再現可能な小腸微生物叢モデルの開発と、動的なin vitro腸モデルであるSHIME®システムへの統合

人間の胃腸管は、異なる地域で構成されており、それぞれが明確な生理学、解剖学、および微生物群集によって特徴付けられています。結腸微生物叢は最近の研究プロジェクトで多くの注目を集めていますが、主にin vivoでのこの領域のアクセス不能のため、小腸微生物叢と摂取された化合物との相互作用についてはほとんど知られていません。したがって、この研究は、SHIME®テクノロジーを使用して、回腸微生物叢の動的かつ長期シミュレーションを開発および検証することを目的としています。18日間にわたってさまざまな接種戦略、栄養媒体、環境パラメーターをテストするスクリーニング実験から、必須パラメーターが特定され、最適化されました。合成細菌コンソーシアムを選択した条件にかけると、安定した微生物叢が生じ、存在量[8.81±0.12 log（細胞/ml）]、組成、および機能の点で代表的でした。実際、観察されたコミュニティは、主にストレプトコッカス、ベイロネラ、エンテロコッカス、ラクトバチルス、およびクロストリジウム（QPCRおよび16S rRNA遺伝子がイルミナシーケンスを標的とする）で構成されていましたが、栄養投与は乳酸の産生を促進しました。さらに、in vivoと同様に、胆汁塩は部分的にのみ脱調合され、二次胆汁塩にわずかに変換されました。小腸微生物叢モデルの再現性を確認した後、それは確立されたM-Shime®に統合され、結腸界の組成関連性をさらに高めました。この長期のin vitroモデルは、回腸細菌群集の代表的なシミュレーションを提供し、たとえば微生物や食事材の成分を補充した場合の回腸微生物叢のダイナミクスと活動の研究を促進します。さらに、この現在のin vitroシミュレーションの統合により、現在のM-Shime®テクノロジーの生物学的関連性が向上します。

The human gastrointestinal tract consists of different regions, each characterized by a distinct physiology, anatomy, and microbial community. While the colonic microbiota has received a lot of attention in recent research projects, little is known about the small intestinal microbiota and its interactions with ingested compounds, primarily due to the inaccessibility of this region in vivo. This study therefore aimed to develop and validate a dynamic, long-term simulation of the ileal microbiota using the SHIME®-technology. Essential parameters were identified and optimized from a screening experiment testing different inoculation strategies, nutritional media, and environmental parameters over an 18-day period. Subjecting a synthetic bacterial consortium to the selected conditions resulted in a stable microbiota that was representative in terms of abundance [8.81 ± 0.12 log (cells/ml)], composition and function. Indeed, the observed community mainly consisted of the genera Streptococcus, Veillonella, Enterococcus, Lactobacillus, and Clostridium (qPCR and 16S rRNA gene targeted Illumina sequencing), while nutrient administration boosted lactate production followed by cross-feeding interactions towards acetate and propionate. Furthermore, similarly as in vivo, bile salts were only partially deconjugated and only marginally converted into secondary bile salts. After confirming reproducibility of the small intestinal microbiota model, it was integrated into the established M-SHIME® where it further increased the compositional relevance of the colonic community. This long-term in vitro model provides a representative simulation of the ileal bacterial community, facilitating research of the ileum microbiota dynamics and activity when, for example, supplemented with microbial or diet components. Furthermore, integration of this present in vitro simulation increases the biological relevance of the current M-SHIME® technology.