Characterization of the proteomic content and immunomodulatory properties of the extracellular vesicles derived from the probiotic Propionibacterium freudenreichii CIRM-BIA129

Abstract

As vesículas extracelulares (VEs) são mediadores ubíquos da comunicação intercelular e consistem em um sistema de exportação envolvido em processos essenciais da vida, como a nutrição, a adaptação, a defesa e a interação entre hospedeiro e micro-organismos. VEs são nanopartículas esféricas não replicantes compostas por uma bicamada lipídica e um lúmen aquoso interno que abriga um conjunto diversificado de moléculas, incluindo proteínas, ácidos nucléicos, lipídios, carboidratos e outros metabólitos. A pesquisa em VEs derivadas de bactérias focou inicialmente em bactérias Gram-negativas e patogênicas, mas o cenário mudou nos últimos anos, incluindo VEs derivadas de outros grupos, como bactérias Gram-positivas e não patogênicas. Uma bactéria Gram-positiva e probiótica relevante é Propionibacterium freudenreichii, que tem sido usada há muito tempo e com segurança na produção de queijo do tipo suíço, ácidos orgânicos e vitamina B12. P. freudenreichii emergiu no panorama dos probióticos devido a propriedades notáveis, como atividades antipatogênica e anticâncer, modulação da composição da microbiota e imunomodulação. Algumas dessas propriedades foram atribuídas a fatores secretados ou expostos superficialmente. Portanto, nosso objetivo foi investigar se P. freudenreichii produz VEs que poderiam mediar suas propriedades benéficas, particularmente a imunomodulação. Dessa forma, a bactéria foi cultivada em meio ultrafiltrado do leite (UF) ou extrato de levedura-lactato (YEL) até o início da fase estacionária. Protocolos para purificação de VEs com base em cromatografia de exclusão molecular (SEC) ou ultracentrifugação (UC) com gradiente de densidade foram aplicados. As amostras resultantes apresentaram nanopartículas com morfologia típica, confirmando a produção de VEs por P. freudenreichii. O conteúdo proteico das VEs foi investigado com abordagens de proteômica shotgun, revelando um conjunto proteômico diversificado, incluindo proteínas citoplasmáticas e imunomoduladoras. O conteúdo proteômico e a análise interatômica indicaram potenciais funções imunomoduladoras para as VEs derivadas de P. freudenreichii. Isso foi confirmado com a redução mediada por VEs da liberação de IL-8 e da atividade de NF-κB em células epiteliais intestinais humanas tratadas com LPS bacteriano, indicando uma atividade anti-inflamatória. Além disso, as propriedades das VEs foram dependentes do meio de cultura usado para cultivar bactérias, uma vez que variaram para VEs derivadas de UF ou YEL, incluindo o tamanho, a abundância, o conteúdo proteômico e atividade anti-inflamatória das VEs. Além disso, o método usado para purificação de VEs também impactou essas propriedades, particularmente o conteúdo proteômico. Embora existissem proteínas exclusivas para algumas condições, centenas de proteínas foram identificadas em todas as condições estudadas, indicando a existência de um proteoma central conservado. Em conjunto, esses achados contribuem para a compreensão dos mecanismos subjacentes ao efeito probiótico em P. freudenreichii e revelam novas possibilidades para o desenvolvimento de nano-sistemas de entrega otimizáveis e seguros, tendo potencialmente um grande impacto na saúde humana.