无菌小鼠及肠道微生物移植小鼠模型在人相关疾病研究中的应用
无菌小鼠及肠道微生物移植小鼠模型在人相关疾病研究中的应用
俞晓峰博士
人物专访篇人是用什么繁殖
本期中国实验动物信息网特邀赛业模式生物高级科学家俞晓峰博士为大家分享人体肠道微生物以及肠道微生物移植小鼠模型在人类疾病研究中的应用价值？什么是无菌小鼠？无菌小鼠有哪些特征？小鼠与人肠道结构组成上有什么不同？小鼠与人健康肠道微生物组成上有哪些特征等系列问题。
中国实验动物信息网：感谢俞博士接受中国实验动物信息网的专访。首先请您介绍一下人体肠道微生物以及肠道微生物移植小鼠模型在人类疾病研究中的应用价值？
俞博士：人体肠道微生物因其组成的复杂与多样性，以及其在人体健康与疾病过程中发挥的重要影响作用，被广泛认为是机体一个曾被遗忘的“重要器官”、“第二基因组”和人的第二“大脑”等。研究已经表明，肠道微生物与许多人代谢性疾病（如肥胖，II型糖尿病）、自身免疫性疾病（如炎症性肠道疾病，I型糖尿病）、肿瘤以及神经系统相关疾病（如自闭症）的发生存在密切相关性。由于肠道菌与人疾病相关性研究的不断增加，对肠道微生物移植小鼠模型建立及应用的需求也因此随之增加。
目前，小鼠模型仍然是绝大多数的微生物组学方面研究的首选。肠道微生物移植小鼠模型已经成研究微生物与人相关疾病因果关系，以及可能有效干预方法的临床前概念验证
最为有效的选择。
由于小鼠与人的肠道微生物组成存在明显不同，如何将小鼠模型的实验结果推论至人体，仍然是当前肠道菌与人相关疾病影响关系研究领域需要谨慎考虑的问题。因此，应用无菌小鼠建立人肠道微生物移植小鼠模型，研究肠道菌在人健康及相关疾病中发挥的影响作用，已成为当前该研究领域的重要研究策略与设计思路。通过将人肠道微生物移植无菌小鼠，构建的肠道微生物人源化小鼠模型，必将有助于有效开展肠道微生物干预影响作用研究，分析复杂宿主微生物相互作用的因果关系，达到验证疾病发生相关机制假设的目的。
中国实验动物信息网：请您谈谈肠道微生物组学创立历程及其在人相关疾病研究中取得了哪些进展？
俞博士：人相关微生物概念的提出最早要追溯到1670-1680年代, 荷兰科学家Leeuwenhoek首先借助自己发明研制成功的手工显微镜，第一次从自己的口腔与其它部位中发现了五种不同的细菌，并提出了细菌在身体不同部位，以及健康与疾病状态下会有不同的观点。随后， Pasteur提出了细菌致病理论，并且认为非致病微生物可能在正常人生理状态下发挥
了重要作用。
1940s-1950s年代，厌氧微生物培养方法的成功，实现了某些厌氧微生物在实验室条件下培养生长和研究，从此真正开始了肠道微生物研究学科。
1959年，无菌小鼠的首次构建成功，极大推动了肠道微生物与人相关疾病研究领域的空前发展与飞跃进步。应用无菌小鼠建立肠道微生物移植小鼠模型的研究，无疑将有助于：（1）. 探索人相关疾病形成原因；（2）. 验证特殊微生物保护或促进人相关疾病作用；（3）. 揭示病人微生物在引起疾病发生病理变化过程中的机制；（4）. 分析特殊微生物是如何调节宿主健康与疾病过程；（5）. 发现针对微生物的靶向药物策略；（6）. 阐明微生物调节药物应答机制等多个方面。
1965年，Schaedler课题组首先应用无菌小鼠，开展细菌培养物移植的研究工作，该项研究也成为以后探索肠道微生物与宿主间相互作用关系移植实验的基础。研究者将NCS（Nelson-Collins-Swiss) 小鼠的肠道分离培养的细菌移植无菌小鼠。一周后发现，由无菌小鼠胃肠道分离的细菌与来自NCS小鼠肠道细菌相似，且能在肠道中稳定存在几个月时间，从而确定微生物移植小鼠实验的可行性，以及该方法在研究细菌肠道种植小鼠的实用
价值。研究还发现，移植拟杆菌可以部分降低无菌小鼠盲肠增大的表型，提示肠道微生物对宿主生长发育和生理学方面起到了重要而显著影响作用。
2006年，实现在无菌小鼠体内重建病人微生物的实验成功，即人肠道微生物移植小鼠模型的建立，使小鼠模型再现人疾病状态的表型，成为肠道微生物研究中，极为关键性的一大步飞跃。 该类人源化小鼠模型有助于揭示变化多样的微生物组成与人疾病间因果关系，开创了该研究领域的新途径与方向。
无菌小鼠构建生产的成功，首先不仅为探索肠道微生物对代谢平衡与紊乱方面的影响作用，提高了许多有利证据，而且也在揭示细菌和宿主组织平衡与免疫系统成熟之间相互紧密联系的研究中，发挥了非常重要作用。关于分节丝状细菌（SFB）的作用，就是一个有非常说服力的例子。通过应用SFB细菌移植无菌小鼠实验的研究发现，SFB细菌是决定移植无菌小鼠肠道淋巴细胞数量和表型的关键因素。许多后来的研究进一步证实了有更多的与宿主免疫功能相关的特定微生物种和/或分子。
虽然，早在公元300年中国医学纪录中，关于粪便微生物移植技术（FMT）应用于相关胃肠病的已有过报道，比如，老中医葛洪应用该方法食物中毒和严重腹泻。在16世
纪，中医李时针应用含有新鲜、干燥或发酵的粪便的所谓“汤”，通过口腔灌胃的方式胃肠病。伴随着微生物组学研究领域的快速发展，现在该FMT技术方法已经成为临床上相关胃肠病人的有效方法之一。
最近，关于艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的保护作用研究报道也比较多，比如，有研究发现，那些使用二甲双胍II型糖尿病人的肠道微生物中，艾克曼菌明显增加，而且，那些采用低热量饮食控制，低胆固醇，低炎症反应，以及胰岛素敏感者的肠道微生物中，该种细菌的含量都明显增高。这些研究结果提示，艾克曼菌可能具有潜在肥胖、II型糖尿病和其它相关紊乱性疾病的作用。初步的人实验结果表明，人可以安全使用巴氏德消毒处理的艾克曼菌，进一步的相关人体干预效果的临床试验正在进行中。另外，也有研究表明，艾克曼菌的存在有利于免疫检查点抑制剂抗肿瘤应答和缓解肌萎缩侧索硬化（ALS）疾病进程的作用。
2019年《自然》杂志以“人肠道微生物组学研究”为主题发表专刊，专门介绍了过去约350年来，人微生物组学研究领域的创立与发展中的25个里程碑研究成果。通过回顾过去肠道微生物研究领域所取得的进展，不仅让我们关注与了解肠道菌的组成本身，这些菌与人
健康和疾病的相关性，以及人体表内促进健康微生物的存在等；而且，更加重要的是，还有关于研究人肠道微生物及其在人健康/疾病中，发挥其功能效应的整体作用机制。
在这25个里程碑的研究成果中，我以为与肠道微生物移植小鼠模型研究直接相关的有如下：1965年应用无菌小鼠开展肠道微生物移植小鼠实验；1996年以DNA测序分析为基础的鉴定人相关微生物技术；2006年通过移植微生物传递宿主表型； 2007年细菌种植抗性的作用机制；2010年生物信息工具促进分析微生物测序资料；2011年微生物-肠-脑轴理论的提出；2015年宿主靶向药物影响微生物；2018年人微生物影响癌症应答；2019年宏基因组技术成为全新的人相关微生物的分析与鉴定等。其中，我认为无菌小鼠和宏基因组测序技术的应用，是开展肠道微生物移植小鼠模型与人疾病相关性研究的两项关键里程碑进展。
中国实验动物信息网：无菌小鼠的应用越来越广泛，请俞博士为大家分享一下什么是无菌小鼠？无菌小鼠有哪些特征？
俞博士：无菌小鼠是应用目前监测方法，在小鼠体内无法检测到任何微生物（包括细菌，真菌，病毒和寄生虫等除内源性逆转录病毒外）的存在。为了防止任何微生物的可能污染，
无菌小鼠的饲养与无菌状态的维持，必须在严格的无菌饲养操作程序和严谨的样品检测要求，以及严格监控的隔离器条件下操作实施。
与常规实验室小鼠比较，无菌小鼠具有某些解剖与生理学等方面的特征，比如，无菌小鼠有较大的盲肠（约大4-8倍），较轻的体重但较多饮水量，较低的基础代谢率，较慢的肠蠕动与较低的小肠通透性，较不规则肠绒毛，较弱的肠上皮细胞再生能力，较小的肝脏，较少的血容量与增加的胆固醇含量，以及较弱的免疫系统等；且对通常高脂饮食引起肥胖不敏感；某些肿瘤易感小鼠（如某些基因修饰小鼠）经无菌化后，成为肿瘤不易感小鼠等。无菌小鼠这些相应的生理学功能与特征是可以通过自体粪便菌移植获得重建，从而极大促进了肠道微生物在体内实验研究的发展。1960年代，由于无菌小鼠生产供应成功，使其在揭示肠道微生物对宿主饮食需求方面（比如维生素合成等领域）的营养学研究方面，首先成为成熟可靠的研究工具。

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