Engineering of Polyphosphate Accumulating Probiotic Strains as Chronic Kidney Disease Treatment

Abstract

Cardiovascular disease caused by hyperphosphatemia accounts for 47% of deaths in chronic kidney disease (CKD) patients. Existing treatments to address hyperphosphatemia include dialysis, protein (phosphorus) restriction diet, and phosphate binders. However, there is a concern that it may decrease the life quality of CKD patients and side effects have been reported several times. Probiotics, which is also polyphosphate accumulating organisms (PAOs), is suggested as an alternative with no disadvantages described above. Lactiplantibacillus paraplantarum KCCM 11826P strain, which was found to have excellent polyphosphate accumulation ability in previous studies, was further improved with inverse metabolic engineering. First, a safety evaluation was confirmed according to Probiotics guidelines. After resequencing process, it was confirmed that finally selected L. paraplantarum SNUP7 strain from L. paraplantarum KCCM 11826P mutated tuf, dnaK, and groL, so that absorbed more 18.2% of phosphorus than the L. paraplantarum KCCM 11826P in phosphate-rich medium. Even in animal test, CKD rats administered L. paraplantarum SNUP7 probiotics (Nx+P) had a 30.5% decrease in blood phosphorus level compared to CKD rats administered vehicle (Nx+V). And kidney injury level in Nx+P group was also suppressed, Nx+V group did not. Therefore, L. paraplantarum KCCM 11826P and L. paraplantarum SNUP7 strains act as bio-phosphate binders and have the potential to contribute to alleviating CKD symptoms and improving life quality of CKD patients.

만성신장질환 (CKD) 환자 사망 원인의 47%는 고인산혈증에 의한 심혈관질환이다. 고인산혈증을 치료하기 위한 기존의 치료 요법으로는 투석, 단백질 제한 식이요법, 그리고 인산염 결합제 등이 있다. 다만 이들은 CKD 환자들의 삶의 질을 떨어뜨릴 우려가 있고 부작용도 여러 차례 보고된 바 있다. 다중인산염 축적능을 지닌 프로바이오틱스는 앞서 설명한 단점을 상쇄시킬 수 있는 인산염 결합제의 대안으로 제시된다. L. paraplantarum KCCM 11826P 균주는 선행 연구를 통해 해당 균주가 우수한 다중인산염 축적능을 갖고 있는 것이 증명되었다. 이 균주는 식품의약품안전처의 프로바이오틱스 기능성 원료 평가 가이드에 의거하여 안전성 평가를 진행한 결과, 프로바이오틱스로써 사용되기에 안전하다는 것이 확인됐다. 또한, 인 흡수 기전을 파악하기 위하여 inverse metabolic engineering을 적용한 고성능 스크리닝 실험을 통해 L. paraplantarum SNUP7 돌연변이 균주가 선별되었다. Resequencing을 진행한 결과, SNUP7 균주는 tuf, dnaK, groL이 변이되어 L. paraplantarum KCCM 11826P 보다 인 흡수가 1.90 ± 0.28 g/L 더 소비한 것이 관찰됐다. 동물 실험에서도, SNUP7 프로바이오틱스를 투여한 CKD 랫드 그룹의 (Nx+P) 혈중 인 농도가 위약을 투여한 CKD 랫드 그룹 (Nx+V) 보다 30.5 % 감소했다. 또한 Nx+P 그룹의 신장 손상이 저해되었으나, Nx+V 그룹의 신장 손상은 그러지 못했다. 따라서, L. paraplantarum KCCM 11826P 와 L. paraplantarum SNUP7 균주는 생물학적 인산염 결합제 역할을 수행할 수 있으며, CKD 증상 완화 및 환자의 삶의 질 향상에 기여할 가능성이 있다.