用无菌C57BL/6小鼠模型研究肠道菌群差异

无菌动物（小鼠）基本概念

无菌动物指现有检测方法不能检出任何活的微生物和寄生虫的动物。“无菌”不是绝对的，只是依据现有技术尚无法检出已知的微生物和寄生虫。即使是SPF级动物也难以排除自身携带潜在致病菌的可能，其体内存在特异性抗体等免疫激活状态，会对后续实验研究产生潜在干扰，甚至影响实验结果的判读。无菌动物必须是采用特殊技术保证动物从出生后即无菌，需要在隔离系统繁育饲养，即在无菌条件下经人工剖宫产获得子代动物，再放入无菌隔离系统内经人工喂乳或无菌母体动物代乳喂养。在饲养繁育过程中，使用的饲料、饮水需经过严格消毒，并通过定期检测手段确保动物体内外无一切微生物和寄生虫。

无菌小鼠是目前研究宿主-微生物相互作用的重要动物模型，主要原因有三。首先，实验小鼠的基因型已得到很好的表征。其次，小鼠和人类基因组在功能上99%相似度。第三，转基因小鼠不同于其他实验动物，它允许我们引入精确的基因修饰（如基因插入、敲除和修饰），允许我们在活体状态下研究修饰基因的功能。将转基因小鼠净化繁育为无菌模型后，可进一步了解环境和宿主基因对微生物群落的影响，以及微生物群落对宿主基因表达、表观遗传变化和宿主生理学的影响，作为构建微生物靶向疗法的临床前模型。

用无菌C57BL/6小鼠模型研究肠道菌群差异

胃肠道感染是威胁全球健康的一类疾病，霍乱弧菌(Vibrio cholerae)是主要的病原体之一。根据O抗原不同，霍乱弧菌可分为200多种，其中O1群和O139群能引起霍乱暴发流行，其主要致病因子为霍乱毒素(cholera toxin, CT)和毒素共调菌毛(toxin coregulated pilus, TCP)。

基于健康人与霍乱感染者粪菌的差异，加利福尼亚大学Ansel Hsiao团队探究了肠菌差异对霍乱弧菌定植与毒力的影响及其作用机制，相关研究成果近期以文章《Interpersonal Gut Microbiome Variation Drives Susceptibility and Resistance to Cholera Infection》在Cell上发表。

该研究团队自人类粪便中分离培养粪菌，并通过粪菌组合，模拟构建了三类菌群：霍乱患者表征型(Dysbiotic/ Susceptible, DS)、健康表征型(Resistant Complex, CR)和简化健康型(Resistant Simple, SR, CR子集)（图1）。

图1 Defined human gut communities

该团队以无菌小鼠(germfree，GF)、乳鼠及抗生素清扫乳鼠为背景，定植三类菌群，并用霍乱弧菌感染小鼠，通过检测粪便霍乱弧菌活菌数、肠道霍乱弧菌定植情况及毒力基因tcp A的表达，发现相比于CR和SR，移植DS的小鼠对霍乱弧菌更易感。更为有趣的是，这种易感性可通过移植CR“消除”，这为菌群移植预防霍乱弧菌感染提供了一定的理论支持（图2）。

图2 CR/SR reduce colonization and virulence gene expression of V. cholerae

这种“消除”是如何发生的呢？该团队进一步研究了菌群降低霍乱弧菌感染力的机制。通过分析DS+CR和CR粪菌丰度，找出了保持相对丰度的Blautia obeum，并发现Blautia obeum削弱了肠道内的毒力表达基因的激活信号。以Blautia obeum的作用为突破口，发现Blautia obeum可以产生胆盐水解酶(bile salt hydrolases, bsh)，从而降解毒力诱导分子牛磺胆酸(taurocholate, TC)。具体作用途径见（图3）。

图3 Mechanism of intestinal flora influencing Vibrio cholerae infectivity