$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Kiemvrije muizen zijn een essentieel hulpmiddel in het repertoire van microbioomonderzoekers, waardoor men de bijdrage van de microbiota aan de gezondheid en ziektetoestanden van de gastheer kan ontleden. Kiemvrije muizen worden volledig steriel geboren en blijven hun hele leven axenisch1. Kolonisatie van kiemvrije muizen met specifieke bacteriestammen maakt causale studies mogelijk tussen die taxa en metabole, immuun- of andere gastheerfuncties 2,3,4,5. Bijzonder voordelig is het vermogen om kiemvrije muizen op het niveau van de microbiota te "vermenselijken" door uitwerpselen verkregen van menselijke donoren te transplanteren en, wanneer ze in barrièreomstandigheden worden gehuisvest, besmetting door van muizen afgeleide micro-organismen te voorkomen1. Deze benadering heeft veel belangrijke ontdekkingen mogelijk gemaakt op het gebied van microbioom, bijvoorbeeld het effect van het menselijke darmmicrobioom op de respons van immunotherapie bij kanker 6,7,8.
Hoewel gehumaniseerde kiemvrije muizen van onschatbare waarde zijn voor onderzoeksinspanningen op het gebied van microbioom, zijn er veel beperkingen die de bredere aanpassing van deze aanpak hebben geremd. Kiemvrije muizen worden gekweekt en onderhouden in halfstijve of flexibele film grote isolatoren, maar functionele experimenten vereisen dat er aparte mini-isolatoren worden opgesteld, met één mini-isolator die meerdere kooien huisvest, maar alleen onder één experimentele voorwaarde. Deze mini-isolatorbenadering verhoogt de ruimtevoetafdruk en de kosten, terwijl het aantal experimentele omstandigheden dat in een experiment kan worden onderzocht en het aantal experimenten dat parallel kan worden uitgevoerd, aanzienlijk wordt beperkt. Een veelbelovende oplossing is het gebruik van een individueel, modulair kooisysteem genaamd het ISOcage P Bioexclusion System (hier aangeduid als isocage-systeem)9,10. Het isocage-systeem maakt experimentele manipulatie van kiemvrije muizen mogelijk in individuele, hermetisch afgesloten isolatorkooien met positieve druk, waardoor afzonderlijke experimentele omstandigheden tussen elke kooi mogelijk zijn in plaats van tussen elke mini-isolator. Met de juiste aseptische techniek kunnen dieren tot 12 weken onder kiemvrije omstandigheden in isocages worden gehuisvest of worden gehumaniseerd door menselijke fecale transplantatie voor gebruik in elke compatibele experimentele benadering (d.w.z. kan worden uitgevoerd onder aseptische omstandigheden). Meerdere onafhankelijke experimenten kunnen parallel worden uitgevoerd met behulp van het isocage-systeem, en de ruimtevoetafdruk en kosten zijn dramatisch minder dan het uitvoeren van meerdere experimenten met mini-isolators.
Het doel van het kweken van kiemvrije muizen in flexibele filmkweekisolatoren is om de axenische status11 zorgvuldig te behouden. Technieken die worden gebruikt om de kiemvrije status te controleren, zijn onder meer routinematige uitstrijkjes van lichaamsoppervlakken en mondholten van muizen, evenals het aseptisch verzamelen van fecale monsters, die zowel worden gekweekt als getest door op PCR gebaseerde commerciële tests. Bacteriële, serologische en schimmeltesten van deze monsters zijn allemaal nodig om de kiemvrije status11 te bepalen. Wanneer kiemvrije muizen worden overgebracht van kweekisolatoren naar isocages voor experimenteel gebruik, worden de muizen afgenomen en getest om hun kiemvrije status bij overdracht te valideren. Isocage-steriliteitscontroles worden uitgevoerd door middel van aseptische verzameling van fecale monsters, die vervolgens worden gekweekt voor detectie van bacteriële, virale en schimmelverontreinigingen. Het zorgvuldig verzamelen en registreren van de resultaten van deze steriliteitscontroles vanaf de geboorte tot het einde van een experimenteel protocol is noodzakelijk om de kiemvrije status van deze muizen te valideren.
Het isocage-systeem bestaat uit individuele kooien (Figuur 1), transferschijven voor transport uit kweekisolatoren (Figuur 1) en het isocage-rek, waarin de kooien zijn ondergebracht (Figuur 2). Elke isocage bevat een HEPA-filter (High Efficiency Particulate Air) op kooiniveau dat op de toevoerluchtinlaat is geïnstalleerd en een siliconenpakking die een luchtdichte afsluiting vormt wanneer deze gesloten is, zodat er geen verontreinigingen via de lucht in de kooi kunnen komen (Figuur 1A). Dit kooideksel kan worden gebruikt als steriel werkoppervlak wanneer het ondersteboven in een gesteriliseerde bioveiligheidskast wordt geplaatst (Figuur 1A). Een rooster in de kooi bevat de voedsel- en waterfles (Figuur 1B). Een tang die in de kooi is geautoclaveerd, wordt gebruikt voor alle manipulaties die contact met de oppervlakken van de binnenkooi vereisen. De kooi zelf heeft inkepingen voor een verwijderbare kooikaarthouder om dieren aan de buitenkant te identificeren en luchtinlaat- en exportmondstukken die in het isocage-rek worden geplaatst (Figuur 1C-E). Veilige sluitingsklemmen en een lipvergrendeling op het deksel sluiten de kooi af wanneer deze klaar is om weer op het reksysteem te worden geplaatst (Afbeelding 1F). De voorgestelde bedding is Alpha-dri, en een autoclaveerbare verrijkingshut wordt ook aanbevolen (Figuur 1F). Transferschijven worden gebruikt om kiemvrije muizen van kweekisolatoren naar de isocages te verplaatsen en bevatten een draaibaar compartimentdeksel met een driehoekige opening om manipulatie van dieren mogelijk te maken (Figuur 1G-H). Schijven zijn er in de maten small (21,6 cm diameter) en large (28 cm diameter), die beide een capaciteit hebben van acht muizen. Geautoclaveerde tape wordt gebruikt om luchtdichte afdichtingen te maken op de omtrek en luchtgaten van de schijf, wat wordt uitgevoerd voorafgaand aan het weken met sterilisatiemiddel en transport in een met sterilisatiemiddel doordrenkte zak (Figuur 1I). Het racksysteem zelf heeft een scherm om de luchtblazers, de status van het HEPA-filter op rackniveau en de noodbatterijvoeding voor het rack te bewaken, die allemaal zijn opgenomen in de functies van het systeem (Afbeelding 2A). Een gesloten Magnehelic-meter geeft de positieve druk weer die door het kooisysteem wordt gehandhaafd, en een automatische visuele docking-indicator geeft de dockingstatus van de kooien weer (geel lipje betekent dat er geen kooi is gedockt of dat het dock niet succesvol was) (Figuur 2B-D). Ook noodzakelijk voor de manipulatie van isocages is een standaard gecertificeerde bioveiligheidskast.
Het hier gepresenteerde protocol beschrijft de juiste methoden voor de succesvolle overdracht van kiemvrije muizen van kweekisolatoren onder aseptische omstandigheden naar de isocages met behoud van de kiemvrije status, de humanisering van kiemvrije muizen met menselijke donorfecale slurry, en het verzamelen van uitwerpselen van muizen die in de isocage zijn gehuisvest voor bevestiging van de kiemvrije status of behoud van levensvatbaarheid voor verdere functionele studies. In dit voorbeeld worden kiemvrije muizen gehumaniseerd met gepoolde fecale monsters van menselijke proefpersonen die zijn behandeld met immunotherapie voor longkanker en gedichotomiseerd als responders of non-responders op therapie. In dit geval werd het responsfenotype op immunotherapierespons door de humanisering van de darmmicrobiota overgedragen aan de ontvangende muizen, die vervolgens verder konden worden geïnoculeerd met tumorcellen en behandeld met immunotherapie. Het protocol voor menselijke fecale slurry kan gemakkelijk worden aangepast aan alle uitwerpselen van menselijke donoren of elk preklinisch ziektemodel dat de onderzoeker wenst. Met behulp van dit protocol is het mogelijk om elke menselijke fecale donormicrobiota over te brengen naar de kiemvrije gastheer, waardoor verder onderzoek naar de rol van microbiota in gezondheid en ziekte mogelijk is.

Figuur 1: Schematisch diagram van isocage- en transferschijven. (A) Bovenaanzicht van de onderkant van het kooideksel, met labels die de locatie van het interne HEPA-filter op kooiniveau en de siliconen pakkingafdichting aangeven. (B) Bovenaanzicht van de binnenkant van de kooi, met labels die het deksel van de draadstang, de interne waterfles en de tuit aangeven, en de locatie in het rooster om autoclaveerbare voer vast te houden. (C) Vooraanzicht van de kooi met inkepingen voor de houder van de kooikaart. (D) Bovenaanzicht van een volledige kooi met het deksel erop, waarop te zien is hoe het HEPA-filter op het luchtinlaatmondstuk is geïnstalleerd. (E). Achteraanzicht van de kooi met luchtinlaat- en exportsproeiers die aan het isocage-reksysteem zijn gekoppeld. (F) Zijaanzicht van een volledige kooi met het deksel erop, met labels die de veilige sluitingsklemmen in de open stand aangeven, met witte lipjes op elke klem die ze op hun plaats vergrendelen. Het interieur van de kooi toont Alpha-dri bedding gelaagd aan de onderkant en suggereerde verrijkingshut geplaatst in bedding. (G) Bovenaanzicht van overdrachtsschijven met deksel erop. (H) Bovenaanzicht van de binnenkant van de transferschijf, met het draaibare deksel van het compartiment met een driehoekige opening om manipulatie van dieren mogelijk te maken. (I) Zijaanzicht van de volledig gemonteerde transferschijf met de plaatsing van de geautoclaveerde tape, die een luchtdichte afsluiting creëert tijdens de overdracht van de kweekisolator naar de isocage. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Schematisch diagram van het isocage-reksysteem. (A) Compleet isocage-rek met gedockte kooien en een label dat het bewakingsscherm aangeeft voor de status van de luchtblazer, de status van het HEPA-filter en de noodbatterij. Linksonder in het rack bevindt zich de sleuf voor het HEPA-filter op rackniveau. (B) Gesloten Magnehelische meter die de positieve druk weergeeft die door het rek wordt gehandhaafd. (C) Een aangemeerde isocage zonder zichtbare gele aanlegindicator, die een succesvolle verbinding tussen het rek en de luchtsproeiers aantoont. (D) Een lege sleuf in het rek, met een zichtbare automatische visuele docking-indicator die aangeeft dat er geen rek is geplaatst en dat er geen verbinding is van de luchtsproeiers met een isocage. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.