1. Kolonizacja zwierząt wolnych od zarazków i pobieranie próbek
- Wyjąć zwierzęta wolne od mikroorganizmów (germ-free) z izolatorów i umieścić je w konwencjonalnej pracowni hodowlanej w klatkach wyposażonych w filtr, przed zwierzętami konwencjonalnymi, które będą służyć jako grupa kontrolna (Rysunek 1).
- Zmieszać połowę ściółki (3-dniowej) pobranej z kontrolnej klatki konwencjonalnej ze ściółką zwierząt wolnych od mikroorganizmów. Przy każdej konieczności wymiany ściółki zawsze zachować 1/3 brudnej ściółki konwencjonalnej w celu utrzymania poziomu bakterii (zachować ją przez co najmniej 3 dni).
- Zebrać mocz do mikroprobówki o pojemności 1,5 mL, trzymając mysz nad probówką i wspomagając mikcję poprzez delikatny masaż jelit. Natychmiast zamrozić w ciekłym azocie. Przechowywać w temperaturze co najmniej -40°C do czasu analizy NMR. Do akwizycji z wykorzystaniem sondy NMR 5 mm wymagana jest objętość minimum 20 μL, jednak w celu poprawy jakości profilowania metabolicznego zaleca się użycie 30 μL.
- Zwierzęta należy poddać eutanazji bez użycia jakichkolwiek środków anestetycznych, aby uniknąć zakłócenia sygnałów NMR wynikających z wątrobowego metabolizmu związków anestetycznych (np. zastosować zwichnięcie karku, a następnie potwierdzić zgon poprzez upuszczenie krwi).
2. Zalecenia dotyczące pobierania biopsji wątroby
- Aby uniknąć kontaminacji, nie należy używać żadnych produktów zawierających alkohol. Narzędzia należy myć wyłącznie wodą lub roztworem soli fizjologicznej.
- Nie należy przebijać pęcherzyka żółciowego. W przypadku wycieku żółci tkankę należy natychmiast przemyć wodą lub roztworem soli fizjologicznej.
- Pobrać biopsje wątroby (około 15-50 mg) z lewego płata, zgodnie z rysunkiem 2. Aby zapewnić powtarzalność biopsji, należy pobierać materiał konsekwentnie z centrum lewego płata, unikając obszarów obwodowych, gdzie tkanka jest cieńsza.
- Biopsje należy natychmiast zamrozić w ciekłym azocie i przechowywać w temperaturze -80°C do czasu analizy NMR.
3. Akwizycja widm 1H NMR mikroobjętości moczu
- Przygotować 0,2M roztwór buforu fosforanowego sodu w D2O (99,8 %), pH 7,4 zawierający 1 mM kwas 3-(trimetylosililo)propionowy-d4 (TSP).
- Zmieszać 30 μL moczu z 30 μL buforu fosforanowego sodu.
- Przenieść 50 μL zmieszanego roztworu do kapilary NMR o średnicy 1,7 mm (Rycina 3 (2)) za pomocą szklanej strzykawki o objętości 50 μL wyposażonej w metalową igłę (średnica zewnętrzna 0,5 mm). Należy uważać, aby nie wprowadzić pęcherzyków powietrza.
- Założyć adapter kapilarny (Rycina 3 (3)) na górną część kapilary zawierającej próbkę moczu i umieścić ją w mikroprobówce NMR o średnicy 2,5 mm przeznaczonej do sondy NMR 5 mm (Rycina 3 (1)). Tego zestawu probówek należy używać jako standardowej probówki NMR 5 mm do akwizycji widma.
- Użyć pręta ekstrakcyjnego (Rycina 3 (4)), aby wyjąć kapilarę z probówki NMR 2,5 mm, delikatnie przykręcając adapter kapilarny i wyciągając go.
4. 1H HR MAS NMR biopsji tkanki wątroby: przygotowanie próbki
- Elementy i narzędzia rotora MAS przedstawiono na Rysunku 4.
- Wprowadź biopsjat (około 15-50 mg) do rotora cyrkonowego (Rysunek 4 (1)) i wypełnij pozostałą objętość czystą D2O w celu stabilizacji sygnału (NMR lock). Należy uważać, aby nie dopuścić do powstania pęcherzyków powietrza, ponieważ mogłoby to pogorszyć jakość późniejszego shimmingu i pozyskiwania danych.
- Wprowadź teflonowy dystans 50 μL (Rysunek 4 (2)) za pomocą śruby cylindrycznej (Rysunek 4 (5)). Wykręć ją i skalibruj za pomocą głębokościomierza z krótkiej strony (Rysunek 4 (8)). Na tym etapie należy zwrócić szczególną uwagę na próbkę, ponieważ jej część może wycieknąć przez otwór w dystansie. W takim przypadku część biopsjatu ulegnie zniszczeniu, a waga próbki nie będzie już wiarygodna. Konieczne jest zatem ponowne przygotowanie próbki od samego początku.
- Umieść pin z gwintem (Rysunek 4 (3)) i delikatnie przykręć go śrubokrętem (Rysunek 4 (6)). Osusz pozostałą wodę za pomocą serwetki.
- Umieść nakrętkę (Rysunek 4 (4)) na górze rotora i włóż ją do prasowania rotora (Rysunek 4 (6)). Dociskaj mocno, aż nakrętka znajdzie się na swoim miejscu. Między rotorem a nakrętką nie powinno pozostać żadnej szczeliny.
- Zaznacz połowę spodu rotora czarnym markerem, aby umożliwić optyczną detekcję prędkości wirowania.
- Umieść rotor w spektrometrze NMR i rozpocznij wirowanie z częstotliwością 5 kHz. Pozyskaj widmo 1H NMR, stosując sekwencję impulsów CPMG13 zgodnie z wytycznymi producenta.
- Do kalibracji widm NMR użyj rezonansu anomeru α glukozy przy 5,22 ppm (dublet).
- Aby rozpakować rotor, zdejmij nakrętkę za pomocą zdejmaka do nakrętek (Rysunek 4 (9)). Wykręć pin z gwintem i usuń teflonowy dystans za pomocą śruby cylindrycznej. Umyj dokładnie wodą i detergentem.
5. Reprezentatywne wyniki
Aktywność mikrobiomu jelitowego można monitorować za pomocą profilowania metabolicznego moczu. W literaturze opisano liczne mikrobiologiczne ko-metabolity w moczu, które można zidentyfikować za pomocą 1H NMR7,14-17. Ko-metabolity te są szczególnie użyteczne do monitorowania procesu kolonizacji, ponieważ stanowią szybki i nieinwazyjny sposób oceny stabilności nowo ustanowionego ekosystemu. Rycina 5A wyraźnie ilustruje pojawienie się mikrobiologicznych ko-metabolitów w trakcie procesu kolonizacji. Rycina ta przedstawia profil metaboliczny moczu uzyskany zgodnie z procedurą opisaną w kroku 2 dla zwierzęcia kolonizowanego przez 20 dni według procedury opisanej w kroku 1. Zwierzę to nie wydalało siarczanu indoksylu oraz minimalnych ilości fenyloacetyloglicyny (PAG) i siarczanu p-krezolu w stanie wolnym od drobnoustrojów (dzień 0 – kolor niebieski). W miarę postępu kolonizacji trzy te markery metabolizmu białek przez mikrobiotę jelitową znacznie zwiększają swoją koncentrację, osiągając stan równowagi w 20. dniu (kolor czerwony). Jest to szczególnie łatwe do monitorowania w grupie zwierząt, co zilustrowano na rycinie 5B przy użyciu rezonansu PAG. Wykres ten uzyskano poprzez całkowanie pola pod rezonansami zaznaczonymi na szaro na rycinie 5A (δ 7,40-7,43), odpowiadającymi specyficznemu rezonansowi (tripletowi) PAG dla grupy 7 zwierząt.
1Spektroskopia NMR z wysoką rozdzielczością i magicznym kątem obrotu (HR MAS) to nieniszcząca technika, która pozwala na szybkie i powtarzalne pozyskiwanie profili metabolicznych z dowolnego rodzaju biopsji18. W niniejszym protokole wykorzystaliśmy tę potężną metodę do uzyskania profilu metabolicznego wątroby 2 myszy przed (kolor niebieski) i po (kolor czerwony) kolonizacji (Rysunek 6). Rysunek ten dobrze obrazuje informacje, jakie można wywieść z profilu metabolicznego opartego na NMR MAS. Można zwizualizować liczne aminokwasy, jak również metabolity pochodzące z metabolizmu energetycznego, takie jak glukoza, glikogen, mleczan, trójglicerydy, (D)-3-hydroksymaślan i nikotynuran. Profile te zawierają również informacje istotne dla stresu oksydacyjnego (np. kwas askorbinowy, glutation), metabolizmu nukleotydów (np.kinoza, urydyna) oraz metabolizmu metyloamin (np. cholina, tlenek trimetyloaminy). W tym przykładzie wyraźnie widać, że mysz wolna od drobnoustrojów nie wykazuje niemal w ogóle glikogenu oraz bardzo niskie poziomy glukozy i trójglicerydów, co zostało wcześniej opublikowane7.

Rysunek 1. Przegląd protokołu kolonizacji. Zwierzęta wolne od zarazków oraz zwierzęta konwencjonalne są utrzymywane obok siebie w klatkach wyposażonych w filtry, a ich mioty są wymieniane, aby umożliwić progresywną kolonizację przez konwencjonalną mikrobiotę jelitową (1). Aktywność mikrobioty jelitowej jest monitorowana za pomocą profilowania metabolicznego opartego na 1H NMR (2-3). Metabolizm wątroby jest oceniany za pomocą profilowania metabolicznego opartego na 1H HR MAS NMR (4-5).

Rysunek 2. Anatomia wątroby myszy. Wątroba jest przedstawiona w taki sposób, aby płaska strona organu przylegała do stołu. Aby uzyskać powtarzalne wyniki biopsji, zaleca się zawsze pobieranie próbek z centrum lewego płata, zgodnie z zaznaczeniem przerywanym prostokątem.

Rycina 3. Zestaw kapilar NMR 1,7 mm do pracy z mikrobiwolumenami. Legenda: 1: mikrorurka NMR 2,5 mm, 2: kapilara NMR 1,7 mm, 3: adapter kapilarny, 4: pręt do ekstrakcji.

Rysunek 4. Wyposażenie rotora MAS. Legenda: 1: rotor MAS, 2: przekładka teflonowa 50 μL, 3: pin gwintowany, 4: nakrętka, 5: śruba cylindryczna, 6: śrubokręt, 7: upychacz rotora, 8: głębokościomierz.

Rycina 5. Ewolucja profili metabolicznych moczu podczas kolonizacji.
- Powiększenie obszaru aromatycznego widm pomiędzy 6,8-7,8 ppm, w którym można zaobserwować mikrobiologiczne ko-metabolity. Widma 1H NMR pochodzą od jednego osobnika z dnia 0 (niebieski), 4 (zielony), 15 (pomarańczowy) i 20 (czerwony) po kolonizacji. Szara strefa odpowiada obszarowi, który został zintegrowany w celu przygotowania wykresu w części B.
Legenda: 1-MeHistamine: 1-metylohistamina; Indoxyl-S: indoksylosiarczan; His: histydyna; p-Cresol-S: p-krezolosiarczan; PAG: fenyloacetyloglicyna.
- Średnie stężenie PAG podczas kolonizacji (n=7). Do porównania różnic w stężeniu PAG w różnych punktach czasowych wykorzystano test t Studenta: a: p<0,05 w porównaniu z dniem 0; b: p<0,01 w porównaniu z dniem 10.

Rysunek 6.Typowe widma 1H HR MAS NMR o częstotliwości 600 MHz z biopsji wątroby myszy wolnych od mikroorganizmów (niebieski) oraz byłych wolnych od mikroorganizmów (czerwony). Pogrubione protony odpowiadają za rezonans triglicerydów.
Legenda: 3-HB: 3-hydroksymaślan, GSH: zredukowany glutation, TGs: triglicerydy, TMAO: tlenek trimetyloaminy.