Een diverse darmmicrobiota speelt een belangrijke rol bij het handhaven van de homeostase van de gastheer. Dit microbioom helpt bij verschillende fysiologische processen, variërend van de spijsvertering en opname van voedingsstoffen uit voedsel, afweer tegen infectie van ziekteverwekkers, regulering van de ontwikkeling van het immuunsysteem en immuunhomeostase1. Verstoring van de microbiële samenstelling van de darm is in verband gebracht met vele ziekten, waaronder kanker2, auto-immuunziekten3, inflammatoire darmaandoeningen4, neurologische aandoeningen5 en stofwisselingsziekten 6,7. Kiemvrije (GF) muizen zijn krachtige hulpmiddelen in fecale microbiota-transplantatiemodellen om de biologische effecten van microbiota te bestuderen8. De GF-huisvestingsomgeving is echter zeer streng en het uitvoeren van fecale microbiota-transplantatie (FMT) bij deze muizen is duur. Bovendien hebben GF-muizen verschillende barrière- en slijmvlieseigenschappen, die de bacteriële penetratie reguleren, in vergelijking met conventionele muizen9. Deze factoren beperken de brede toepassing van GF-muizen in studies. Een alternatief voor het gebruik van GF-muizen is het uitputten van de microbiota bij conventionele muizen met behulp van een antibioticacocktail gevolgd door FMT. Eerder gerapporteerde FMT-methoden zijn niet goed beschreven en inconsistent; daarom is het noodzakelijk om een haalbaar, efficiënt en reproduceerbaar protocol op te stellen om FMT uit te voeren met conventionele muizen.
Verschillende stappen zijn cruciaal voor een succesvolle FMT. De efficiëntie van de uitputting van de microbiota is de eerste belangrijke stap. Voor uitputting van bacteriën is het gebruik van een enkel breedspectrumantibioticum (bijv. streptomycine10) of een antibioticacocktail (drievoudige of viervoudige antibioticabehandeling) gemeld11,12. De viervoudige antibioticabehandeling, waaronder ampicilline, metronidazol, neomycine en vancomycine, is het meest effectieve regime gebleken en is in verschillende onderzoeken gebruikt 13,14,15. Naast het type antibioticum dat wordt gebruikt, zijn de toedieningsweg, dosering en duur van de antibioticabehandeling van invloed op de werkzaamheid van bacteriële uitputting. Sommige onderzoekers passen antibiotica toe in het drinkwater om bacteriën in het maagdarmkanaal te elimineren15. Het is echter moeilijk om de dosering van antibiotica die elke muis op deze manier krijgt te controleren. Daarom hebben onderzoekers in latere studies muizen gedurende 1-2 weken 12 behandeld met antibiotica via een orale maagsonde12 om een bevredigende uitputting te bereiken. Het langdurig gebruik van antibiotica kan echter problematisch zijn, omdat de antibiotica zelf sommige ziekten in knaagdiermodellen kunnen beïnvloeden16. Daarom zijn snellere en efficiëntere methoden voor de uitputting van de microbiota gerechtvaardigd.
De voorbereiding van fecale vloeistof is een andere belangrijke stap om succesvolle FMT te garanderen. In het maagdarmkanaal varieert de pH van 1 in de maag tot 7 in de proximale en distale darm9. De microbiota in de maag is beperkt door de hoge zuurgraad en bevat Helicobacter pylori17. De proximale darm produceert galzuur voor de lever-darmcirculatie en bevat microbiota die verband houden met de vertering van vet, eiwitten en glucose. Het distale darmkanaal bevat overvloedige anaërobe bacteriën en vertoont een hoge microbiële diversiteit18. Gezien de ruimtelijke heterogeniteit van de darmmicrobiota, is het absoluut noodzakelijk om de darminhoud uit verschillende delen van het darmkanaal te isoleren voor de bereiding van fecale vloeistof. Bovendien zijn andere factoren, waaronder de aard van het donormonster (bijv. vers of ingevroren monster), transplantatiefrequentie en duur cruciaal bij het uitvoeren van FMT. Bevroren ontlasting wordt meestal gebruikt voor het koloniseren van conventionele muizen met menselijke darmmicrobiota19. Daarentegen is FMT met verse ontlasting van dierlijke donoren geschikter en wordt het vaak gebruikt in diermodellen 20,21. De FMT-frequentie en -duur variëren afhankelijk van het experimentele ontwerp en de modellen. In eerdere studies werd FMT dagelijks of om de dag uitgevoerd. De transplantatieduur varieerde van 3 dagen22 tot 5 weken23. Naast de bovenstaande factoren is het handhaven van een aseptische chirurgische omgeving en het gebruik van gesteriliseerde chirurgische instrumenten van cruciaal belang om onverwachte bacteriële besmetting uit de omgeving te voorkomen.
De darmmicrobiota heeft het potentieel om de accumulatie van cellen die immunoglobuline A (IgA) tot expressie brengen, te reguleren. IgA, een overheersend isotype van antilichamen, is van cruciaal belang bij het beschermen van de gastheer tegen infectie door neutralisatie en uitsluiting. IgA met hoge affiniteit wordt getranscytoseerd in het darmlumen en kan aanstootgevende ziekteverwekkers binden en omhullen. Daarentegen kan coating met IgA een kolonisatievoordeel opleveren voor bacteriën24. In tegenstelling tot door ziekteverwekkers geïnduceerd IgA heeft inheems commensale geïnduceerd IgA een lagere affiniteit en specificiteit25. Het aandeel darmbacteriën bedekt met IgA is naar verluidt significant verhoogd bij sommige ziekten25,26. IgA-gecoate bacteriën kunnen een positieve feedbacklus van IgA-productie initiëren27. Daarom kan het relatieve niveau van IgA-gecoate bacteriën de omvang van de ontstekingsreactie in de darm voorspellen. In feite kan deze combinatie worden gedetecteerd via flowcytometrie28. Met behulp van op IgA gebaseerde sortering verwierven Floris et al.27, Palm et al.25 en Andrew et al.29 IgA+ en IgA-fecale bacteriën van muizen en karakteriseerden ze taxa-specifieke gecoate darmmicrobiota via 16S rRNA-sequencing.
In deze studie beschrijven we een geoptimaliseerde methode om darmdominante bacteriën efficiënt uit te putten en conventionele muizen te koloniseren met verse of ingevroren fecale microbiota geïsoleerd uit de inhoud van het ileum en de dikke darm. We demonstreren ook een methode op basis van flowcytometrie om IgA-bindende bacteriën in de darm te detecteren.