Summary
这里的目标是概述一个方案，以研究心血管疾病中生态失调的机制。本文讨论了如何无菌收集和移植鼠粪便样本，分离肠道，并使用“Swiss-roll”方法，然后使用免疫染色技术来询问胃肠道的变化。
Abstract
肠道微生物群失调在心血管和代谢紊乱的病理生理学中起作用，但其机制尚不清楚。粪便微生物群移植（FMT）是描述总微生物群或分离物种在疾病病理生理学中的直接作用的宝贵方法。对于复发性 艰难梭菌 感染患者来说，这是一种安全的治疗选择。临床前研究表明，操纵肠道微生物群是研究生态失调与疾病之间机制联系的有用工具。粪便微生物群移植可能有助于阐明用于管理和治疗心脏代谢疾病的新型肠道微生物群靶向疗法。尽管啮齿动物的成功率很高，但仍存在与移植相关的翻译变化。这里的目标是为研究肠道微生物组在实验性心血管疾病中的作用提供指导。在本研究中，描述了小鼠研究中粪便微生物群的收集、处理、处理和移植的详细方案。描述了人类和啮齿动物捐赠者的收集和处理步骤。最后，我们描述了使用瑞士滚动和免疫染色技术的组合来评估心血管疾病的肠道特异性形态和完整性变化以及相关的肠道微生物群机制。
Introduction
心脏代谢紊乱，包括心脏病和中风，是全球主要死亡原因1。缺乏身体活动、营养不良、年龄增长和遗传因素调节这些疾病的病理生理学。越来越多的证据支持肠道微生物群影响心血管和代谢紊乱的概念，包括2型糖尿病2，肥胖3和高血压4，这可能是开发这些疾病新治疗方法的关键。
微生物群引起疾病的确切机制仍然未知，目前的研究差异很大，部分原因是方法学差异。粪便微生物群移植（FMT）是描述总微生物群或分离物种在疾病病理生理学中的直接作用的宝贵方法。FMT广泛用于动物研究以诱导或抑制表型。例如，热量摄入和葡萄糖代谢可以通过将粪便从生病的供体转移到健康的受体来调节5，6。在人类中，FMT 已被证明是复发性艰难梭菌感染患者的安全治疗选择7。支持其在心血管疾病管理中使用的证据正在出现;例如，从瘦到代谢综合征患者的FMT可提高胰岛素敏感性8。在人类和啮齿动物研究中，肠道生态失调也与高血压有关9，10，11。从喂食高盐饮食的小鼠到无菌小鼠的FMT使受体容易发炎和高血压12。
尽管FMT在啮齿动物中的成功率很高，但翻译挑战仍然存在。使用FMT治疗肥胖和代谢综合征的临床试验表明，对这些疾病的影响很小或没有影响13，14，15。因此，需要更多的研究来确定针对肠道微生物群治疗心脏代谢紊乱的其他治疗途径。大多数关于肠道微生物群和心血管疾病的现有证据都是相关的。所描述的协议讨论了如何利用FMT和瑞士滚动技术的组合来显示疾病与肠道微生物群之间的关联，并直接评估肠道所有部分的完整性16，17，18。
该方法的总体目标是为研究肠道微生物组在实验性心血管疾病中的作用提供指导。该协议在实验设计中提供了更多细节和关键考虑因素，以促进生理翻译并提高研究结果的严谨性和可重复性。
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Protocol
范德比尔特大学的机构动物护理和使用委员会批准了本手稿中描述的所有程序。从杰克逊实验室购买的3个月大的C57B1 / 6雄性小鼠根据实验动物护理和使用指南进行饲养和护理。
1. 人类粪便样本的收集、储存和处理
- 收集粪便样本，如果受试者在诊所，请使用无菌容器。在收集后36小时内将粪便样品冷藏在4°C，直到准备好处理。或者，使用市售工具收集粪便样本，以便在环境温度下轻松延长DNA稳定性，特别是对于家庭使用。
- 用 10% 的漂白剂溶液或其他环境保护局批准的消毒剂对生物安全级通风橱进行消毒。
- 将粪便从冷藏库中取出并带入通风橱;使用一次性刮刀制成~1g等分试样，并储存在-80°C冰箱中，直到完全准备好进行处理。
- 将所有一次性物品丢弃在生物危害垃圾箱中。对所有表面（机罩和处理器接触的任何表面）和从机罩中取出的物品进行消毒。
2.小鼠粪便样本的无菌收集
注意：使用无菌技术，包括灭菌器械。
- 通过CO2 窒息对小鼠实施安乐死。用70%乙醇喷洒小鼠的胸部和侧面，并小心地打开皮肤和腹膜腔以暴露胃肠道。
- 分离盲肠并使用无菌手术剪刀将其切成两半。简而言之，暴露盲肠，从回肠近端切开 0.5 cm，在与结肠的连接处远端切开 0.5 cm。将分离的盲肠转移到无菌培养皿上。
- 使用无菌刮刀将盲肠内容物转移到无菌管中，并将等分试样储存在-80°C冰箱19中。
注意：由于肠道中的大多数细菌都是厌氧菌，因此在室内气氛中的隔离过程中，暴露于氧气可能会损坏或杀死生物体。因此，粪便样本应在厌氧室中分离，以维持细菌的活力。
3.粪便移植
- 将新鲜或先前冷冻的粪便颗粒以 1：20 （w：v） 的比例重悬于无菌盐水中，并涡旋直至均质化。
- 使匀浆通过 30 μm 孔的尼龙过滤器以去除大颗粒物质。以79× g 离心5分钟，收集上清液用于移植。
- 口服管饲法每只无菌受体小鼠100μL浆液连续3天，然后每3天管饲2周。使用常规小鼠研究肠道微生物群的机制，如果它们首先用抗生素治疗以消除受体自身的特有微生物群。例如，在粪便浆液管饲之前，通过口服强饲法连续5天向受体小鼠施用头孢曲松（400mg / kg）。
注意：研究表明，至少需要 2 周的这种治疗才能引起心血管变化，包括血压20。 - 确保无菌受体小鼠单养在gnotobiotic薄膜分离器中，并喂食无菌食物和水。
4. 收缩压测量
注意：从常规饲养的3个月大的C57Bl / 6小鼠接受FMT的Gnotobiotic小鼠植入渗透微型泵（Alzet，型号2002）以输注低剂量血管紧张素II（140ng / kg / min）2周。 每周通过 尾袖监测血压。植入渗透微型泵的方案先前已报道21。尾铐的进行如下简要总结。测量血压的非侵入性方法，如尾袖，适用于gnotobiotic小鼠的FMT研究。有关如何执行尾铐的详细步骤已在前面描述过22.
- 简而言之，从gnotobiotic分离器中取出小鼠并预热尾袖机平台和小鼠支架。
- 将有意识的小鼠置于加热平台上的约束中，并使用尾袖体积描记法收集至少三轮收缩压测量值。在适当的测量日之前连续3天执行以下步骤，以训练小鼠被约束以减轻压力。
- 轻轻地将鼠标放在预热的支架中，然后将尾巴留在外面。小心地用胶带粘住顶部，不要捏住它，以免给鼠标带来压力。
- 让鼠标放在支架上;放在平台上3-5分钟，用床单覆盖以适应。
- 平均每只动物的平均收缩压的所有回合的测量值。
5. FMT对心血管变化的评估
- 血压测量后，对小鼠实施安乐死并无菌收集盲肠内容物，如第2节所述。
- 收获肠道和其他组织，包括心脏、主动脉、肝脏、肠系膜动脉和肾脏，以检查肠道微生物群在心脏代谢健康中的作用。要收获组织，请在小鼠中找到组织并使用剪刀切除它们。
- 对从供体和受体小鼠收集的粪便样本/盲肠内容物进行宏基因组测序分析，以确认FMT23后肠道微生物群的植入。微生物群成功定植的第一个证据是确认供体和受体的微生物群相似。
- 在收获的肠道组织上使用Swiss-roll技术（见第6节），结合免疫染色和组织学检查形态和细胞表达变化24。
6. 制作肠肠瑞士卷
- 第一天
- 在喷洒70%乙醇的适当安乐死小鼠中，从肛门侧（固定在腹膜后）到胃侧解剖小鼠肠道。将整个分离的胃肠道放入含有磷酸盐缓冲盐水（PBS）的培养皿中。轻轻握住胃端的近端，用手去除周围的脂肪和结缔组织。
- 分离小肠（阑尾的头孢）并用每个长度制作Z型锯齿形。然后，依次切割以获得十二指肠、空肠和回肠，如前所述25。通过切开盲肠下方的肠道部分来分离结肠。
- 切开十二指肠、空肠、回肠和结肠。
- 使用PBS用注射器和带球尖的针头冲洗和清洗肠道，以免撕裂肠道。
- 将肠子放在滤纸上。用切片的名称（例如十二指肠）标记纸张，然后在右上角标记“P”表示近端，“D”表示右下角的远端。
- 用球尖剪刀纵向剪肠。打开滤纸上的肠子。根据需要用更多的PBS清洗。
- 将肠子夹在两张滤纸之间。将滤纸钉在肠道附近的四个点/角落。
- 浸泡在10%福尔马林中性缓冲溶液（4.0克磷酸钠，一元，6.5克磷酸钠，二碱，100毫升37%甲醛，900毫升蒸馏水）。使用平台摇臂在室温下以 5 rpm 的速度摇匀过夜。
- 第二天
- 在蒸馏水中制备2%琼脂糖，并在覆盖有铝箔的烧杯中用搅拌棒加热。
- 取回组织;剥离上部滤纸。从近端滚动肠道，使近端首先进入，然后向内滚动，使腔也位于载玻片内侧。根据需要用一两根 30 G 针头固定。
- 使用一次性研究生移液器吸出 1 mL 琼脂糖，并将琼脂糖倒在平坦表面上的滚动肠道切片上，同时避免组织中出现气泡。
- 让琼脂糖冷却并凝固。使用剃须刀片修剪组织切片周围多余的琼脂糖。
- 将肠道切片放入组织处理/包埋盒中（比常规的更大，以适应由于琼脂糖而增加的高度）。在4°C浸泡在70%乙醇中。
- 准备石蜡包埋的组织载玻片并进行免疫染色，如下所述。
7. 肠道免疫染色
- 脱蜡
- 在架子上用载玻片通过以下浴：二甲苯3分钟，再次新鲜二甲苯3分钟，二甲苯与100%乙醇（1：1）3分钟，95%乙醇3分钟，70%乙醇3分钟，50%乙醇3分钟。
- 用冷的自来水轻轻冲洗。储存在自来水中。
- 抗原修复
- 脱蜡后，将载玻片在抗原修复缓冲液（pH 6和0.05%吐温-20的0.01M柠檬酸三钠二水合物）的架子中煮沸20分钟。
- 在冷自来水中运行。
- 染色
- 从浴槽中取出载玻片，将纸巾面朝上放入载玻片盒中，底部有湿的实验室湿巾/纸巾。用疏水记号笔在组织周围画一个轮廓。
- 将Tris缓冲盐水（TBS）+ 0.025%Triton X-100滴到组织上并孵育5分钟。重复此步骤。
- 在室温下用TBS + 10%胎牛血清（FBS）+ 1%牛血清白蛋白（BSA）封闭2小时。将载玻片侧转，取出实验室擦拭布上的阻塞缓冲液。
- 加入一抗溶液并在4°C孵育至少2小时或过夜。用TBS + 0.025%Triton X-100轻轻洗涤，在切片上轻轻移液~200μL。
- 加入二抗溶液，在室温下孵育1小时。用移液管冲洗载玻片3 x 5分钟，如步骤7.3.4所示。
- 使用安装介质和盖玻片进行安装。
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Representative Results
图 1 总结了上述步骤。将小鼠盲肠内容物或人粪便重悬于无菌盐水中以制备浆液，通过管饲法给予无菌小鼠（100μL），首先连续3天，然后每3天一次。在协议结束时，通过尾袖法测量血压，对小鼠实施安乐死，并收获组织以评估肠道微生物群的变化以及心血管和代谢的变化。
选择微生物群的一个关键步骤是确保感兴趣的疾病表型存在于供体中并与生态失调变化相关。例如，高盐饮食与生态失调和心血管功能障碍密切相关。这项研究使用了喂食8%NaCl饮食的小鼠供体。肠道微生物群响应高盐的变化包括细菌生物多样性的减少（图2A），其与正常盐微生物群分开聚集（图2B）。厚壁菌/拟杆菌的比例也增加（图2C），表明高盐诱导的微生物群变化（修改自Ferguson等人12）。
为了确定高盐诱导的生态失调在高血压易感性中的作用，进行了从高盐喂养小鼠到无菌小鼠的FMT，并评估了对低压剂量血管紧张素II（Ang II）的血压反应。本研究使用3月龄的C57BL / 6雄性小鼠。受体小鼠植入渗透压微型泵，在小鼠中连续施用低剂量的Ang II（140ng / kg /）2周。与正常盐微生物群接受者相比，接受来自高盐喂养供体的FMT的小鼠在Ang II治疗后表现出血压显着升高（图3）。这一发现表明FMT使受体小鼠发生高血压12。有关啮齿动物尾袖方案的详细信息先前已报道12，26。
肠道微生物群失调导致疾病，部分原因是肠壁发炎和渗漏。因此，通过免疫组织化学检查肠壁可用于询问任何疾病状态下特定肠道区域的变化，甚至超出FMT。 图4 表明，我们可以使用Swiss-roll技术和各种染色标志物（例如苏木精和伊红（H&E），Masson的三色物以及免疫细胞标记物（例如抗CD3和抗CD68））对回肠进行免疫组织化学，如前面描述的 12，以及载脂蛋白AI（AI），它们已积聚在蛋白尿小鼠的回肠中（图4）。
图 1：总结协议设计的图表。 从人类受试者或常规小鼠收集的粪便样本用于移植到无菌小鼠中。缩写：FMT = 粪便微生物群移植;血压=血压。 请点击此处查看此图的大图。
图2：高盐饮食的小鼠表现出肠道微生物群失调。 （A）估计从正常盐（黑色）和高盐（红色）饮食的小鼠获得的盲肠含量的物种生物多样性。（B）非度量多维缩放表明，来自正常盐和高盐饮食小鼠的细菌形成单独的簇。（C）高盐与厚壁菌/拟杆菌比值增加有关。（***p < 0.0001，使用双尾未配对学生 t 检验）。该图改编自Ferguson等人12。简称：NMDS = 非度量多维缩放;NS = 普通盐;HS = 高盐。 请点击此处查看此图的大图。
图3：来自高盐喂养小鼠的FMT使无菌小鼠易患血管紧张素II诱导的高血压。 与接受正常盐肠道微生物群的小鼠相比，转移高盐诱导的肠道微生物群与无菌小鼠的收缩压显着增加有关。该图改编自Ferguson等人12。缩写：FMT = 粪便微生物群移植;血压=血压;Ang II = 血管紧张素 II;NS = 普通盐;HS = 高盐。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：免疫组织化学图像说明了如何评估肠道中疾病标志物的变化。 代表性图像显示从没有 （A） 或 （B） 蛋白尿的高脂血症小鼠获得的回肠中载脂蛋白 AI 染色。放大倍率：200 μm 刻度下的 5 倍（A，B，左）;100 μm 尺度下的 10 倍（A，B，右）。 请点击此处查看此图的大图。
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Discussion
研究肠道微生物群在心血管和代谢疾病中的因果作用的一种有价值的方法是将总微生物群或选择感兴趣的物种转移到无菌小鼠中。在这里，我们描述了从人类和传统饲养的小鼠收集粪便样本到无菌小鼠中的方案，以研究肠道微生物群在高血压疾病中的作用。
在小鼠中，我们使用无菌收集的盲肠内容物在需氧室中处理，而在人类中，我们收集粪便。FMT可以在样品仍然新鲜或在液氮中快速冷冻时立即进行，并保持在-80°C直至准备使用。如果样品不能立即冷冻，例如人类在家中收集样本，则使用乙醇等核酸防腐剂很重要。肠道中的大多数细菌是厌氧菌;在准备用于移植的粪便样本时，必须快速完成以避免将细菌暴露在有氧环境中，因为这可能会由于混合物中厌氧菌的量减少而降低功效27。对于纵向研究，应同时对样品进行宏基因组测序，以避免批次效应。FMT的样本可以来自一个或多个供体，这些供体汇集在一起，然后分发给实验组中的多个接受者。
在探索机制影响之前，通过实验证实FMT的成功至关重要。粪便或盲肠内容物可以通过宏基因组学和评估供体和受体之间的相似性进行分析。预期结果将通过阿尔法多样性指数、主坐标分析和功能概况实现相似的微生物多样性。只有这样，才能推断出肠道微生物群在疾病病因学中起重要作用的结论。如果该研究利用用抗生素预处理的传统饲养小鼠来消耗其地方性微生物群，则此步骤更为重要。这是因为如果这一步不成功，幸存的受体的细菌会影响疾病结果。然而，成功的FMT，特别是在临床前研究中，并不总是有意义的临床转化。因此，需要额外的确认步骤来暗示疾病病理生理学中的直接肠道相关机制，包括使用此处描述的瑞士卷技术改变肠道形态。
免疫细胞活化在高血压的发展中具有确定的直接作用，通过过继转移研究证明28，29，30。尽管无菌小鼠是确定微生物群在疾病中的因果作用的金标准，但该模型在研究心脏代谢疾病的炎症机制方面可能受到限制。无菌小鼠具有未开发的免疫系统，这削弱了它们在研究肠道微生物群与炎症之间相互作用方面的翻译相关性。或者，可以修改该协议以将粪便样品移植到常规小鼠中，在使用抗生素耗尽其微生物群或用聚乙二醇31，32清洁肠道后。FMT进入用抗生素预处理的传统饲养小鼠中，消除了对维持无菌小鼠所需的严格控制和昂贵环境的需要。目前的证据表明，抗生素的选择（无论是一种还是联合使用）和治疗方案因研究而异33，34，35。抗生素的选择将决定由于作用机制的变化而耗尽的细菌类型，从而影响表型。因此，实验设计应考虑已知介导表型的细菌类型，并应相应地选择广谱抗生素、给药方式和方案。
该协议有其局限性。无菌小鼠被保存在gnotobiotic设施中，这使得与研究心血管疾病相关的实验程序具有挑战性。例如，无线电遥测是测量血压的金标准方法，但涉及非常侵入性的外科手术。这对于免疫、幼稚的无菌小鼠来说是不切实际的。因此，为此目的使用非侵入性尾袖，以避免微生物污染12。通常，为了使用尾袖体积描记法获得相对准确的测量结果，在测量收缩压之前训练动物并适应平台。在无菌FMT研究中，研究人员应考虑收集和平均多个测量值36。
这些挑战可能出现在血压以外的其他终点。例如，探索心血管疾病行为方面的研究通常需要频繁处理和外部暴露。一项探索高纤维饮食对母亲肥胖引起的认知和社会功能障碍影响的研究表明，用抗生素预处理的常规小鼠成功了FMT，37。探索纵向心血管反应的研究可能会考虑在传统饲养的小鼠中使用FMT。
除了测量血压外，还可以对动物实施安乐死并收获组织以进行进一步检查。值得注意的是，必须收集盲肠内容物以评估移植微生物群的成功植入。这个详细的协议将指导研究人员研究肠道微生物组从FMT到组织水平的机制，并适用于功能研究。这很重要，因为有大量的方法论和目前可用的文献。出于机械目的，可以收获血浆，肠，肾脏，心脏和其他组织以研究所涉及的途径。肠道微生物群在疾病中的因果效应与它们产生的代谢物以及由于肠漏而释放到系统中有关。整个肠道的健康状况可以通过组织学和免疫染色方法进行评估。瑞士卷技术已被用于证明疾病FMT对小鼠的影响12，24。
肠道微生物群对高血压等心血管疾病的贡献仍然是相关的。在这里，我们提出了收集，处理和移植人类受试者或常规小鼠的粪便到无菌小鼠的方法。该协议总结了额外的实验实践和参数，以研究描述肠道微生物群在心脏代谢健康中的起因和/或影响。应重复研究，以确保所需表型的可重复性和严谨性。
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Disclosures
提交人没有声明任何利益冲突，无论是财务利益冲突还是其他利益冲突。
Acknowledgments
这项研究得到了范德比尔特临床和转化科学奖资助UL1TR002243（又名）的支持，来自国家推进转化科学中心;美国心脏协会拨款POST903428（致J.A.I.）;国家心脏，肺和血液研究所拨款K01HL13049，R03HL155041，R01HL144941（A.K.）和NIH拨款1P01HL116263（V.K.）。 图 1 是使用 Biorender 创建的。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alexa Fluor 488 Tyamide SuperBoost | ThermoFisher | B40932 | |
| Anaerobic chamber | COY | 7150220 | |
| Apolipoprotein AI | Novus Biologicals | NBP2-52979 | |
| Artery Scissors - Ball Tip | Fine Science Tools | 14086-09 | |
| Bleach solution | Fisher Scientific | 14-412-53 | |
| Bovine Serum Albumin | Fisher Scientific | B14 | |
| CD3 antibody | ThermoFisher | 14-0032-82 | |
| CD68 monoclonal antibody | ThermoFisher | 14-0681-82 | |
| Centrifuge | Fisher Scientific | 75-004-221 | |
| CODA high throughput monitor | Kent Scientic Corporation | CODA-HT8 | |
| Cryogenic vials | Fisher Scientific | 10-500-26 | |
| Disposable graduate transfer pipettes | Fisher Scientific | 137119AM | |
| Disposable syringes | Fisher Scientific | 14-823-2A | |
| Ethanol | Fisher Scientific | AA33361M1 | |
| Feeding Needle | Fine Science Tools | 18061-38 | |
| Filter paper sheet | Fisher Scientific | 09-802 | |
| Formalin (10%) | Fisher Scientific | 23-730-581 | |
| High salt diet | Teklad | TD.03142 | |
| OMNIgene.GUT | DNAgenotek | OM-200+ACP102 | |
| Osmotic mini-pumps | Alzet | MODEL 2002 | |
| PAP Pen | Millipore Sigma | Z377821-1EA | |
| Petri dish | Fisher Scientific | AS4050 | |
| Pipette tips | Fisher Scientific | 21-236-18C | |
| Pipettes | Fisher Scientific | 14-388-100 | |
| Serile Phosphate-buffered saline | Fisher Scientific | AAJ61196AP | |
| Smart spatula | Fisher Scientific | NC0133733 | |
| Stool collection device | Fisher Scientific | 50-203-7255 | |
| TBS Buffer | Fisher Scientific | R017R.0000 | |
| Triton X-100 | Millipore Sigma | 9036-19-5 |
|
| Varimix platform rocker | Fisher Scientific | 09047113Q | |
| Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-41 | |
| Xylene | Fisher Scientific | 1330-20-7, 100-41-4 |
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