噬菌体(phages)是一类感染细菌的病毒,是肠道微生物组的重要组成部分。尽管这些共生微生物影响着细菌的适应性和种群动态,但其对肠道稳态及疾病的影响机制仍知之甚少。本实验方案采用小鼠模型研究分离的T4噬菌体,该方法可适用于其他噬菌体-细菌组合的研究。
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噬菌体(phages)是一类感染细菌的病毒,是肠道微生物组的重要组成部分。尽管这些共生微生物影响着细菌的适应性和种群动态,但其对肠道稳态及疾病的影响机制仍知之甚少。本实验方案采用小鼠模型研究分离的T4噬菌体,该方法可适用于其他噬菌体-细菌组合的研究。
噬菌体(phages)是一类特异性感染细菌的病毒,其宿主范围可精确到物种和菌株水平,是目前已知所有生态系统中数量最丰富的生物实体。在细菌群落(如肠道微生物群)中,噬菌体参与调控微生物群的种群动态,并驱动细菌的进化过程。过去十年间,随着溶菌性噬菌体因其对特定宿主的杀伤能力而展现出对抗日益严峻的抗菌药物耐药性细菌的潜力,噬菌体研究重新受到广泛关注。此外,近期研究表明,噬菌体可黏附于肠黏膜,提示其可能在防止细菌侵入下方上皮组织方面发挥保护作用。尤为重要的是,类似于细菌微生物组,噬菌体组的失衡也已被证实与炎症性肠病等疾病的恶化预后相关。先前的研究已证明,通过粪便滤液移植,噬菌体能够调节动物和人类的微生物组,从而有益于宿主健康。随着这一轮研究热潮的到来,建立并标准化在肠道微生物组背景下研究噬菌体的实验方案变得尤为必要。. 本方案提供了一套用于研究分离的T4噬菌体及其细菌宿主的实验步骤, 大肠杆菌, 在小鼠胃肠道的背景下。本文所述方法概述了 如何从噬菌体裂解液开始,将其施用于小鼠,并评估其对细菌宿主和噬菌体水平的影响。 该方案可经修改后应用于其他噬菌体-细菌组合,为研究宿主-噬菌体相互作用动态提供了起点 体内
噬菌体(bacteriophages,简称phages)是一类能够特异性感染并杀死特定物种和菌株细菌的病毒1。在复杂的细菌群落(如肠道微生物群)中,噬菌体发挥着重要作用,已被证实参与调控细菌种群动态并影响细菌的适应性2。在过去十年中,由于耐药性病原微生物的不断出现3,人们对噬菌体研究重新产生了浓厚兴趣,并开始探索将噬菌体疗法作为替代治疗策略的潜力。近年来,裂解性噬菌体混合制剂已通过静脉注射方式在治疗人类严重的抗生素耐药性细菌败血症感染中取得了一定成效3,4。口服噬菌体疗法也被提出作为治疗肠道感染和炎症的潜在抗生素替代方案。此外,研究表明噬菌体可能在粪便滤液移植(fecal filtrate transplants, FFT)中发挥关键作用;FFT 是经过滤去除细菌后的粪便微生物群制剂,已被用于治疗复发性Clostridioides difficile感染(rCDI)5,6 、炎症性肠病(IBD)7,8以及早产仔猪的坏死性小肠结肠炎9。鉴于上述结果,在将新型噬菌体引入已有微生物群落时,必须充分考虑噬菌体与肠道微生物群之间以及噬菌体与哺乳动物宿主之间的相互作用,因为这种引入可能不仅影响其靶向细菌,还可能对整个微生物群落产生间接影响2,10。
噬菌体与其靶向细菌相互作用的研究 体外 已证明对理解肠道中噬菌体与细菌相互作用的机制及影响具有重要意义。在此背景下, 已表明 大肠杆菌-特异性的T4噬菌体,属于目 有尾噬菌体目 需要位于病毒颗粒表面高抗原性外衣壳(Hoc)蛋白中的免疫球蛋白(Ig)样结构域以黏附于肠黏液11此外,Transwell 实验表明,T4 噬菌体能够与上皮细胞培养物相互作用,并通过巨胞饮作用穿过细胞层。12,13这些结果支持了噬菌体能够与其后生动物宿主相互作用的假说,尽管它们无法感染真核细胞。这些模型虽然具有一定的应用价值,但缺乏肠道生态系统中存在的全部复杂相互作用,因而不足以全面探究噬菌体、细菌与后生动物宿主三者之间的相互关系。
小鼠模型是研究复杂环境中噬菌体的重要工具。噬菌体施用的一个理想应用是作为治疗耐药性微生物感染或与慢性炎症性疾病(包括炎症性肠病)相关的病理共生菌的替代策略。然而,新近的文献表明噬菌体行为 体外 不能完全代表 体内 功能。Buttimer 等人14 证明了噬菌体混合制剂能够在简化的人类微生物组共培养物中耗尽靶向细菌 体外,但无法被重复 体内 在定植有相同细菌-噬菌体群落的无菌小鼠中。此外,在常规小鼠肠道微生物组中,T7噬菌体导致其靶向肠道细菌的选择性减少,尽管随着时间推移观察到细菌逐渐恢复,表明靶细菌已进化出抗性15其他研究已证明口服噬菌体与其靶向细菌菌株可在体内共存 体内2,16事实上,除了噬菌体与细菌的共存之外,噬菌体的施用还导致了整体微生物群落组成和功能的广泛变化2,16这一点在疾病背景下具有重要意义,因为多项研究已发现尾病毒目(Caudovirales)相对丰度的增加与炎症性肠病(IBD)之间存在关联。7,8,17 与细菌丰度变化无关7目前尚不清楚这是疾病发病机制的驱动因素还是其结果。
噬菌体研究的历史重点一直集中在噬菌体与其靶向细菌之间的关系上。然而,同样重要的是要考虑噬菌体与后生动物宿主的黏膜、上皮以及免疫系统之间可能存在的相互作用。这些相互作用在宿主对肠道噬菌体感染的整体反应中均发挥着重要作用。为说明这一点,已有研究利用无菌(GF)小鼠模型来探究噬菌体对免疫系统的影响,从而排除微生物群的干扰8。在此系统中,吞噬性免疫细胞(巨噬细胞和树突状细胞)内体中的Toll样受体(TLRs)可检测到噬菌体核酸,进而激活下游信号通路,并刺激T细胞依赖性的干扰素(IFN)-γ8 或I型IFN18的产生。此外,Fluckiger等19 发现记忆性CD8+ T细胞能够识别噬菌体编码的(前噬菌体)抗原,导致T细胞与肿瘤抗原发生交叉反应,从而减轻肿瘤负荷。最后,在小鼠研究中已记录到噬菌体特异性抗体的产生,这些研究通过饮水持续给予动物模型噬菌体8,20,或通过连续数月重复口服灌胃的方式给予噬菌体20,表明噬菌体蛋白具有诱导体液免疫反应的能力。尽管这些噬菌体接种方式有利于免疫系统的最佳且持续的致敏,但它们可能并不能代表噬菌体与肠道环境之间自然发生的相互作用,也无法反映口服噬菌体治疗的动力学特征。迄今为止,仅有少数研究探讨了噬菌体在单菌定植小鼠模型中与单一细菌物种的相互作用21。然而,单菌定植小鼠模型已被证明对于解析单个微生物物种对胃肠道(GI)道及免疫系统发育的特异性影响至关重要22,23,24,未来该模型可能在阐明噬菌体、其靶向细菌与后生动物宿主三者之间相互作用方面继续发挥重要作用。
令人振奋的是,关于肠道噬菌体与肠道共生细菌之间的相互作用,以及后生动物宿主与其体内定植的噬菌体之间的相互作用,仍有许多未知有待探索。本实验方案提供了一套利用无菌小鼠模型研究分离的T4噬菌体及其 细菌对应物E. coli(K-12,BW25113)的操作流程。这些标准化的操作步骤也为优化其他噬菌体-细菌组合提供了基础,只需根据目标组合调整相应的培养参数即可。本文所述方法包括:(1)制备用于小鼠灌胃的T4噬菌体及对照溶剂裂解液;(2)对单一定植E. coli的无菌小鼠进行T4噬菌体口服给药;(3)随时间动态监测小鼠粪便及组织中T4噬菌体的水平。
此处展示的代表性结果所用的纯化T4噬菌体裂解液,源自Rohwer实验室保藏的噬菌体库菌种。T4噬菌体的扩增采用了改良的Phage-on-Tap方法25,如本方案中所提及。该方法可在三天内获得高滴度、低内毒素的噬菌体储备液。采用此方法,可从10 mL培养物中获得≥1010 噬菌体T4的斑块形成单位(pfu)/mL < 0.5 内毒素单位(EU)/mL 常规收集。小鼠口服或静脉注射时推荐的内毒素水平分别为 ≤ 20 EU/mL 和 ≤ 5 EU/kg/h(或对20 g小鼠在1 h内给予0.1 EU),因此该噬菌体制备方法适用于 体内 接种。所有噬菌体储备液均保存在4 °C的盐水镁(SM)噬菌体缓冲液中(配方见步骤1.1.5.1)。 E. coli 在LB培养基中培养。对于不同的噬菌体-细菌配对,可从本方案中调整多种培养基和培养条件。噬菌体也可来源于环境样本,如废水、海水、土壤和肠道内容物,并可根据Sambrook和Russell的方法进行分离和纯化。26 在使用每种噬菌体-宿主组合对应的适宜生长和扩增条件进行制备之前25或者,噬菌体可从商业来源获得(参见 材料表)或从噬菌体文库中获取。
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所有实验均按照不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会和生物安全委员会批准的方案指南(A23-0113,B19-0038)进行。小鼠饲养于不列颠哥伦比亚大学疾病建模中心的无病原体环境中。C57BL/6小鼠在无菌软膜隔离器内于设施中繁育,并提供无菌小鼠饲料、水、垫料和筑巢材料。小鼠维持在12小时光照/12小时黑暗的循环条件下。实验所用小鼠(包括雄性和雌性)在每项实验中均按年龄匹配,周龄介于6至12周之间,所有实验中小鼠体重为15–30 g。
1. 小鼠口服灌胃用噬菌体及载体裂解液的制备
2. T4 噬菌体的给药与监测 E. coli 单菌定植小鼠
3. 监测T4噬菌体水平 体内
注意:小鼠接种噬菌体后,可在粪便或组织样本中测定噬菌体及目标细菌的浓度。这可提供有关噬菌体感染动力学以及两种生物定植动态的信息。


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为研究T4噬菌体与E. coli在小鼠肠道内的相互作用,制备、清洗并纯化了T4噬菌体及对照溶剂裂解液(图1A)。通过噬斑实验测定T4噬菌体裂解液的滴度,并用SM缓冲液稀释至2 × 107 pfu/mL(每只小鼠2 × 106 pfu)。同时对对照溶剂裂解液进行滴度测定以确认无活性噬菌体存在,并用与T4噬菌体裂解液相同体积的SM缓冲液稀释。使用显色法内毒素定量试剂盒测定稀释后裂解液中的内毒素水平。T4噬菌体、热灭活噬菌体及对照溶剂裂解液的内毒素水平均低于饮用水可接受限值(<20 EU/mL)25 (图1B)。由于对照溶剂裂解液的内毒素含量与T4噬菌体裂解液相近,因此被认为适合作为对照。热灭活噬菌体裂解液(热处理前为2 × 107 pfu/mL)的内毒素水平低于对照溶剂和T4噬菌体裂解液。根据试剂盒说明书,对经1-辛醇处理的样品,通过向对照溶剂裂解液中添加内毒素标...
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与细菌相比,微生物组中噬菌体的研究面临重大挑战。具体而言,噬菌体缺乏一种所有噬菌体共有的保守系统发育标记,而这种标记在细菌和真核生物中分别由16S和18S核糖体亚基提供,使得原核和真核物种的测序与鉴定得以简便进行。42然而,随着下一代测序技术的进步,包括读长的增加、通量的提高以及成本的降低,噬菌体基因组数据库正在迅速扩展42,43,44。随着噬菌体发现的基础工作不断推进,噬菌体研究如今比以往更加易于开展。作为肠道微生物组的关键成员以及地球上遗传多样性最丰富的生物体,噬菌体为探究微生物组复杂性的新研究提供了极具吸引力的切入点。本文所述的实验方案聚焦于在定植了目标细菌的小鼠中研究已知的噬菌体种类。需要注意的是,这些方案仅为研究噬菌体提供了指导性框架 体内 并可随着该领域的发展而进一步拓展。
随着20世纪40年代抗生素的问世,噬菌体在治疗...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者谨此申明,本研究所进行的区域是 xwməθkwəy̓əm(Musqueam)民族的传统、祖传且未经割让的领地。该土地位于历来为 Musqueam 人民的学习之地,千百年来,他们的文化、历史与传统在此地代代相传。我们鼓励各界人士通过 https://native-land.ca 了解更多有关其生活与工作所在原住民土地的信息。作者感谢来自 Natural 加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)加拿大研究生奖学金-硕士(N.P.),BC省迈克尔·史密斯健康研究会培训生奖(RT-2023-3174,授予MH),加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)发现基金项目(RGPIN-2019-04591,授予C.T.;RGPIN-2016-04282,授予LCO),加拿大先进研究所/人类与微生物组项目(FL-001253 Appt 3362,授予C.T.),迈克尔·史密斯健康研究基金会学者奖(18239,授予C.T.),加拿大卫生研究院(PJT-159458,授予LCO)以及加拿大创新基金会(34673,授予LCO;38277,授予CT)。我们感谢不列颠哥伦比亚大学疾病建模中心(UBC Centre for Disease Modelling)和ubcFLOW提供的技术支持,上述机构由不列颠哥伦比亚大学GREx生物韧性倡议(UBC GREx Biological Resilience Initiative)资助, 并向Osborne实验室和Tropini实验室的成员致以感谢,感谢他们对稿件提出的宝贵讨论与评审意见。 图1A 和 图 2A 使用 Biorender.com 创建。
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