本方案描述了一种由沙门氏菌(Salmonella)诱导的小鼠肠道纤维化模型,该模型具有类似于克罗恩病的关键病理特征,包括透壁性炎症和纤维化。该方法可用于利用维持在C57Bl/6遗传背景上的基因突变小鼠,评估影响纤维化结局的宿主因素。
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本方案描述了一种由沙门氏菌(Salmonella)诱导的小鼠肠道纤维化模型,该模型具有类似于克罗恩病的关键病理特征,包括透壁性炎症和纤维化。该方法可用于利用维持在C57Bl/6遗传背景上的基因突变小鼠,评估影响纤维化结局的宿主因素。
以胶原蛋白等细胞外基质病理性积聚为特征的组织纤维化,是持续性炎症和修复失调的结果。在炎症性肠病(IBD)中,纤维化导致反复发生的肠狭窄,目前除手术切除外尚无有效治疗方法。由于纤维化发生较晚,驱动其发展的相关机制研究较少,仍 largely 未知。因此,纤维化并发症是炎症性肠病领域面临的主要挑战之一。本实验方案描述了一种稳定的体内肠道纤维化模型:对C57Bl/6小鼠预先给予链霉素处理,随后经口灌胃接种疫苗级Salmonella Typhimurium ΔAroA突变株,可导致病原体在盲肠中持续定植并引发盲肠纤维化。本文详细说明了制备用于感染的S. Typhimurium ΔAroA菌株、定量盲肠和脾脏中的病原体载量,以及评估肠道组织中胶原沉积的方法。该实验性疾病模型可用于研究宿主因素在促进或加重克罗恩病样肠道纤维化中的作用。
溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)是炎症性肠病(IBD)的两种主要类型,其特征为胃肠道的慢性、复发性炎症性疾病1,2。这些疾病对患者的生活质量造成重大影响。IBD的症状包括腹痛、腹泻、恶心、体重减轻、发热和疲劳3。近期研究已鉴定出参与疾病发病机制的遗传和环境因素;这些风险因素被认为可破坏上皮屏障,导致管腔抗原的易位或过度取样4。由此引发肠道免疫细胞介导的对共生菌群的异常炎症反应4。IBD相关并发症的表现可能超出胃肠道,累及关节、皮肤和肝脏等多个器官1,2。UC的典型特征是严重且弥漫性的炎症,通常局限于结肠1。疾病病理累及肠壁的黏膜层和黏膜下层,导致浅表性黏膜溃疡1。相比之下,CD可累及胃肠道的任何部位,尽管病变证据最常出现在结肠和远端回肠2。此外,CD的炎症为透壁性,累及肠壁的所有层次2。
已鉴定出的多个炎症性肠病(IBD)易感基因表明,上皮屏障功能失调或免疫系统异常是疾病进展的关键因素5。在单核细胞中表达的核苷酸寡聚化结构域2(NOD2)发生突变,被发现与克罗恩病(CD)易感性增加相关;这凸显了先天免疫对细菌组分识别异常与疾病之间的关联6。近期的全基因组关联研究(GWAS)进一步揭示了可能参与IBD发病机制的其他通路,包括以下基因的遗传变异:STAT1、NKX2-3、IL2RA、IL23R等与适应性免疫相关的通路,MUC1、MUC19和PTGER4在维持肠道屏障功能中的作用,以及ATG16L介导的自噬过程7,8,9。尽管这些基于人群的遗传学研究加深了我们对IBD的理解,但仅凭易感等位基因可能不足以启动并维持慢性疾病状态3。其他非遗传因素,如肠道微生物组组成改变及多样性降低,也与肠道炎症相关。然而,目前尚不清楚肠道菌群失调是先于免疫应答失调发生,还是后者所导致的结果3。尽管IBD的确切病因仍不明确,但肠道炎症的实验性小鼠模型已显著增进了我们对其发病机制的认识10,11。这些模型各自并不能完全再现人类疾病的复杂性,但它们对于阐明可能与IBD相关的病理生理通路,以及验证潜在治疗策略具有重要价值10,11。此类小鼠模型通常依赖于化学诱导或感染引发炎症、免疫细胞转移或基因操作来建立疾病表型。此外,这些策略往往涉及上皮完整性破坏或对先天免疫或适应性免疫的调节。
Salmonella enterica 血清型是可感染人类和小鼠的肠道病原体。摄入后,Salmonella 可通过直接侵入肠上皮细胞、M细胞或抗原呈递细胞在肠道内定植12。经口感染 S. Typhimurium 的小鼠,其系统性部位(如脾脏和肠系膜淋巴结)为主要定植区域,而胃肠道内的菌量相对较低12。然而,预先用链霉素处理小鼠可削弱正常菌群对宿主的保护作用,从而增强 Salmonella 在肠道中的定植效率13。该模型的病理特征包括上皮屏障的破坏或溃疡、粒细胞募集以及严重水肿13。另一种方法是使用疫苗株 S. Typhimurium ΔAroA 突变体进行感染,可导致盲肠和结肠的长期定植,持续至感染后第40天14。S. Typhimurium ΔAroA 菌株在芳香族氨基酸生物合成方面存在缺陷,使其失去毒力,因而可作为高效疫苗使用15。小鼠经口感染后会引发与Th1和Th17细胞因子相关的炎症反应、广泛的组织重塑以及胶原沉积。组织病理学变化与促纤维化因子(如TGF-β1、CTGF和IGF)水平升高相关14。该模型中报道的透壁性纤维化瘢痕形成,类似于炎症性肠病(IBD)中常见的狭窄结构。Salmonella 诱导纤维化的过程依赖于其毒力岛(Salmonella pathogenicity islands, SPI)-1和SPI-2编码的毒力因子12。重要的是,S. Typhimurium ΔAroA 感染模型是研究维持在C57/Bl6背景上的基因突变小鼠纤维化反应的有用体系。C57/Bl6小鼠品系由于编码天然抗性相关巨噬蛋白(NRAMP)-1的基因发生功能缺失突变,对 S. Typhimurium SL1344 感染极为敏感16,17。我们发现,在该模型中,IL-17A和RORα依赖的天然淋巴细胞对致病过程具有重要贡献18。
克罗恩病(CD)的一个主要并发症是细胞外基质(ECM)的失调性过度沉积,包括胶原蛋白2,19。尽管胃肠道具有相对较强的再生能力,但持续未愈的伤口愈合反应可导致纤维化瘢痕形成,这通常与慢性且严重的炎症相关20,21。在CD中,这会对组织结构产生有害影响,导致显著的器官功能障碍21,22。CD中所观察到的透壁性炎症最终会引发肠壁增厚,进而导致有症状的狭窄或梗阻形成21。约三分之一的CD患者因该并发症需要接受肠切除手术22。目前炎症性肠病(IBD)尚无有效的抗纤维化疗法,因为使用硫唑嘌呤等免疫抑制剂或抗TNFα生物制剂对减少手术干预需求无明显作用或仅产生轻微改善19,23。尽管纤维化被认为是由慢性炎症所致,但来源于间充质的细胞(如成纤维细胞和周细胞)被认为是纤维化瘢痕中ECM的主要细胞来源21,24。慢性S. Typhimurium ΔAroA感染是一种可靠的肠道纤维化小鼠模型,有助于揭示类似CD病理特征的发病机制。
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所有动物实验方案均经不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会批准。
1. 准备 沙门氏菌 用于小鼠灌胃的鼠伤寒沙门氏菌ΔAroA培养物
2. 评估 沙门氏菌 组织中的负担
3. 偏振光下苦味酸-天狼星红染色及胶原定量分析。
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链霉素处理后经口服感染 S. 鼠伤寒沙门氏菌 ΔAroA 会导致显著的肠道炎症和纤维化,尤其在盲肠中表现明显(图1). 典型的病原体载量为108 至 109 每克盲肠的菌落形成单位(CFU)及104 每克脾脏中可回收的菌落形成单位(CFU)数量可从感染动物中获得(图2). 对苦味酸-天狼星红染色的盲肠切片进行纤维化评估表明,感染后21天纤维化程度达到高峰,而大部分病理变化在感染后42天时已基本消退图3 和 图4)。胶原沉积在肠道黏膜下层最为显著,而黏膜层的纤维化程度较轻。
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小鼠肠道炎症模型极大地促进了我们对炎症性肠病(IBD)发病机制的理解。尽管这些单一模型无法完全再现复杂且多因素的人类疾病的所有特征,但它们在识别疾病进展的关键特征方面具有重要价值。与IBD相关的纤维化狭窄仍是尚未满足的主要临床需求,因为目前的治疗方法无法有效逆转疾病的发展。此外,由于现有动物模型的局限性,在实验室环境中研究肠道纤维化十分困难。研究表明,在BALB/c小鼠中长期暴露于TNBS可诱导结肠内显著的胶原沉积,该过程由IL-13和TGF-B1信号通路驱动27,28。然而,在其他常用的结肠炎实验室模型中,例如DSS处理、IL-10缺陷型或过继性T细胞转移模型,通常难以观察到肠道纤维化。Grassl et al. 证明,在C57Bl6小鼠中慢性感染减毒的ΔAroA突变型沙门菌株,可在盲肠黏膜及黏膜下区域引发显著的纤维化12。他们报告称,感染后三周纤维化达到高峰,并与Th1和Th17免疫反应以及升高的促纤维化因子TGF-B1、CTGF和IGF-1相关
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作者声明无任何经济利益冲突。
我们感谢 Ingrid Barta 提供的组织学服务。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2 ml 圆底安全锁管 | Eppendorf | 22363344 | |
| 不锈钢珠 | Qiagen | 69989 | |
| PBS | Gibco | 10010031 | |
| 大孔径移液器吸头 | Fisher | 2707134 | |
| 2 mL 大块板 | Sarstedt | 82.1972.002 | |
| 灌胃针 | FST | 18061-22 | |
| 硫酸链霉素 | Sigma | S9137 | |
| 混合研磨仪 | Retsch | MM |
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