Прогнозування та маніпулювання інактивацією серцевих препаратів бактерією кишечника людини Eggerthella lenta

Генрі Дж. Хайзер

1 Факультет мистецтв і наук (FAS) Центр системної біології, Гарвардський університет, Кембридж, Массачусетс, 02138

Девід Б. Гутенберг

1 Факультет мистецтв і наук (FAS) Центр системної біології, Гарвардський університет, Кембридж, Массачусетс, 02138

Келлі Чатмен

1 Факультет мистецтв і наук (FAS) Центр системної біології, Гарвардський університет, Кембридж, Массачусетс, 02138

Гопал Сірасані

2 Кафедра хімії та хімічної біології Гарвардського університету, Кембридж, Массачусетс 02138

Емілі П. Балскус

2 Кафедра хімії та хімічної біології Гарвардського університету, Кембридж, Массачусетс 02138

Пітер Дж. Тернбо

1 Факультет мистецтв і наук (FAS) Центр системної біології, Гарвардський університет, Кембридж, Массачусетс, 02138

Пов’язані дані

Анотація

Незважаючи на численні приклади впливу мікробіому шлунково-кишкового тракту людини на ефективність та токсичність лікарських засобів, часто існує неповне розуміння основних механізмів. Тут ми розбираємо інактивацію серцевого препарату дигоксину кишечником Actinobacterium Eggerthella lenta. Транскрипційне профілювання, порівняльна геноміка та аналізи на основі культури виявили оперон, що кодує цитохром, регульований дигоксином, інгібується аргініном, відсутній у неметаболізуючих штамах E. lenta, і передбачає інактивацію дигоксину мікробіомом кишечника людини. Фармакокінетичні дослідження з використанням гнотобіотичних мишей показали, що харчовий білок зменшує мікробний метаболізм дигоксину in vivo зі значними змінами концентрації лікарського засобу в сироватці та сечі. Ці результати підкреслюють важливість розгляду фармакології з точки зору як людського, так і мікробного геномів.

Основний текст

Люди є домом для великих і різноманітних мікробних спільнот, найпоширеніша з яких мешкає в шлунково-кишковому тракті. Недавні дослідження висвітлили клінічну важливість біотрансформацій, що каталізуються мікробіомом кишечника людини, включаючи зміни біодоступності, активності та токсичності терапевтичних препаратів (1, 2). Хоча> 40 препаратів метаболізується мікробіомом кишечника, мало що відомо про основні механізми. Ці знання є критично важливими, щоб забезпечити раціональний дизайн фармацевтичних або дієтичних втручань.

Інактивація серцевого препарату дигоксину забезпечує перспективну вихідну точку для розуміння мікробного метаболізму лікарських засобів. Дигоксин та інші серцеві глікозиди широко застосовуються протягом сотень років для лікування серцевої недостатності та аритмій. Терапевтичні ефекти досягаються опосередковано, коли інгібування Na +/K + АТФази в серцевих міоцитах підвищує внутрішньоклітинну концентрацію Са 2+ (3). Дігоксин має вузький терапевтичний діапазон (0,5–2,0 нг/мл) (3), і деякі пацієнти виділяють неактивний метаболіт дигоксину, дигідродігоксин, у якого лактонове кільце відновлюється (рис. S1A) (4). Ця модифікація порушує площинність кільця, що, як вважають, зміщує позиціонування в кишені зв'язування Na +/K + ATP-ази, що призводить до зниження спорідненості цілі (5). Одночасне застосування антибіотиків широкого спектру збільшує дигоксин у сироватці крові (4), а Eggerthella lenta зменшує дигоксин in vitro (6). До цієї роботи молекулярний механізм відновлення дигоксину та фактори, що змінюють інактивацію мікробного препарату in vivo, були невідомі.

Ми підтвердили, що E. lenta DSM2243, тип штаму, зменшує дигоксин in vitro (7), і що аргінін пригнічує цю реакцію (рис. 1А). Зростання E. lenta DSM2243 стимулювався добавкою аргініну (рис. 1А, S2), що свідчить про використання шляху дигідролази аргініну для АТФ (8). Цитрулін (проміжний продукт до виробництва АТФ) стимулював ріст, тоді як орнітин (кінцевий продукт) - ні (рис. S2, S3).

---