本研究的目的是概述一种用于探究心血管疾病中菌群失调机制的实验方案。本文介绍了如何无菌采集和移植小鼠粪便样本、分离肠道组织,以及采用“瑞士卷”法处理肠道,随后结合免疫染色技术分析胃肠道中的病理变化。
本研究的目的是概述一种用于探究心血管疾病中菌群失调机制的实验方案。本文介绍了如何无菌采集和移植小鼠粪便样本、分离肠道组织,以及采用“瑞士卷”法处理肠道,随后结合免疫染色技术分析胃肠道中的病理变化。
肠道菌群失调在心血管和代谢性疾病病理生理过程中起着重要作用,但其机制尚不明确。粪菌移植(FMT)是一种有效的方法,可用于阐明整体菌群或特定分离菌种在疾病病理生理中的直接作用。该方法对复发性Clostridium difficile感染患者是一种安全的治疗选择。临床前研究表明,调控肠道菌群是研究菌群失调与疾病之间机制联系的有力工具。粪菌移植可能有助于揭示以肠道菌群为靶点的新型治疗策略,用于心血管代谢性疾病的管理和治疗。尽管在啮齿类动物中成功率较高,但移植过程中仍存在转化医学方面的挑战。本研究旨在为探索肠道微生物组在实验性心血管疾病中作用的研究提供指导。本文详细描述了小鼠研究中粪菌样本的采集、处理、加工及移植的操作流程,并分别阐述了人源和啮齿类供体的样本采集与处理步骤。最后,我们介绍了结合瑞士卷技术和免疫染色技术,用于评估心血管疾病及其相关肠道菌群机制中肠道特异性形态学和完整性的变化。
包括心脏病和中风在内的心脑血管代谢性疾病是全球首要的死亡原因1。体力活动不足、营养不良、年龄增长和遗传因素均可调节这些疾病的病理生理过程。越来越多的证据表明,肠道微生物群会影响心血管和代谢性疾病,包括2型糖尿病2、肥胖3和高血压4,这可能为这些疾病的新型治疗策略的开发提供关键线索。
微生物群导致疾病的精确机制仍不清楚,目前的研究结果差异较大,部分原因在于方法学的不同。粪便微生物群移植(FMT)是一种有效的方法,可用于明确整个微生物群或分离出的特定物种在疾病病理生理过程中的直接作用。FMT在动物研究中被广泛用于诱导或抑制某种表型。例如,通过将患病供体的粪便物质移植给健康受体,可以调节热量摄入和葡萄糖代谢5,6。在人类中,FMT已被证明是治疗复发性Clostridium difficile感染的一种安全选择7。支持其在心血管疾病管理中应用的证据正在不断出现;例如,将瘦型个体的粪便微生物群移植给代谢综合征患者可改善胰岛素敏感性8。在人类和啮齿类动物研究中,肠道菌群失调均与高血压相关9,10,11。将高盐饮食小鼠的粪便微生物群移植给无菌小鼠,会使受体小鼠易于发生炎症和高血压12。
尽管粪菌移植(FMT)在啮齿类动物中成功率较高,但其临床转化仍面临挑战。利用FMT治疗肥胖症和代谢综合征的临床试验表明,该疗法对这些疾病的作用甚微或无明显效果13,14,15。因此,仍需开展更多研究,以确定靶向肠道微生物群治疗心血管代谢性疾病的其他治疗途径。目前关于肠道微生物群与心血管疾病关系的大多数证据均为关联性研究。本文所述实验方案介绍如何结合粪菌移植(FMT)与瑞士卷技术,以同时验证疾病与肠道微生物群之间的关联性,并直接评估肠道各部位的完整性16,17,18。
本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。该方案在实验设计方面提供了更详细的说明和关键注意事项,以促进生理学上的可转化性,并提高研究结果的严谨性和可重复性。
本手稿中描述的所有实验程序均获得范德堡大学机构动物护理和使用委员会的批准。3月龄雄性C57B1/6小鼠购自杰克逊实验室,饲养和护理均按照《实验动物护理和使用指南》进行。
1. 人类粪便样本的采集、储存与处理
2. 小鼠粪便样本的无菌采集
注意:使用无菌技术,包括无菌器械。
3. 粪便移植
4. 收缩压测量
注意:接受来自常规饲养的3月龄C57Bl/6小鼠粪菌移植(FMT)的无菌小鼠被植入渗透压微型泵(Alzet,型号2002),以持续2周输注低剂量血管紧张素II(140 ng/kg/min)。血压通过尾套法每周监测一次。via 尾套法监测血压的方案此前已有报道21。尾套法操作简要总结如下。对于无菌小鼠的粪菌移植研究,使用尾套法等非侵入性方法测量血压是合适的。有关尾套法操作的详细步骤此前已有描述22。
5. 评估粪菌移植对心血管变化的影响
6. 制作肠道瑞士卷
7. 肠道免疫染色
上述步骤总结于图1。将小鼠盲肠内容物或人粪便重悬于无菌生理盐水中,制备混悬液,通过灌胃给予无菌小鼠(100 µL),前3天连续每天一次,之后每3天一次。在实验方案结束时,采用尾套法测量血压,随后处死小鼠,并采集组织以评估肠道微生物群以及心血管和代谢相关指标的变化。
选择微生物群的关键步骤之一是确保供体存在所关注的疾病表型,并且该表型与菌群失调相关。例如,高盐饮食与菌群失调及心血管功能障碍密切相关。本研究采用了一只喂食8% NaCl饮食的小鼠作为供体。高盐饮食引起的肠道微生物群变化包括细菌多样性降低(图2A),其聚类与正常盐摄入组的微生物群明显分离(图2B)。厚壁菌门/拟杆菌门比例也有所升高(图2C),提示高盐可诱导微生物群发生改变(改编自Ferguson等12)。
为了确定高盐饮食诱导的菌群失调在高血压易感性中的作用,将高盐饮食小鼠的粪便微生物移植(FMT)至无菌小鼠,并评估其对低亚升压剂量血管紧张素II(Ang II)的血压反应。本研究使用3月龄雄性C57BL/6小鼠。受体小鼠植入渗透压微泵,以持续输注低剂量Ang II(140 ng/kg/天),持续2周。与接受正常盐饮食供体FMT的小鼠相比,接受高盐饮食供体FMT的小鼠在Ang II处理后血压显著升高(图3)。该结果表明,FMT使受体小鼠易于发展为高血压12。关于啮齿类动物尾套法测血压的详细步骤此前已有报道12,26。
肠道菌群失调通过导致肠道壁炎症和通透性增加,在一定程度上促进了疾病的发生。因此,通过免疫组织化学方法检测肠壁结构,可用于研究任何疾病状态下特定肠道区域的改变,而不仅限于粪菌移植(FMT)相关研究。图4 显示,我们可以采用瑞士卷技术对回肠进行免疫组织化学分析,并使用多种染色标记物,如苏木精和伊红(H&E)、马松三色染色,以及免疫细胞标记物(如抗CD3和抗CD68)12,以及载脂蛋白AI(AI),后者在蛋白尿小鼠的回肠中有所积聚(图4)。

图1:实验方案设计示意图。 从人类受试者或普通小鼠收集的粪便样本用于移植至无菌小鼠体内。缩写:FMT = 粪菌移植;BP = 血压。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:高盐饮食小鼠表现出肠道微生物群失调。(A)来自正常盐饮食(黑色)和高盐饮食(红色)小鼠的盲肠内容物中物种生物多样性的估计。(B)非度量多维尺度分析显示,正常盐饮食与高盐饮食小鼠的细菌分别形成独立的聚类。(C)高盐饮食与厚壁菌门/拟杆菌门比例升高相关。(***p < 0.0001,采用双尾非配对 Student's t-检验)。本图改编自 Ferguson 等人12。缩写:NMDS = 非度量多维尺度分析;NS = 正常盐;HS = 高盐。请点击此处查看此图的放大版本。

图 3:来自高盐饮食小鼠的粪便微生物群移植使无菌小鼠更易发生血管紧张素 II 诱导的高血压。 与接受正常盐饮食小鼠肠道微生物群的小鼠相比,接受高盐饮食诱导的肠道菌群失调小鼠的无菌小鼠表现出显著升高的收缩压。该图改编自 Ferguson 等人12。缩写:FMT = 粪便微生物群移植;BP = 血压;Ang II = 血管紧张素 II;NS = 正常盐;HS = 高盐。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:免疫组织化学图像,说明如何评估肠道中疾病标志物的变化。 代表性图像显示从高脂血症但无(A)或有(B)蛋白尿的小鼠中获取的回肠载脂蛋白AI染色结果。放大倍数:200 µm比例尺下5倍放大(A,B,左);100 µm比例尺下10倍放大(A,B,右)。 请点击此处查看该图的放大版本。
研究肠道微生物群在心血管和代谢性疾病中因果作用的一个重要方法是将总微生物群或特定目标菌种移植到无菌小鼠体内。本文描述了从人类和普通饲养小鼠收集粪便样本并将其移植至无菌小鼠的实验方案,以研究肠道微生物群在高血压相关疾病中的作用。
在小鼠中,我们使用在厌氧环境中无菌采集的盲肠内容物;在人类中,则采集粪便样本。粪便微生物移植(FMT)可在样本仍新鲜时立即进行,也可将样本在液氮中速冻后保存于 -80 °C,待使用时取出。如果样本无法立即冷冻(例如人类在家中自行采集样本的情况),则必须使用核酸保护剂(如乙醇)进行保存。肠道中的大多数细菌为厌氧菌;在制备用于移植的粪便样本时,操作必须迅速,以避免细菌暴露于有氧环境,否则可能导致混合物中厌氧菌数量减少,从而降低移植效果27。对于纵向研究,应对所有样本同时进行宏基因组测序,以避免批次效应。用于FMT的样本可来自单个供体,也可将多个供体的样本混合后分配给不同实验组的多个受体。
在探讨机制意义之前,必须通过实验确认粪菌移植(FMT)是否成功,这一点极为关键。可通过宏基因组学分析粪便或盲肠内容物,并评估供体与受体之间的相似性。预期结果应包括相似的微生物多样性,体现在α多样性指数、主坐标分析及功能谱型上。只有在此基础上,才能推断肠道微生物群在疾病病因学中发挥重要作用。如果研究使用的是经抗生素预处理以清除其固有微生物群的普通饲养小鼠,这一步骤尤为重要。因为若此步骤未成功,受体中残留存活的细菌可能影响疾病结局。然而,即使FMT成功,特别是在临床前研究中,也并不总能有效转化为临床应用。因此,还需采取额外的验证步骤,以明确肠道相关机制在疾病病理生理中的直接作用,包括利用本文所述的瑞士卷(Swiss-roll)技术评估肠道形态的变化。
已有明确证据表明免疫细胞活化在高血压发生中具有直接作用,这已通过过继转移研究得到证实28,29,30。尽管无菌小鼠是确定肠道微生物群在疾病中因果作用的金标准模型,但其在研究 cardiometabolic 疾病的炎症机制方面可能存在局限性。无菌小鼠的免疫系统发育不全,限制了其在研究肠道微生物群与炎症相互作用方面的转化应用价值。作为替代方案,本实验方案可进行修改,将粪便样本移植至常规饲养的小鼠体内,但需先通过抗生素处理或聚乙二醇进行肠道清洁以清除其原有微生物群31,32。将粪便微生物移植(FMT)应用于经抗生素预处理的常规饲养小鼠,可避免维持无菌小鼠所需的严格控制且昂贵的饲养环境。现有研究表明,不同研究中所选用的抗生素种类(单用或联合使用)及处理方案存在差异33,34,35。抗生素的选择将决定被清除细菌的类型,这是由于不同抗生素的作用机制存在差异,进而影响最终的表型结果。因此,实验设计应充分考虑已知介导该表型的细菌类型,并据此选择合适的广谱抗生素、给药途径和治疗方案。
该方案存在一定的局限性。无菌小鼠需饲养于无特定病原体设施中,这使得与心血管疾病研究相关的实验操作具有挑战性。例如,遥测法是测量血压的金标准方法,但需要进行高度侵入性的外科手术,对于免疫系统未接触过微生物的无菌小鼠而言并不适用。因此,为避免微生物污染,本研究采用非侵入性的尾套法12。通常情况下,为了利用尾套体积描记法获得相对准确的测量结果,动物在收缩压测量前需要经过训练并适应测量平台。在无菌小鼠的粪菌移植研究中,研究人员应考虑采集并取多次测量值的平均值36。
这些挑战可能不仅限于血压指标。例如,探索心血管疾病行为学方面的研究通常需要频繁地抓取动物并使其暴露于外界环境。一项研究探讨了高纤维饮食对母体肥胖引起的认知与社交功能障碍的影响,结果表明,在使用抗生素预处理的普通小鼠中成功实现了粪菌移植37。对于研究长期心血管反应的研究,可考虑在普通饲养条件下的小鼠中进行粪菌移植。
除了测量血压外,还可对动物实施安乐死并采集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,以评估移植的肠道微生物群是否成功定植。本详细方案将指导研究人员从粪菌移植(FMT)到组织水平深入研究肠道微生物组的作用机制,适用于功能学研究。这一点尤为重要,因为目前已有大量方法学及相关文献可供参考。出于机制研究目的,可采集血浆、肠道、肾脏、心脏及其他组织,以探究相关分子通路。肠道微生物群在疾病中的因果作用与其产生的代谢物以及这些代谢物因肠屏障功能受损(“肠漏”)而进入循环系统密切相关。整个肠道的健康状况可通过组织病理学和免疫染色方法进行评估。瑞士卷法(Swiss-roll technique)已被用于展示疾病相关粪菌移植对小鼠的影响12,24。
肠道微生物群在高血压等心血管疾病中的作用目前仍局限于关联性研究。本文介绍了从人类受试者或普通小鼠收集、处理并移植粪便物质至无菌小鼠的方法学途径。该方案总结了进一步的实验操作和参数,以帮助明确肠道微生物群在心脏代谢健康中所起的因果关系和/或影响。相关研究应进行重复实验,以确保目标表型的可重复性和科学严谨性。
作者声明不存在任何利益冲突,无论是经济方面还是其他方面。
本研究由美国国家转化科学促进中心资助,资助号为范德堡临床与转化科学奖 UL1TR002243(授予 A.K.);美国心脏协会资助号 POST903428(授予 J.A.I.);美国国家心肺血液研究所资助号 K01HL13049、R03HL155041、R01HL144941(授予 A.K.),以及美国国立卫生研究院资助号 1P01HL116263(授予 V.K.)。(图 1 使用 Biorender 制作。)
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Alexa Fluor 488 Tyamide SuperBoost | ThermoFisher | B40932 | |
| 厌氧培养箱 | COY | 7150220 | |
| 载脂蛋白 AI | Novus Biologicals | NBP2-52979 | |
| 动脉剪 - 球头尖端 | Fine Science Tools | 14086-09 | |
| 漂白液 | Fisher Scientific | 14-412-53 | |
| 牛血清白蛋白 | Fisher Scientific | B14 | |
| CD3 抗体 | ThermoFisher | 14-0032-82 | |
| CD68 单克隆抗体 | ThermoFisher | 14-0681-82 | |
| 离心机 | Fisher Scientific | 75-004-221 | |
| CODA 高通量监测仪 | Kent Scientic Corporation | CODA-HT8 | |
| 冻存管 | Fisher Scientific | 10-500-26 | |
| 一次性刻度移液管 | Fisher Scientific | 137119AM | |
| 一次性注射器 | Fisher Scientific | 14-823-2A | |
| 乙醇 | Fisher Scientific | AA33361M1 | |
| 饲喂针头 | Fine Science Tools | 18061-38 | |
| 滤纸片 | Fisher Scientific | 09-802 | |
| 福尔马林 (10%) | Fisher Scientific | 23-730-581 | |
| 高盐饮食 | Teklad | TD.03142 | |
| OMNIgene.GUT | DNAgenotek | OM-200+ACP102 | |
| 渗透压微型泵 | Alzet | MODEL 2002 | |
| PAP笔 | Millipore Sigma | Z377821-1EA | |
| 培养皿 | Fisher Scientific | AS4050 | |
| 移液器吸头 | Fisher Scientific | 21-236-18C | |
| 移液器 | Fisher Scientific | 14-388-100 | |
| 无菌磷酸盐缓冲液 | Fisher Scientific | AAJ61196AP | |
| 智能刮勺 | Fisher Scientific | NC0133733 | |
| 粪便采集装置 | Fisher Scientific | 50-203-7255 | |
| TBS缓冲液 | Fisher Scientific | R017R.0000 | |
| 吐温X-100 | Millipore Sigma | 9036-19-5 | |
| Varimix平台摇床 | Fisher Scientific | 09047113Q | |
| 涡旋混合器 | Fisher Scientific | 02-215-41 | |
| 二甲苯 | Fisher Scientific | 1330-20-7, 100-41-4 |