Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1115110.32607/actanaturae.10954ReviewsОбзорыReview ArticleFecal Metabolites As Non-Invasive Biomarkers of Gut DiseasesМетаболиты фекалий как неинвазивные биомаркеры заболеваний желудочно-кишечного трактаZhgunE. S.ЖгунЕ. С.
Russian Federation
Al.androva@gmail.comIlyinaE. N.ИльинаЕ. Н.
Russian Federation
Al.androva@gmail.comFederal Research and Clinical Center of Physical-chemical Medicine of Federal Medical Biological AgencyФедеральный научно-клинический центр физико-химической медицины федерального медико-биологического агентства России0708202012241406082020Copyright ©; 2020, Zhgun E.S., Ilyina E.N.Copyright ©; 2020, Жгун Е.С., Ильина Е.Н.2020Zhgun E.S., Ilyina E.N.Жгун Е.С., Ильина Е.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/11151

Recent studies have shown the importance of the human intestinal microbiome in maintaining a healthy gastrointestinal tract, as well as in the development of pathological processes. The intestinal microbiome manifests itself primarily as fecal metabolites. In the past decade, there has been growing interest in studying its composition, which for the most part had to do with the possibility of using the metabolomic analysis in clinical diagnosis. In contrast to the comprehensive description of blood serum, urine, saliva, and cerebrospinal fluid metabolites, data on fecal metabolites is sparse. Despite the instrumental and methodological achievements in the metabolomic analysis in general, the analysis of fecal metabolome remains less well developed, mainly because of the inhomogeneity of its composition and the lack of standardized methods for collecting, processing, and analyzing fecal samples. This review summarizes data on methods for studying and describing various groups of fecal metabolites. It also assesses their potential as tools in the diagnosis of gastrointestinal diseases.

Как показали недавние исследования, микробиом играет важную роль и в поддержании здорового состояния кишечника человека, и при развитии патологических процессов. В последнее десятилетие отмечено повышение интереса к изучению состава метаболитов фекалий, вызванное, главным образом, возможностью использования метаболомных данных в диагностике заболеваний человека. О метаболитах фекалий известно существенно меньше, чем о метаболитах сыворотки крови, мочи, слюны и цереброспинальной жидкости. Несмотря на инструментальные и методологические достижения метаболомного анализа в целом, анализ фекального метаболома развит существенно хуже главным образом из-за негомогенности состава и отсутствия стандартизированных методов сбора, подготовки и непосредственного анализа образцов. В нашем обзоре суммирована информация о методах изучения метаболитов фекалий, описаны их группы, а также оценен потенциал их использования в диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта.

fecal metabolitesnon-invasive biomarkersinflammatory bowel diseasesmetabolomic analysisметаболиты фекалийнеинвазивные биомаркерывоспалительные заболевания кишечникаметаболомный анализМинистерства науки и высшего образованияMinistry of Science and Higher EducationRFMEFI60419X0215Rose C., Parker A., Jefferson B., Cartmell E. // Crit. Rev. Env. Sci. Technol. 2015. V. 45. P. 1827–1879.Smirnov K.S., Maier T.V., Walker A., Heinzmann S.S., Forcisi S., Martinez I., Walter J., Schmitt-Kopplin P. // Inter. J. Med. Microbiol. 2016. V. 306. P. 266–279.Turroni S., Fiori J., Rampelli S., Schnorr S.L., Consolandi C., Barone M., Biagi E., Fanelli F., Mezzullo M., Crittenden A.N. // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 32826.Psychogios N., Hau D.D., Peng J., Guo A.C., Mandal R., Bouatra S., Sinelnikov I., Krishnamurthy R., Eisner R., Gautam B., et al. // PLoS One. 2011. V. 16. P. e16957.Bouatra S., Aziat F., Mandal R., Guo A.C., Wilson M.R., Knox C., Bjorndahl T.C., Krishnamurthy R., Saleem F., Liu P. // PLoS One. 2013. V. 8. P. e73076.Wishart D.S., Lewis M.J., Morrissey J.A., Flegel M.D., Jeroncic K., Xiong Y., Cheng D., Eisner R., Gautam B., Tzur D. // J. Chromatogr. B. 2008. V. 871. P. 164–173.Dame Z.T., Aziat F., Mandal R., Krishnamurthy R., Bouatra S., Borzouie S., Guo A.C., Sajed T., Deng L., Lin H. // Metabolomics. 2015. V. 11. P. 1864–1883.Wishart D.S., Feunang Y.D., Marcu A., Guo A.C., Liang K., Vázquez-Fresno R., Sajed T., Johnson D., Li C., Karu N. // Nucl. Acids Res. 2018. V. 46. P. D608–D617.Luo P., Yin P., Hua R., Tan Y., Li Z., Qiu G., Yin Z., Xie X., Wang X., Chen W., et al. // Hepatology. 2018. V. 67. № 2. P. 662–675.Tian J.S., Xia X.T., Wu Y.F., Zhao L., Xiang H., Du G.H., Zhang X., Qin X.M. // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 33820.Lin Y., Ma C., Liu C., Wang Z., Yang J., Liu X., Shen Z., Wu R. // Oncotarget. LLC. 2016. V. 7. № 20. P. 29454–29464.Jansson J., Willing B., Lucio M., Fekete A., Dicksved J., Halfvarson J., Tysk C., Schmitt-Kopplin P. // PLoS One. 2009. V. 4. № 7. P. e6386.Sigerist H.E. A History of Medicine: Early Greek, Hindu, and Persian Medicine. N.Y.: Oxford Univ. Press, 1987.Vaira D., Malfertheiner P., Megraud F., Axon A.T., Deltenre M., Hirschl A.M., Gasbarrini G., O’morain C., Garcia J.M.P., Quina M. // Lancet. 1999. V. 354. P. 30–33.Bartlett J.G., Gerding D.N. // Clin. Infect. Dis. 2008. V. 46. P. S12–S18.Langhorst J., Elsenbruch S., Koelzer J., Rueffer A., Michalsen A., Dobos G.J. // Am. J. Gastroenterol. 2008. V. 103. P. 162–169.Winawer S., Fletcher R., Rex D., Bond J., Burt R., Ferrucci J., Ganiats T., Levin T., Woolf S., Johnson D. // Gastroenterology. 2003. V. 124. P. 544–560.Ahlquist D.A., Skoletsky J.E., Boynton K.A., Harrington J.J., Mahoney D.W., Pierceall W.E., Thibodeau S.N., Shuber A.P. // Gastroenterology. 2000. V. 119. P. 1219–1227.Meij T.G., Larbi I.B., Schee M.P., Lentferink Y.E., Paff T., Terhaar Sive Droste J.S., Mulder C.J., Bodegraven A.A., Boer N.K. // Int. J. Cancer. 2014. V. 134. P. 1132–-1138.Meij T.G., Larbi I.B., Schee M.P., Lentferink Y.E., Paff T., Terhaar Sive Droste J.S., Mulder C.J., Bodegraven A.A., Boer N.K. // Int. J. Cancer. 2014. V. 134. P. 1132–1138.Melnik A.V., da Silva R.R., Hyde E.R., Aksenov A.A., Vargas F., Bouslimani A., Protsyuk I., Jarmusch A.K., Tripathi A., Alexandrov T., et al. // Anal. Chem. 2017. V. 89. P. 7549–7559.Beckonert O., Keun H.C., Ebbels T.M.D., Bundy J., Holmes E., Lindon J.C., Nicholson J.K. // Nat. Protocols. 2007. V. 2. P. 2692–2703. DOI:10.1038/nprot.2007.376.Deda O., Gika H.G., Wilson D., Theodoridis G.A. // J. Pharmaceut. Biomed. Anal. 2015. V. 113. P. 137–150.Cajka T., Fiehn O. // Anal. Chem. 2016. V. 881. P. 524–545.McDonald D., Hyde E., Debelius J.W., Morton J.T., Gonzalez A., Ackermann G., Aksenov A.A., Behsaz B., Brennan C., Chen Y., et al. // mSystems. 2018. V. 3. № 3. P. e00031–18.Naz S., Vallejo M., Garcia A., Barbas C. // J. Chromatogr. A. 2014. V. 1353. P. 99–105.Smith C.A., O’Maille G., Want E.J., Qin C., Trauger S.A., Brandon T.R., Custodio D.E., Abagyan R., Siuzdak G. // Ther. Drug Monit. 2005. V. 27. P. 747–751.Pence H.E., Williams A. // J. Chem. Educ. 2010. V. 87. P. 1123–1124.Kanehisa M., Araki M., Goto S., Hattori M., Hirakawa M., Itoh M., Katayama T., Kawashima S., Okuda S., Tokimatsu T., et al. // Nucl. Acids Res. 2008. V. 36. P. D480–484.Caspi R., Foerster H., Fulcher C.A., Kaipa P., Krummenacker M., Latendresse M., Paley S., Rhee S.Y., Shearer A.G., Tissier C., et al. // Nucl. Acids Res. 2008. V. 36. P. D623–631.Wang M., Carver J.J., Phelan V.V., Sanchez L.M., Garg N., Peng Y., Nguyen D.D., Watrous J., Kapono C.A., Luzzatto-Knaan T.Ю., et al. // Nat. Biotechnol. 2016. V. 34. № 8. P. 828– 837.Wang M., Carver J.J., Phelan V.V., Sanchez L.M., Garg N., Peng Y., Nguyen D.D., Watrous J., Kapono C.A., Luzzatto-Knaan T.Ю., et al. // Nat. Biotechnol. 2016. V. 34. № 8. P. 828–837.da Silva R.R., Dorrestein P.C., Quinn R.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. V. 112 (41), P. 12549–12550.James A.T., Martin A.J.P. // Biochem. J. 1952. V. 50. P. 679–690.Primec M., Micetic-Turk D., Langerholc T. // Anal. Biochem. 2017. V. 54. P. 9–21.Lington A.W., Bevan C. // Patty’s Industrial Hygiene and Toxicology / Ed. Clayton G. D. N. Y.: Wiley, 1994. P. 2585–2760.Ruppin H., Bar-Meir S., Soergel K.H., Wood C.M., Schmitt M.G. Jr. // Gastroenterology. 1980. V. 78. P. 1500–1507.Bielawska K., Dziakowska I., Roszkowska-Jakimiec W. // Toxicol. Mech. Methods. 2010. V. 20. P. 526–537.Tangerman A., Nagengast F.M. // Anal. Biochem. 1996. V. 236. P. 1–8.Zhao G., Nyman M., Jönsson J.A. // Biomed. Chromatogr. 2006. V. 20. P. 674–682.Staudacher H.M., Lomer M.C.E., Anderson J.L., Barrett J.S., Muir J.G., Irving P.M., Whelan K. // J. Nutr. 2012. V. 142. P. 1510–1518.Friederich P., Verschuur J., van Heumen B.W.H., Roelofs H.M.J., Berkhout M., Nagtegaal I.D., van Oijen M.G.H., van Krieken J.H.J.M., Peters W.H.M., Nagengast F.M. // Int. J. Colorectal Dis. 2011. V. 26. P. 575–582.Tiihonen K., Tynkkynen S., Ouwehand A., Ahlroos T., Rautonen N. // Br. J. Nutr. 2008. V. 100. P. 130–137.Schwiertz A., Taras D., Schäfer K., Beijer S., Bos N.A., Donus C., Hardt P.D. // Obes. (Silver Spring). 2010. V. 18. P. 190–195.Pawliszyn J. Solid Phase Microextraction: Theory and Practice. 1997.Gutnikov G. // J. Chromatogr. B. Biomed. Appl. 1995. V. 671. P. 71–89.Lima E., Abdalla D.S. // Anal. Chim. Acta. 2002. V. 465. P. 8–91.Karu N., Deng L., Slae M., Guo A.C., Sajed T., Huynh H., Wine E., Wishart D.S. // Anal. Chim. Acta. 2008. V. 1030. P. 1–24.Yen S., McDonald J.A., Schroeter K., Oliphant K., Sokolenko S., Blondeel E.J., Allen-Vercoe E., Aucoin M.G. // J. Proteome Res. 2015. V. 14. P. 1472–1482Grün C.H., van Dorsten F.A., Jacobs D.M., Le Belleguic M., van Velzen E.J., Bingham M.O., Janssen H.-G., van Duynhoven J.P. // J. Chromatogr. B. 2008. V. 871. P. 212–219.Humbert L., Maubert M.A., Wolf C., Duboc H., Mahé M., Farabos D., Seksik P., Mallet J.M., Trugnan G., Masliah J. // J. Chromatogr. B. 2012. V. 899. P. 135–145.50. de Lacy Costello B., Amann A., Al-Kateb H., Flynn C., Filipiak W., Khalid T., Osborne D., Ratcliffe N.M. // J. Breath Res. 2014. V. 8. P. 014001.de Lacy Costello B., Amann A., Al-Kateb H., Flynn C., Filipiak W., Khalid T., Osborne D., Ratcliffe N.M. // J. Breath Res. 2014. V. 8. P. 014001.Couch R.D., Navarro K., Sikaroodi M., Gillevet P., Forsyth C.B., Mutlu E., Engen P.A., Keshavarzian A. // PLoS One. 2013. V. 8. P. e81163.Garner C.E., Smith S., de Lacy Costello B., White P., Spencer R., Probert C.S., Ratcliffe N.M. // FASEB. J. 2007. V. 21. P. 1675–1688.Ahmed I., Greenwood R., de Lacy Costello B., Ratcliffe N.M., Probert C.S. // PLoS One. 2013. V. 8. P. e58204.Ahmed I., Greenwood R., Costello B., Ratcliffe N., Probert C. // Aliment Pharmacol. Therapeut. 2016. V. 43. P. 596–611.DePreter V., Machiels K., Joossens M., Arijs I., Matthys C., Vermeire S., Rutgeerts P., Verbeke K. // Gut. 2015. V. 64. P. 447–458.de Preter V., van Staeyen G., Esser D., Rutgeerts P., Verbeke K. // J. Chromatogr. A. 2009 V. 1216. P. 1476–1483.de Preter V., van Staeyen G., Esser D., Rutgeerts P., Verbeke K. // J. Chromatogr. A. 2009. V. 1216. P. 1476–1483.Bourriaud C., Robins R., Martin L., Kozlowski F., Tenailleau E., Cherbut C., Michel C. // J. Appl. Microbiol. 2005. V. 99. P. 201–212.den Besten G., van Eunen K., Groen A.K., Venema K., Reijngoud D.-J., Bakker B.M. // J. Lipid Res. 2013. V. 54. P. 2325–2340.Canavese G., Bassotti G., Astegiano M., Castellano I., Cassoni P., Sapino A., Villanacci V. // World J. Gastroenterol. 2013. V. 19. № 3. P. 426–428.Nappo A., Iacoviello L., Fraterman A., Gonzalez-Gil E.M., Hadjigeorgiou C., Marild S., Molnar D., Moreno L.A., Peplies J., Sioen I., et al. // J. Am. Heart Assoc. 2013. V. 2. P. 3.Waugh N., Cummins E., Royle P., Kandala N.B., Shyangdan D., Arasaradnam R., Clar C., Johnston R. // Hlth Technol. Asses. 2013. V. 17. P. 55.Probert C.S.J. // Biochem. Soc. Trans. 2011. V. 39. P. 1079–1080.Marchesi J.R., Holmes E., Khan F., Kochhar S., Scanlan P., Shanahan F., Wilson I.D., Wang Y. // J. Proteome Res. 2007. V. 6. P. 546–551.Bjerrum J.T., Wang Y., Hao F., Coskun M., Ludwig C., Günther U., Nielsen O.H. // Metabolomics. 2015. V. 11. P. 122–133.Santoru M.L., Piras C., Murgia A., Palmas V., Camboni T., Liggi S., Ibba I., Lai M.A., Orrù S., Loizedda A.L. // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 9523.LeGall G., Noor S.O., Ridgway K., Scovell L., Jamieson C., Johnson I.T., Colquhoun I.J., Kemsley E.K., Narbad A. // J. Proteome Res. 2011. V. 10. P. 4208–4218.Probert C.S.J., Ahmed I., Khalid T., Johnson E., Smith S., Ratcliffe N. // J. Gastrointest. Liver Dis. 2009. V. 18. № 3. P. 337–343.Arasaradnam R.P., Covington J.A., Harmston C., Nwokolo C.U. // Aliment. Pharmacol. Ther. 2014. V. 39. № 8. P. 780–789.Arasaradnam R.P., Ouaret N., Thomas M.G., Quraishi N., Heatherington E., Nwokolo C.U., Bardhan K.D., Covington J.A. // Inflamm. Bowel Dis. 2013. V. 19. № 5. P. 999–1003.Walton C., Fowler D.P., Turner C., Jia W., Whitehead R.N., Griffiths L., Dawson C., Waring R.H., Ramsden D.B., Cole J.A., et al. // Inflamm. Bowel Dis. 2013. V. 19. № 10. P. 2069–2078.Burdette S.D., Bernstein J.M. // Clin. Infect. Dis. 2007. V. 44. № 8. P. 1142.Johansen A., Vasishta S., Edison P., Hosein I. // Age Ageing. 2002. V. 31 № 6. P. 487–488.Johansen A., Vasishta S., Edison P., Hosein I. // Age Ageing. 2002. V. 31. № 6. P. 487–488.Bomers M.K., van Agtmael M.A., Luik H., van Veen M.C., Vandenbroucke-Grauls C.M., Smulders Y.M. // BMJ. 2012. V. 345. P. e7396.Cauchi M., Fowler D.P., Walton C., Turner C., Jia W., Whitehead R.N., Griffiths L., Dawson C., Bai H., Waring R.H. // Metabolomics. 2014. V. 10. P. 1113–1120.Probert C., Jones P., Ratcliffe N.M. // Gut. 2004. V. 53. P. 58–61.Fritz K.S., Petersen D.R. // Free Radic. Biol. Med. 2013. V. 59. P. 85–91.Rezaie A., Parker R., Abdollahi M. // Dig. Dis. Sci. 2007. V. 52. P. 2015–2021.Aggio R.B.M., White P., Jayasena H., de Lacy Costello B., Ratcliffe N.M., Probert C.S. // Aliment. Pharmacol. Ther. 2017. V. 45. № 1. P. 82–90.Rossi M., Aggio R., Staudacher H.M., Lomer M.C., Lindsay J.O., Irving P., Probert C., Whelan K. // Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2018. V. 16. № 3. P. 385–391.Ahmed I., Niaz Z., Ewbank F., Akarca D., Felwick R., Furnari M. // Biomark. Med. 2018. V. 12. № 10. P. 1139–1148.Itoh T., Akamatsu T., Tsuruta A., Shin W. // Sensors. 2017. V. 17. № 7. P. 1662.McGuire N., Ewen R., Costello C., Garner C.E., Probert C.S., Vaughan C.S., Ratcliff N.M. // Meas. Sci. Technol. 2014. V. 25. № 6. P. 065108.Mujagic Z., Tigchlaar E.F., Zhernakova A., Ludwig T., Ramiro-Garcia J., Baranska A., Swerts M.A., Masclee A.A.M., Wijmenga C., van Schooten F.J., et al. // SciRep. 2016. V. 6. P. 26420.