本文提供了小鼠口服抗生素给药、粪便样本采集、DNA 提取以及通过 qPCR 定量粪便细菌的详细实验方案。
本文提供了小鼠口服抗生素给药、粪便样本采集、DNA 提取以及通过 qPCR 定量粪便细菌的详细实验方案。
肠道微生物群对人类健康具有核心影响。微生物失衡与多种常见免疫病理状态相关,例如炎症性肠病、哮喘和关节炎。因此,阐明微生物群与免疫系统之间相互作用的机制至关重要。抗生素的使用虽然有助于清除病原体,但也会导致肠道菌群的规模和组成发生显著改变,从而影响人类健康。在小鼠中使用抗生素能够模拟经抗生素治疗患者肠道微生物群所发生的长期变化,进而有助于探究微生物群落变化与免疫细胞功能之间的机制性联系。尽管已有多种小鼠抗生素处理方法被报道,但其中一些方法会引起严重脱水和体重下降,从而增加数据解读的复杂性。本文提供了两种可用于小鼠长期口服抗生素处理的方案,且不会引起显著体重减轻。这些方案采用可同时靶向革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的多种抗生素组合,可通过以下方式给予 随意摄取 通过饮水或口服灌胃给予抗生素。此外,我们描述了一种利用qPCR定量粪便样本中微生物密度的方法,可用于验证抗生素治疗的效果。这些方法的结合为小鼠肠道微生物群的调控及抗生素治疗效应的研究提供了可靠的实验技术体系。
哺乳动物的胃肠道黏膜是一个独特的环境,定植着高度复杂的微生物群落,这些微生物与宿主建立互惠共生关系。肠道黏膜的防御系统包括上皮层和多种免疫细胞,它们在限制共生微生物局限于肠道内的同时,维持其数量和多样性。相反,共生微生物的存在对于发育出功能完整的免疫系统是必需的。尽管宿主与共生细菌之间的相互作用通常是有益的,但越来越多的研究表明,免疫系统与微生物群之间失调的相互作用可能促进慢性炎症性疾病的发生,例如炎症性肠病、关节炎或哮喘1,2。
肠道微生物群可受多种因素影响而发生改变,但最显著的变化可能由抗生素治疗引起,这种治疗会严重改变细菌群落的规模和组成3,4尽管抗生素在治疗感染方面的益处无可置疑,但人类接触抗生素所引起的微生物群变化也可能改变免疫防御功能,从而对健康产生不利影响。例如,人类使用抗生素已被证实与某些疾病风险增加相关,包括 艰难梭菌诱导的腹泻、哮喘和某些类型的癌症3抗生素处理小鼠能够重现抗生素治疗患者肠道菌群中所观察到的影响及长期改变,并使得研究微生物群落变化与免疫细胞功能之间机制性联系成为可能。然而,多份研究报告指出,通过饮水给予抗生素的方式 随意摄取 导致小鼠因水的难闻味道而拒绝饮水,从而出现明显的体重下降5,6因此,在这些模型中,口服抗生素给药伴随的严重脱水可能会干扰旨在确定抗生素治疗对免疫细胞功能影响的实验结果的解读。
有多种方法可用于研究肠道内微生物群落的规模和组成7。新一代测序技术为此提供了宝贵的数据8,但这些方法相对昂贵,且数据分析需要专业的生物信息学支持。另一方面,传统的微生物培养方法虽可检测细菌种类,但其灵敏度较低,且大量共生细菌(尤其是厌氧菌)利用现有技术难以甚至无法培养8。定量聚合酶链式反应(qPCR)技术正被 increasingly 用于粪便中细菌种类的定量与鉴定,因其能够快速、可靠地提供不依赖培养的总微生物负荷测量结果。因此,qPCR 方法已被证明在研究与年龄相关或与多种疾病(包括炎症性肠病)进展相关的微生物群变化方面具有实用价值9,10。此外,qPCR 方法为验证各种治疗手段(包括抗生素)对粪便细菌载量及微生物群组成的影响提供了一种快速且经济有效的方法10,11,12。
本文详细介绍了两种对小鼠进行口服抗生素给药、收集粪便样本、提取DNA、制备标准品以及通过qPCR定量粪便样本中细菌的独立实验方案。这些方案为调控小鼠肠道微生物群,以及研究抗生素治疗对肠道稳态和疾病影响提供了可靠的方法。
本实验采用6-8周龄的野生型(C57BL6/J)小鼠进行,小鼠饲养于特定病原体阴性(SPF)环境中。所有动物实验均经伦敦国王学院、弗朗西斯·克里克研究所动物福利与伦理审查委员会以及英国政府内政部批准。在开展任何动物实验操作前,须确保已通过所在机构/组织获得相应的许可。
1. 抗生素的给药
注意:提供两种抗生素处理的替代方法:口服灌胃(步骤 1.1)和通过饮用水给予抗生素(步骤 1.2)。
2. 粪便、回肠内容物及回肠壁样品的采集
3. 通过qPCR定量肠道微生物群
注意:本步骤包括标准品的制备(步骤 3.1)以及标准品和粪便样本的 qPCR 反应体系设置方法(步骤 3.2)
本文提供了两种小鼠口服抗生素治疗的替代方案。 图1 显示经抗生素处理的小鼠体重百分比(相对于每只小鼠初始基线体重),抗生素给药方式分别为连续10天口服灌胃(红色)或饮水中给药(蓝色)。通过口服灌胃给予抗生素的小鼠未见明显体重下降。然而,当小鼠通过饮水中接受抗生素处理时 随意摄取 在饮水中给予抗生素的最初几天内,小鼠体重会下降(约10%),但此后恢复正常的体重增长图1)。然而,约有5-10%接受饮水中添加抗生素的小鼠可达到 >治疗第一周内体重减轻20%,此时应实施安乐死。
粪便样本中细菌的定量需要使用适当的标准曲线,该曲线通过将标准品的拷贝数对数值(按步骤 3.2.2 计算)与 qPCR 获得的 CT 值作图而得到。图 2A 展示了一条符合标准曲线性能标准的代表性标准曲线,其 R2 值为 0.99827,斜率为 -3.09,扩增效率((-1 + 10^(-1/斜率))×100)为 110%。理想的 R2 值应达到 0.99,PCR 扩增效率应在 90% 至 110% 范围内。在标准曲线的线性范围内,回归分析方程可用于定量粪便样本中的 16S rDNA 拷贝数。图 2B 显示了粪便、小肠内容物(SI content)和小肠壁(SI wall)中的 16S rDNA 拷贝数。图 2B 中,粪便和小肠内容物的数据以每克粪便样本中的 16S rDNA 拷贝数表示;对于小肠壁,则以从 3 cm 小肠壁组织中回收的细菌所获得的 16S rDNA 总拷贝数表示(由于起始材料量过小,无法获得精确重量)。
为了评估抗生素对粪便样本中细菌密度的影响,小鼠通过每日口服灌胃的方式接受抗生素处理,持续10天(第1至第10天),并在处理前(第0天)、抗生素处理期间的不同时间点(第5天和第10天)以及停用抗生素7天后(第17天)收集粪便样本(图3A)。如图3B所示,在第5天和第10天检测到的每克粪便中16S rDNA拷贝数显著减少,表明抗生素处理显著降低了细菌数量;而在停止抗生素给药1周后(第17天),粪便中细菌密度恢复至正常水平,与处理前相当。

图1:抗生素给药方式。 小鼠通过口服灌胃(红色)或饮水(蓝色)方式接受抗生素处理,持续10天。图表显示实验期间小鼠体重相对于给药前初始体重(第0天)的变化情况。数据以均值 ± 标准误(SEM)表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:标准品和粪便样本的 16S rRNA 基因 qPCR 扩增。(A)含标准曲线参数的标准曲线线性回归。(B)粪便样本中基因丰度的计算。数据以均值 ± 标准误表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:抗生素处理期间的粪便细菌变化。(A)口服灌胃给予抗生素(Ab)及样品采集(以*表示)的时间安排示意图。(B)在指定天数采集的小鼠粪便样本中每克粪便的16S rDNA拷贝数。数据以均值 ± 标准误(SEM)表示。请点击此处查看该图的放大版本。
| 试剂 | 体积 | |
| DNA | 8 µL | |
| Buffer 10X | 2 µL | |
| dNTPs (10mM) | 0.4 µL | |
| Eubacteria - F primer (10 mM) | 1 µL | |
| Eubacteria - R primer (10 mM) | 1 µL | |
| Taq Polimerase | 0.2 µL | |
| H2O | 7.4 µL | |
| 总体积 | 20 µL | |
| 引物序列 | ||
| Eubacteria - F primer | 5' ACTCCTACGGGAGGCAGCAGT 3' | |
| Eubacteria - R primer | 5' ATTACCGCGGCTGCTGGC 3' | |
| 扩增循环条件 | ||
| 温度 | 时间 | 循环次数 |
| 94 °C | 5 min | 1x |
| 94 °C | 30 s | 30x |
| 60 °C | 30 s | 30x |
| 72 °C | 1 min | 30x |
| 72 °C | 5 min | 1x |
| 4 °C | ∞ | 1x |
表1:PCR试剂与反应条件。 本表格提供了用于扩增细菌培养物中16S rRNA基因的试剂及PCR循环条件,以生成qPCR实验中所用的标准品。引物序列最初由Kruglov et al.13发表。
| 试剂 | 体积 |
| SYBR Green master mix (2x) | 17.5 µL |
| Eubacteria - F 引物 (10 mM) | 0.7 µL |
| Eubacteria - R 引物 (10 mM) | 0.7 µL |
| H2O | 11.1 µL |
表2:qPCR预混液。 表中所示体积(终体积35 µL)适用于单个样本,在384孔qPCR板上进行三复孔检测(每孔10 µL),并额外增加5 µL以补偿移液误差。可根据待分析样本数量按比例放大试剂用量。
本文提供了对小鼠口服给予抗生素以及通过qPCR定量粪便细菌的实验方案。本方案中使用的抗生素组合(包含氨苄青霉素、庆大霉素、新霉素、甲硝唑和万古霉素)可靶向革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌,对全谱细菌具有杀菌活性。无论是灌胃给药还是将抗生素加入饮水中给予,均可显著降低粪便中的细菌载量5,6,12。此外,这两种处理均会显著影响小鼠的表型,使其表现出多种无菌小鼠的典型特征,例如脾脏缩小和盲肠扩大。选择何种抗生素给药方式可能取决于实验持续时间,因为灌胃法需要每日给药,长期来看劳动强度较大,且可能对动物造成更多不适。
在通过饮水给予抗生素时,向抗生素混合物中添加甜味剂需格外谨慎,因为这是防止小鼠脱水的关键因素。已有多个研究小组表明,若通过饮水给予抗生素但不添加甜味剂,会导致小鼠出现极为严重且迅速的体重下降,所有小鼠在实验最初几天内体重均减少超过初始体重的20%5,6。在我们的实验方案中,使用基于糖精的甜味剂似乎足以掩盖水中抗生素的苦味;小鼠在给予抗生素后的最初几天内体重有所下降,但随后迅速恢复(图1)。尽管如此,在我们的实验中仍有5%-10%的小鼠达到需实施人道终点的标准,即体重下降超过基础体重的>20%,这些小鼠需被实施安乐死。我们还测试了基于三氯蔗糖的甜味剂,但其完全无法防止小鼠脱水(100%的小鼠体重下降超过>20%);其他研究人员也曾报道基于阿斯巴甜的甜味剂存在类似失败情况5,6。此外,实验所用小鼠的年龄、遗传背景及其总体健康状况也应予以考虑,因为这些因素可能影响抗生素治疗期间的体重下降程度和动物福利。因此,在口服抗生素给药的前两周内,应每天密切监测小鼠的体重及总体健康状况。
qPCR 方法为粪便样本中 16S rRNA 的定量提供了一种快速且经济有效的手段。然而,该技术也存在一些局限性,需予以考虑:i)需要可靠且高质量的标准品;ii)qPCR 引物的设计及其扩增效率;iii)不同微生物的 16S rRNA 基因拷贝数可能存在差异,因此基因拷贝数未必能直接反映细胞数量15然而,qPCR 是一种稳健且灵敏的方法,可实现对粪便样本的快速分析。该方法特别适用于快速验证各种处理措施(包括抗生素)对粪便细菌载量的影响,具体细节如本文所述。此外,尽管我们提供了一种用于定量分析的方案 总计 16S rRNA,通过设计特异性引物,该方法可轻松适配16以识别特定的细菌分类单元,从而提供关于微生物组大小和组成的定量与定性信息。
综上所述,我们提供了两种小鼠口服抗生素处理的实验方案,以及一种基于qPCR的方法,用于定量分析抗生素诱导的小鼠粪便菌群变化。尽管这些方案可根据具体的实验需求进一步优化并与其他方法结合使用,但它们仍可作为快速、经济且可靠的工具,用于调控小鼠肠道微生物群,并研究抗生素治疗对肠道稳态及疾病的影响。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由英国医学研究理事会(对 P.B. 的资助号 MR/L008157/1)资助;R.J. 获得玛丽·居里欧盟内奖学金(H2020-MSCA-IF-2015-703639)支持;P.M.B. 获得英国医学研究理事会与伦敦国王学院生物医学科学博士培训合作伙伴项目奖学金(MR/N013700/1)支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
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| 盐酸万古霉素 | Sigma-Aldrich (Merck) | V2002 | |
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| NaCl | Sigma-Aldrich (Merck) | S7653 | |
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| X-Gal(5-溴-4-氯-3-吲哚基-β-D-半乳糖吡喃苷) | Fisher Scientific | 10234923 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Thermo Fisher Scientific (Gibco) | 10010023 | |
| 超纯琼脂糖 | Thermo Fisher Scientific (Invitrogen) | 16500500 | |
| RT-PCR级水 | Thermo Fisher Scientific (Invitrogen) | AM9935 | |
| Phusion 高保真 DNA 聚合酶 | New England BioLabs | M0530 | |
| 脱氧核苷酸(dNTP)溶液混合物 | New England BioLabs | N0447 | |
| iTaq Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad | 1725124 | 含 ROX |
| TOPO TA 克隆TM测序试剂盒 | Thermo Fisher Scientific (Invitrogen) | 450030 | |
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| 注射器(1 mL) | BD Plastipak | 303172 | |
| 注射器(20 mL) | BD Plastipak | 300613 | |
| 1.5 mL 透明微量离心管 | StarLab | E1415-1500 | |
| 2 mL 超高回收率微量离心管 | StarLab | I1420-2600 | |
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