efficiency compared to the original material. During lyophilization, cells are exposed to stress factors such as low temperatures, water crystallization, osmotic stress, changes in pH, and dehydration. To reduce the likelihood of cell damage during lyophilization, protective media (lyo-protectants) are used. In this work sucrose, gelatin, and their combinations have been used as lyoprotectors. To estimate the number of microorganisms, a bacteriological study was carried out. The number of Bifidobacteria, Lactobacilli, and the total number of E.coli and Enterobacteriaceae was estimated. It was found that the lyophilized stool sample containing 10% sucrose as a protective medium had the highest number of viable cells. Also, the physical properties of the lyophilisate (its flowability) are convenient for preparing capsulated form. The molar ratios of short chain fatty acids (SCFAs) in the original fecal samples and lyophilisates were studied by gas chromatography. The molar ratios of major SCFAs (acetate, propionate and butyrate) were identical in the samples studied. The composition of the protective medium in which the lyophilized biomaterial corresponds to the original feces in terms of the number of "live" microorganisms has been proposed. According to its physical characteristics lyophilisate is convenient for capsules preparation.К настоящему моменту эффективность трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ) при лечении различных патологий ЖКТ не вызывает сомнений. Препараты фекалий доставляют как через нижние отделы ЖКТ (клизма, колоноскопия), так и верхние (эндоскопия, капсулы). Общим недостатком инструментальных методов введения является их высокая инвазивность, связанная с риском перфорации кишечника и применением анестезии. Пероральные капсулы минимально инвазивны, удобны и более эстетичны, поэтому этот способ доставки препарата становится все более популярным. Основной вопрос, связанный с использованием замороженного кала (в том числе лиофилизата, используемого в капсулах), заключается в эффективности такого препарата по сравнению с исходным материалом. В процессе лиофилизации клетки подвергаются действию стрессовых факторов, таких как низкие температуры, кристаллизация воды, осмотический стресс, изменения рН растворов, дегидратация. Для снижения риска повреждений клеток при лиофилизации используют защитные среды (лиопротекторы). В качестве лиопротекторов в данной работе использовали сахарозу, желатин и их комбинации. Для оценки количества микроорганизмов проводили бактериологическое исследование. Оценивали количество бактерий рода Bifidobacterium, Lactobacillus, Escherichia, а также семейства Enterobacterales в целом. Установлено, что в лиофилизированном образце кала, содержащем в качестве защитной среды 10 % сахарозу, наблюдается наибольшее количество жизнеспособных клеток, физические свойства лиофилизата (его сыпучесть) удобны для наполнения капсул. Методом газовой хроматографии исследованы молярные соотношения КЖК в исходных образцах кала и лиофилизатах. Молярные соотношения мажорных короткоцепочечных жирных кислот (КЖК) ацетата, пропионата и бутирата оказались идентичны в исследуемых образцах. Предложен состав защитной среды, в которой лиофилизированный биоматериал максимально соответствует исходному калу по количеству «живых» микроорганизмов. Лиофилизат по своим физическим характеристикам удобен для приготовления капсул

Микробиом кишечника и метаболизм лекарственных соединений

The human physiology textbooks traditionally consider the intestine as a metabolically active organ, with its activity primarily associated with the production of numerous digestive enzymes. The development of molecular analysis technologies has significantly detailized this picture, primarily by decoding the metabolic potential of the intestinal microbiota. Data from numerous metagenomic studies indicate that the number of eukaryotic and bacterial cells in the human body is comparable - about 3.0×1013, while the number of genes in the intestinal metagenome is one hundred times greater than in the human genome. Obviously, the gut microbiota exhibits both direct and indirect effects on the metabolism of drugs and xenobiotics, that can affect their effectiveness and toxicity. Orally administrated xenobiotics have been found to be metabolized by intestinal microbial enzymes before being absorbed from the gastrointestinal tract into the blood flow. The metabolic reactions performed by the gut microbiota greatly differ from the metabolic reactions of the liver, providing modification of drugs by acetylation, deacetylation, decarboxylation, dehydroxylation, demethylation, dehalogenation, etc. Despite the metabolism of xenobiotics by microbial enzymes of the intestine is rather known, information about the specific microflora mediating each metabolic reaction is still limited, mainly by the lack of an adequate model of the intestinal microbial community to allow the accumulation of experimental data for the creation of computational models. Currently, studies of drug metabolism use microfluidic chips, reproducing functions of various organs and tissues, such as the liver, kidney, lungs and intestine, as in vitro models in the form of 2D and 3D cell cultures. Supplementation of such systems with the microbial community will allow to get as close as possible to in vitro modeling of complicated biological processes in the interests of pharmacological research and the accumulation of data for constructing computational models.В курсе физиологии человека кишечник традиционно рассматривают как метаболически активный орган, деятельность которого связывают в первую очередь с продукцией многочисленных пищеварительных ферментов. Развитие технологий молекулярного анализа позволило существенно детализировать эту картину, в первую очередь за счет расшифровки метаболического потенциала кишечной микробиоты. Данные многочисленных метагеномных исследований свидетельствуют, что количество эукариотических и бактериальных клеток в организме человека сопоставимо – около 3.0х1013, при этом количество генов в метагеноме кишечника в сто раз больше, чем в геноме человека. Очевидно, что микробиота кишечника оказывает как прямое, так и опосредованное влияние на метаболизм лекарственных препаратов и ксенобиотиков, что может сказаться на их эффективности и токсичности. Обнаружено, что ксенобиотики, вводимые перорально, могут метаболизироваться кишечными микробными ферментами еще до всасывания из желудочно-кишечного тракта в кровь. Метаболические реакции, выполняемые микробиотой кишечника, значительно отличаются от метаболических реакций печени, обеспечивая модификацию лекарственных препаратов путем ацетилирования, деацетилирования, декарбоксилирования, дегидроксилирования, деметилирования, дегалогенирования и др. Несмотря на то, что метаболизм ксенобиотиков микробными ферментами кишечника до некоторой степени известен, информация о конкретной микрофлоре, опосредующей каждую метаболическую реакцию, всё ещё ограничена, в первую очередь, отсутствием адекватной модели микробного сообщества кишечника, позволяющей накапливать экспериментальные данные для построения вычислительных моделей. Сегодня в исследовании метаболизма лекарственных средств применяют микрофлюидные чипы, на которых функции различных органов и тканей, таких как печень, почки, легкие и кишечник, воспроизводятся в виде in vitro моделей в форме 2D и 3D клеточных культур. Дополнение таких систем микробным сообществом позволит максимально приблизиться к моделированию in vitro сложных биологических процессов в интересах фармакологических исследований и накопления данных для построения вычислительных моделей

Discrimination between Streptococcus pneumoniae and Streptococcus mitis based on sorting of their MALDI mass spectra

AbstractAccurate species-level identification of alpha-hemolytic (viridans) streptococci (VGS) is very important for understanding their pathogenicity and virulence. However, an extremely high level of similarity between VGS within the mitis group (S. pneumoniae, S. mitis, S. oralis and S. pseudopneumoniae) often results in misidentification of these organisms. Earlier, matrix-assisted laser desorption ionization–time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) has been suggested as a tool for the rapid identification of S. pneumoniae. However, by using Biotyper 3.0 (Bruker) or Vitek MS (bioMérieux) databases, Streptococcus mitis/oralis species can be erroneously identified as S. pneumoniae. ClinProTools 2.1 software was used for the discrimination of MALDI-TOF mass spectra of 25 S. pneumoniae isolates, 34 S. mitis and three S. oralis. Phenotypical tests and multilocus gene typing schemes for the S. pneumoniae (http://spneumoniae.mlst.net/) and viridans streptococci (http://viridans.emlsa.net/) were used for the identification of isolates included in the study. The classifying model was generated based on different algorithms (Genetic Algorithm, Supervised Neural Network and QuickClassifier). In all cases, values of sensitivity and specificity were found to be equal or close to 100%, allowing discrimination of mass spectra of different species. Three peaks (6949, 9876 and 9975 m/z) were determined conferring the maximal statistical weight onto each model built. We find this approach to be promising for viridans streptococci discrimination

Изучение видового разнообразия бактерий рода Bifidobacterium кишечной микрофлоры с использованием метода MALDI-TOF масс-спектрометрии

Background: The members of genus Bifidobacterium represent a significant part of intestinal microbiota in adults and predominate in infants. Species repertoire of the intestinal bifidobacteria is known to be subjected to major changes with age; however, many details of this process are still to be elucidated.Objective: Our aim was to study the diversity of intestinal bifidobacteria and changes of their qualitative and quantitative composition characteristics during the process of growing up using MALDI-TOF mass-spectrometric analysis of pure bacterial cultures.Methods: A cross-sectional study of bifidobacteria in the intestinal microbiota was performed in 93 healthy people of the ages from 1 month to 57 years. Strains were identified using Microflex LT MALDI-TOF MS, the confirmation was performed by 16S rRNA gene fragment sequencing.Results: 93% of isolated bifidobacterial strains were successfully identified using MALDI-TOF mass-spectrometry. At least two of the strains from each species were additionally identified by 16S rRNA gene fragment sequencing, in all of the cases the results were the same. It was shown that the total concentration of bifidobacteria decreases with age (p 0.001) as well as the frequency of isolation of Bifidobacterium bifidum (p =0.020) and Bifidobacterium breve (p 0.001), and the frequency of isolation of Bifidobacterium adolescentis, increases (p 0.001), representing the continuous process of transformation of microbiota.Conclusion: The method of MALDI-TOF mass spectrometry demonstrated the ability to perform rapid and reliable identification of bifidobacteria that allowed the study of changes in the quantitative and qualitative characteristics of human microbiota in the process of growing up.Представители рода Bifidobacterium представляют значительную часть микрофлоры кишечника взрослых людей и численно доминируют в микрофлоре младенцев. Известно, что видовой состав кишечных бифидобактерий подвергается сильным изменениям с возрастом, однако многие детали этого процесса остаются неясными.Цель исследования: изучить видовое разнообразие бифидобактерий кишечника и изменения их качественного и количественного состава в процессе взросления человека при помощи технологии MALDI-TOF масс-спектрометрического анализа белковых профилей чистых культур.Методы: кросс-секционное исследование разнообразия бифидобактерий в составе нормальной микрофлоры кишечника проведено у 93 человек в возрасте от 1 мес до 57 лет. Осуществляли выделе- ние чистых культур и их идентификацию на приборе Microflex LT MALDI-TOF MS (Bruker Daltonics, Германия), подтверждение реализовывали с использованием секвенирования фрагмента гена 16S рРНК.Результаты: с применением MALDI-TOF масс-спектрометрии было успешно идентифицировано 93% выделенных штаммов бифидобактерий. Минимум по 2 представителя от каждого из видов были дополнительно определены методом секвенирования фрагмента гена 16SрРНК; во всех случаях результаты методов совпали. Показано, что с возрастом происходит снижение общей концентрации бифидобактерий (p 0,001), уменьшается встречаемость видов Bifidobacterium bifidum (p =0,020) и Bifidobacterium breve (p 0,001), а встречаемость вида Bifidobacterium adolescentis увеличивается (p 0,001), отражая постепенные процессы перестройки микрофлоры.Заключение: метод MALDI-TOF масс-спектрометрии показал возможность быстрой и надежной идентификации бифидобактерий, позволившей провести исследование изменений количественных и качественных показателей микрофлоры человека в процессе взрослени

GENERATION AND CHARACTERIZATION OF A NEUTRALIZING MONOCLONAL ANTIBODY AGAINST RABIES VIRUS

Rabies is a zoonotic disease, for which effective treatment methods after the onset of clinical symptoms have not been developed yet. Polyclonal sera, both human and equine, along with vaccines are important means of disease prophylaxis. However, due to adverse reactions to the immunoglobulins of animal origin, high cost, and limited availability of the safer human serum, polyclonal antibodies should be substituted for a stable and efficient preparation, which is recombinant neutralizing antirabies monoclonal antibodies (mAbs). This paper reports generation of the humanized mAb 1C5, which binds with the antigenic site (AS) III of the rabies virus glycoprotein (RABVG) and demonstrates high virus neutralization activity in the fluorescent antibody virus neutralization test, as a result of expression in the Chinese hamster ovary (CHO) cells

An improved and extended dual-index multiplexed 16S rRNA sequencing for the Illumina HiSeq and MiSeq platform

Abstract Background Recent advancements in next-generation sequencing (NGS) technology have ushered in significant improvements in sequencing speed and data throughput, thereby enabling the simultaneous analysis of a greater number of samples within a single sequencing run. This technology has proven particularly valuable in the context of microbial community profiling, offering a powerful tool for characterizing the microbial composition at the species level within a given sample. This profiling process typically involves the sequencing of 16S ribosomal RNA (rRNA) gene fragments. By scaling up the analysis to accommodate a substantial number of samples, sometimes as many as 2,000, it becomes possible to achieve cost-efficiency and minimize the introduction of potential batch effects. Our study was designed with the primary objective of devising an approach capable of facilitating the comprehensive analysis of 1,711 samples sourced from diverse origins, including oropharyngeal swabs, mouth cavity swabs, dental swabs, and human fecal samples. This analysis was based on data obtained from 16S rRNA metagenomic sequencing conducted on the Illumina MiSeq and HiSeq sequencing platforms. Results We have designed a custom set of 10-base pair indices specifically tailored for the preparation of libraries from amplicons derived from the V3-V4 region of the 16S rRNA gene. These indices are instrumental in the analysis of the microbial composition in clinical samples through sequencing on the Illumina MiSeq and HiSeq platforms. The utilization of our custom index set enables the consolidation of a significant number of libraries, enabling the efficient sequencing of these libraries in a single run. Conclusions The unique array of 10-base pair indices that we have developed, in conjunction with our sequencing methodology, will prove highly valuable to laboratories engaged in sequencing on Illumina platforms or utilizing Illumina-compatible kits

Gene Networks Underlying the Resistance of Bifidobacterium longum to Inflammatory Factors

As permanent residents of the normal gut microbiota, bifidobacteria have evolved to adapt to the host’s immune response whose priority is to eliminate pathogenic agents. The mechanisms that ensure the survival of commensals during inflammation and maintain the stability of the core component of the normal gut microbiota in such conditions remain poorly understood. We propose a new in vitro approach to study the mechanisms of resistance to immune response factors based on high-throughput sequencing followed by transcriptome analysis. This approach allowed us to detect differentially expressed genes associated with inflammation. In this study, we demonstrated that the presence of the pro-inflammatory cytokines IL-6 and TNFα to the growth medium of the B. longum subsp. longum GT15 strain changes the latter’s growth rate insignificantly while affecting the expression of certain genes. We identified these genes and performed a COG and a KEGG pathway enrichment analysis. Using phylogenetic profiling we predicted the operons of genes whose expression was triggered by the cytokines TNFα and IL-6 in vitro. By mapping the transcription start points, we experimentally validated the predicted operons. Thus, in this study, we predicted the genes involved in a putative signaling pathway underlying the mechanisms of resistance to inflammatory factors in bifidobacteria. Since bifidobacteria are a major component of the human intestinal microbiota exhibiting pronounced anti-inflammatory properties, this study is of great practical and scientific relevance. © Copyright © 2020 Veselovsky, Dyachkova, Menyaylo, Polyaeva, Olekhnovich, Shitikov, Bespiatykh, Semashko, Kasianov, Ilina, Danilenko and Klimina