biopreparatБИОпрепараты. Профилактика, диагностика, лечениеBiological Products. Prevention, Diagnosis, Treatment2221-996X2619-1156Scientific Centre for Expert Evaluation of Medicinal Products10.30895/2221-996X-2023-23-445biopreparat-445Research ArticleТЕМА НОМЕРА: РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВISSUE TOPIC: DEVELOPMENT AND IMPROVEMENT OF RUSSIAN BIOLOGICALSИсследование пробиотической активности метаболитов бактерий Bacillus subtilis при экспериментальном дисбиозе у мышейProbiotic activity of Bacillus subtilis metabolites in experimentally induced dysbiosis in micehttps://orcid.org/0000-0003-3206-6015ЛазаревС. А.LazarevS. А.

Лазарев Сергей Александрович

Малый Казенный пер., д. 5а, Москва, 105064

Sergei A. Lazarev

5А Maly Kazenny Ln., Moscow 105064

lazarevsr1@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6372-9910ВартановаН. О.VartanovaN. O.

Вартанова Нунэ Оганесовна, канд. биол. наук

Малый Казенный пер., д. 5а, Москва, 105064

Nune O. Vartanova, Cand. Sci. (Biol.)

5А Maly Kazenny Ln., Moscow 105064

labmicr@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8962-4765ПоддубиковА. В.PoddubikovA. V.

Поддубиков Александр Владимирович, канд. мед. наук

Малый Казенный пер., д. 5а, Москва, 105064

Alexander V. Poddubikov, Cand. Sci. (Med.)

5А Maly Kazenny Ln., Moscow 105064

poddubikov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6652-2093МихайловаН. А.MikhailovaN. A.

Михайлова Наталья Александровна, д-р мед. наук, проф.

Малый Казенный пер., д. 5а, Москва, 105064

Natalia A. Mikhailova, Dr. Sci. (Med.), Professor

5А Maly Kazenny Ln., Moscow 105064

n_michailova@inbox.ruФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт вакцин и сывороток им. И.И. Мечникова»РоссияI. Mechnikov Research Institute of Vaccines and SeraRussian Federation202325092023233-1Разработка и совершенствование отечественных биологических лекарственных средств431442Copyright © Лазарев С.А., Вартанова Н.О., Поддубиков А.В., Михайлова Н.А., 20232023Лазарев С.А., Вартанова Н.О., Поддубиков А.В., Михайлова Н.А.Lazarev S.А., Vartanova N.O., Poddubikov A.V., Mikhailova N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.biopreparations.ru/jour/article/view/445Актуальность

Актуальность. Перспективные средства для коррекции дисбиоза — метабиотики, препараты на основе метаболитов пробиотических микроорганизмов. В опытах in vitro бактерии Bacillus subtilis (штаммы 3H и 1719) в процессе культивирования синтезируют метаболиты, обладающие пробиотическими свойствами. Представляет интерес исследование влияния данных метаболитов in vivo на мукозную микробиоту толстого кишечника в условиях экспериментального дисбиоза (у мышей) и оценка возможности их применения в качестве метабиотиков в медицине.

Цель

Цель. Изучить пробиотическую активность метаболитов бактерий B. subtilis 3H и B. subtilis 1719 в сравнении с показателями коммерческого метабиотика при антибиотик-ассоциированном дисбиозе у мышей.

Материалы и методы

Материалы и методы. Работа проводилась на мышах линии BALB/c, массой 18–20 г. Экспериментальный дисбиоз моделировали при помощи внутрибрюшинного введения гентамицина. Для коррекции развившихся нарушений животным опытных групп в течение 21  сут  интрагастрально вводили  метаболиты  штаммов B. subtilis, иммобилизованные на сорбенте, а в группе сравнения — коммерческий метабиотик, содержащий метаболиты штамма B. subtilis ВКПМ № В-2335(3)3. Мукозную микробиоту толстого кишечника мышей качественно и количественно оценивали посредством бактериологического метода. Выросшие колонии микроорганизмов идентифицировали при помощи масс-спектрометрии MALDI-TOF.

Результаты

Результаты. Экспериментальный антибиотик-ассоциированный дисбиоз толстого  кишечника мышей проявился в снижении количества доминантной микробиоты и росте условно-патогенных микроорганизмов. Введение исследуемых метаболитов в течение 7 сут привело во всех опытных группах к нормализации содержания бактерий Lactobacillus; наилучшие показатели выявлены у животных, которым вводили штамм B. subtilis 3H, видовой состав лактобацилл соответствовал интактным мышам. Восстановление содержания лактозопозитивной кишечной палочки (E. coli lac+) достигло 100%. После 21 сут  применения метаболитов B. subtilis 3H зафиксирована элиминация бактерий Rodentibacter spp., Aerococcus spp., грибов Trichosporon spp., Kazachstania spp. Метаболиты штамма B. subtilis 1719 способствовали элиминации  грибов  Trichosporon spp.,  однако  не  влияли   на   количество Kazachstania spp. При введении коммерческого метабиотика выявлена элиминация Enterococcus spp., Kazachstania spp. и  Trichosporon spp.,  при  этом не  отмечено воздействия на Rodentibacter spp. и Aerococcus spp.

Выводы

Выводы. Метаболиты штаммов B. subtilis 3H и 1719 способствовали восстановлению качественного и количественного состава микробиоценоза толстого кишечника в условиях антибиотик-ассоциированного дисбиоза у мышей. Выявленные различия в процессах нормализации микробиоценоза в разных группах животных указывают на вариативность специфической активности бактерий B. subtilis.

Scientific relevance

Scientific relevance. A promising option for dysbiosis correction is the use of metabiotics, products based on metabolites of probiotic microorganisms. During fermentation, Bacillus subtilis bacteria (strains 3H and 1719) produce metabolites that exhibit probiotic properties in vitro. These observations in vitro motivate an in vivo investigation of B. subtilis metabolite effects on colonic mucosal microbiota in mice in experimentally induced dysbiosis and an assessment  of the potential of B. subtilis metabolites as metabiotics.

Aim

Aim. The authors aimed to compare the probiotic activity of B. subtilis 3H and B. subtilis 1719 metabolites and a commercial metabiotic in antibiotic-induced dysbiosis in mice.

Materials and methods

Materials and methods. The authors induced experimental dysbiosis in BALB/c mice weighing 18–20 g by intraperitoneal injection of gentamicin. For subsequent correction, the test groups received sorbent-bound B. subtilis metabolites, and the comparison group received a commercial metabiotic containing B. subtilis metabolites (VKPM B-2335(3)3) via intragastric injection   for 21 days. The quantitative and qualitative analysis of colonic mucosal microbiota included microbial culturing and colony identification by MALDI-TOF mass spectrometry.

Results

Results. Antibiotic-induced colonic dysbiosis in mice manifested itself as a decrease in the dominant microbiota and an increase in opportunistic pathogens. After 7 days of metabolite administration, the Lactobacillus population returned to normal in all treatment groups. The mice that received B. subtilis 3H metabolites showed the best results: their Lactobacillus spp. composition corresponded to that of intact animals. The content of Lac+ Escherichia coli returned to 100%   in all treatment groups. After 21  days  of  metabolite  administration,  the  authors  observed the elimination of bacteria (Rodentibacter spp., Aerococcus spp.) and fungi (Trichosporon spp., Kazachstania spp.) in the B. subtilis 3H group; Trichosporon spp. (no effect on Kazachstania spp.) in the B. subtilis 1719 group; and Enterococcus spp., Kazachstania spp., and Trichosporon spp. (no effect on Rodentibacter spp. and Aerococcus spp.) in the commercial metabiotic group.

Conclusions

Conclusions. Metabolites of B. subtilis strains 3H and 1719 help to restore the diversity and abundance of  colonic  microbiota  in  antibiotic-induced  dysbiosis.  The differences  observed in microbiota re-establishment in the treatment groups indicate that there is interstrain variability in the probiotic activity of B. subtilis metabolites.

Bacillus subtilis 3HBacillus subtilis 1719метаболиты B. subtilisантибиотик-ассоциированный дисбиозкоррекция дисбиозадисбиоз кишечникаметабиотикимукозная микробиотаBacillus subtilis 3HBacillus subtilis 1719B. subtilis metabolitesantibiotic-induced dysbiosisdysbiosis correctionintestinal dysbiosismetabioticsmucosal microbiotaИсследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2021-676 от 28.07.2021) с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования ФГБНУ «НИИВС им. И.И. Мечникова».The study was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of Russia (Agreement No. 075-15- 2021-676 of 28 July 2021), using the equipment of the Research Equipment Sharing Center of the I. Mechnikov Research Institute of Vaccines and Sera, Moscow, Russia.ReferencesБухарин ОВ, Перунова НБ. Роль микробиоты в регуляции гомеостаза организма человека при инфекции. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020;97(5):458–67. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-5-8Bukharin OV, Perunova NB. The role of microbiota in the regulation of homeostasis in the human body during infection. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2020;97(5):458–67 (In Russ.). https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-5-8Shenderov BA, Sinitsa AV, Zakharchenko MM, Lang C. Metabiotics: Present state, challenges and perspectives. Springer International Publishing; 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-34167-1Shenderov BA, Sinitsa AV, Zakharchenko MM, Lang C. Metabiotics: Present state, challenges and perspectives. Springer International Publishing; 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-34167-1Михайлова НА, Воеводин ДА, Лазарев СА. Современные представления о про-/эукариотических взаимодействиях организма человека — основа создания нового поколения пробиотических препаратов. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020;97(4):346–55. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-4-7Mikhailova NA, Voevodin DA, Lazarev SA. A modern view of pro-/eukaryote interactions in the human body as the basis for development of next-generation probiotics. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2020;97(4):346–55 (In Russ.). https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-4-7Hou K, Wu ZX, Chen XY, Wang JQ, Zhang D, Xiao C, et al. Microbiota in health and diseases. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):135. https://doi.org/10.1038/s41392-022-00974-4Hou K, Wu ZX, Chen XY, Wang JQ, Zhang D, Xiao C, et al. Microbiota in health and diseases. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):135. https://doi.org/10.1038/s41392-022-00974-4Kato I, Sun J. Microbiome and diet in colon cancer development and treatment. Cancer J. 2023;29(2): 89–97. https://doi.org/10.1097/PPO.0000000000000649Kato I, Sun J. Microbiome and diet in colon cancer development and treatment. Cancer J. 2023;29(2): 89–97. https://doi.org/10.1097/PPO.0000000000000649Несвижский ЮВ. Изучение изменчивости кишечного микробиоценоза человека в норме и патологии. Вестник Российской академии медицинских наук. 2003;(1):49–54. EDN: OHAQDJNesvizhsky YuV. Study of changes in the human intestinal micro-biocenosis in health and in disease. Bulletin of the Russian Academy of Medical Sciences. 2003;(1):49–54 (In Russ.). EDN: OHAQDJУспенский ЮП, Барышникова НВ. Дисбиоз кишечника и антибиотик-ассоциированная диарея в условиях стационара: профилактика и коррекция. Врач. 2019;(12):81–85. https://doi.org/10.29296/25877305-2019-12-21Uspensky YuP, Baryshnikova NV. Intestinal disbiosis and antibiotic-associated diarrhea in a hospital setting: prevention and correction. Vrach. 2019;(12): 81–5 (In Russ.). https://doi.org/10.29296/25877305-2019-12-21Weiss GA, Hennet T. Mechanisms and consequences of intestinal dysbiosis. Cell Mol Life Sci. 2017;74(16):2959–77. https://doi.org/10.1007/s00018-017-2509-xWeiss GA, Hennet T. Mechanisms and consequences of intestinal dysbiosis. Cell Mol Life Sci. 2017;74(16):2959–77. https://doi.org/10.1007/s00018-017-2509-xŻołkiewicz J, Marzec A, Ruszczyński M, Feleszko W. Postbiotics — a step beyond pre- and probiotics. Nutrients. 2020;12(8):2189. https://doi.org/10.3390/nu12082189Żołkiewicz J, Marzec A, Ruszczyński M, Feleszko W. Postbiotics — a step beyond pre- and probiotics. Nutrients. 2020;12(8):2189. https://doi.org/10.3390/nu12082189Шендеров БА, Ткаченко ЕИ, Лазебник ЛБ, Ардатская МД, Синица АВ, Захарченко ММ. Метабиотики — новая технология профилактики и лечения заболеваний, связанных с микроэкологическими нарушениями в организме человека. Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2018;151(3):83–92.Shenderov BA, Tkachenko EI, Lazebnik LB, Ardatskaya MD, Sinitsa AV, Zakharchenko MM. Metabiotics — novel technology of protective and treatment of diseases associated with microecological imbalance in human being. Experimental and Clinical Gastroenterology. 2018;151(3):83–92 (In Russ.).Олескин АВ, Шендеров БА. Пробиотики, психобиотики и метабиотики: проблемы и перспективы. Физическая и реабилитационная медицина, медицинская реабилитация. 2020;2(3):233–43. https://doi.org/10.36425/rehab25811Oleskin AV, Shenderov BA. Probiotics, psychobiotics, and metabiotics: problems and prospects. Physical and Rehabilitation Medicine, Medical Rehabilitation. 2020;2(3):233–43 (In Russ.). https://doi.org/10.36425/rehab25811Забокрицкий НА. Биологически активные вещества, синтезируемые пробиотическими микроорганизмами родов Bacillus и Lactobacillus. Журнал научных статей «Здоровье и образование в XXI веке». 2015;17(3):80–90.Zabokritskiy NA. The biologically active substances produced probiotic microorganisms of the genera Bacillus and Lactobacillus. The Journal of scientific articles “Health and Education Millennium”. 2015;17(3):80–90 (In Russ.).Ilinskaya ON, Ulyanova VV, Yarullina DR, Gataullin IG. Secretome of intestinal bacilli: a natural guard against pathologies. Front Microbiol. 2017;(8):1666. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01666Ilinskaya ON, Ulyanova VV, Yarullina DR, Gataullin IG. Secretome of intestinal bacilli: a natural guard against pathologies. Front Microbiol. 2017;(8):1666. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01666Stein T. Bacillus subtilis antibiotics: structures, syntheses and specific functions. Mol Microbiol. 2005;56(4):845–57. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2005.04587.xStein T. Bacillus subtilis antibiotics: structures, syntheses and specific functions. Mol Microbiol. 2005;56(4):845–57. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2005.04587.xВолков МЮ, Васильев ПГ, Воробейчиков ЕВ, Синица АВ, Рогожин АЗ, Котельников РВ. Препарат для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта «Бактистатин». Патент Российской Федерации № 2287335;2006. EDN: OUOWIHVolkov MYu, Vasilev PG, Vorobejchikov EV, Sinitsa AV, Rogozhin AZ, Kotelnikov RV. Preparation “Bactistatin” for treating diseases of gastrointestinal tract. Patent of the Russian Federation No. 2287335;2006 (In Russ.). EDN: OUOWIHМихайлова НА, Кузнецова ТН, Кунягина ОВ. Штамм бактерий Bacillus subtilis, несущий свойство антибиотикорезистентности, используемый для получения препарата «Бактиспорин». Патент Российской Федерации № 2067616;1996. EDN: ZALBXXMikhaylova NA, Kuznetsova TN, Kunyagina OV. Strain of bacteria Bacillus subtilis carrying property antibioticoresistance used for preparation “Bactisporin” making. Patent of the Russian Federation No. 2067616;1996 (In Russ.). EDN: ZALBXXМихайлова НА, Гатауллин АГ. Штамм бактерий Bacillus subtilis 1719 — продуцент антагонистически активной биомассы в отношении болезнетворных микроорганизмов, а также протеолитических, амилолитических и липолитических ферментов. Патент Российской Федерации № 2298032;2007. EDN: TPVIMSMikhailova NA, Gataullin AG. Bacillus subtilis 1719 bacterium strain as producer of antagonistically active biomass in relates to pathogenic microorganisms, as well as proteolytic, amylolytic, and lipolytic enzymes. Patent of the Russian Federation No. 2298032;2007 (In Russ.). EDN: TPVIMSЛазарев СА, Арзуманян ВГ, Михайлова НА. Влияние состава питательной среды на прирост биомассы и синтез противомикробных метаболитов пробиотических штаммов Bacillus subtilis. Бактериология. 2021;6(2):38–42. EDN: KGFVMJLazarev SA, Arzumanyan VG, Mikhailova NA. Influence of nutrient medium composition on biomass growth and antimicrobial metabolites synthesis of Bacillus subtilis probiotic strains. Bacteriology. 2021;6(2):38–42 (In Russ.). EDN: KGFVMJАвдеева ЮА, Калуцкий ПВ, Королев ВА, Медведева ОА, Веревкина НА, Калуцкий АП. Коррекция последствий окислительного стресса в условиях экспериментального дисбиоза с применением мексидола. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2017;(4):43–7. EDN: ZVEWCFAvdeeva YA, Kalucki PV, Korolev VA, Medvedeva OA, Verevkina NA, Kalucki AP. Use of mexidol for correction effects of oxidative stress in experimental dysbiosis. Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2017;(4):43–7 (In Russ.). EDN: ZVEWCFЕфимов БА, Кафарская ЛИ, Коршунов ВМ. Современные методы оценки качественных и количественных показателей микрофлоры кишечника и влагалища. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2002;(4):72–8. EDN: MPKMLJEfimov BA, Kafarskaia LI, Korshunov VM. Modern methods for the evaluation of qualitative and quantitative changes in the characteristics of intestinal and vaginal microflora. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2002;(4):72–8 (In Russ.). EDN: MPKMLJНесвижский ЮВ, Богданова ЕА, Зверев ВВ, Воробьев АА. Микробиоценоз пристеночноro муцина желудочно-кишечного тракта крыс с индуцированным дисбиозом. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2007;(3):57–60. EDN: HFNMCENesvizhsky YuV, Bogdanova EA, Zverev VV, Vorobyev AA. Microbiocenosis of parietal mucin in gastrointestinal tract of rats with induced dysbiosis. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2007;(3):57–60 (In Russ.). EDN: HFNMCEQiao H, Duffy LC, Griffiths E, Dryja D, Leavens A, Rossman J, et al. Immune responses in rhesus rotavirus-challenged BALB/c mice treated with bifidobacteria and prebiotic supplements. Pediatr Res. 2002;51(6):750–5. https://doi.org/10.1203/00006450-200206000-00015Qiao H, Duffy LC, Griffiths E, Dryja D, Leavens A, Rossman J, et al. Immune responses in rhesus rotavirus-challenged BALB/c mice treated with bifidobacteria and prebiotic supplements. Pediatr Res. 2002;51(6):750–5. https://doi.org/10.1203/00006450-200206000-00015

The authors declare that there are no conflicts of interest present.