Myszy wolne od mikroorganizmów (germ-free) stanowią niezbędne narzędzie w arsenale badaczy mikrobiomu, umożliwiając analizę wpływu mikrobioty na zdrowie gospodarza oraz stany chorobowe. Myszy wolne od mikroorganizmów rodzą się całkowicie sterylne i pozostają akseniczne przez całe życie1. Kolonizacja myszy wolnych od mikroorganizmów specyficznymi szczepami bakterii pozwala na prowadzenie badań przyczynowo-skutkowych między tymi taksonami a funkcjami metabolicznymi, odpornościowymi lub innymi funkcjami gospodarza2,3,4,5. Szczególnie korzystna jest możliwość „humanizacji” mikrobioty myszy wolnych od mikroorganizmów poprzez transplantację kału otrzymanego od ludzkich dawców, co przy zachowaniu warunków barierowych pozwala zapobiec kontaminacji mikroorganizmami pochodzenia mysiego1. Podejście to umożliwiło wiele istotnych odkryć w dziedzinie mikrobiomu, na przykład w zakresie wpływu ludzkiego mikrobiomu jelitowego na odpowiedź na immunoterapię nowotworów6,7,8.
Jednakże, mimo że humanizowane myszy wolne od mikroorganizmów (germ-free) są nieocenione w badaniach nad mikrobiomem, istnieje wiele ograniczeń, które hamują szersze zastosowanie tego podejścia. Myszy wolne od mikroorganizmów są hodowane i utrzymywane w dużych izolatorach o sztywnej lub elastycznej ścianie, jednak eksperymenty funkcjonalne wymagają przygotowania osobnych mini-izolatorów, z których jeden mieści kilka klatek, ale tylko w ramach jednego warunku eksperymentalnego. Podejście z wykorzystaniem mini-izolatorów zwiększa zapotrzebowanie na przestrzeń i koszty, jednocześnie drastycznie ograniczając liczbę warunków eksperymentalnych, które można zbadać w jednym doświadczeniu, oraz liczbę eksperymentów możliwych do przeprowadzenia równolegle. Obiecującym rozwiązaniem jest zastosowanie indywidualnego, modułowego systemu klatkowego zwanego ISOcage P Bioexclusion System (zwanego tutaj systemem isocage)9,10. System isocage umożliwia manipulacje eksperymentalne z myszami wolnymi od mikroorganizmów w indywidualnych, hermetycznie zamkniętych klatkach izolacyjnych z nadciśnieniem, co pozwala na zastosowanie odrębnych warunków eksperymentalnych dla każdej klatki, a nie dla każdego mini-izolatora. Przy zastosowaniu odpowiedniej techniki aseptycznej, zwierzęta mogą być utrzymywane w klatkach isocage przez maksymalnie 12 tygodni w warunkach wolnych od mikroorganizmów lub mogą zostać humanizowane poprzez przeszczep kału ludzkiego do wykorzystania w dowolnym kompatybilnym podejściu eksperymentalnym (tzn. takim, które może być wykonane w warunkach aseptycznych). Dzięki systemowi isocage można równolegle prowadzić wiele niezależnych eksperymentów, a zapotrzebowanie na przestrzeń i koszty są znacznie mniejsze niż w przypadku przeprowadzania wielu doświadczeń w mini-izolatorach.
Celem hodowli myszy wolnych od drobnoustrojów (germ-free) w izolatorach hodowlanych z elastycznej folii jest staranne utrzymanie statusu aksenicznego11. Techniki stosowane do monitorowania statusu germ-free obejmują rutynowe wymazy z powierzchni ciała i jam ustnych myszy, a także aseptyczne pobieranie próbek kału, które są następnie poddawane hodowli oraz testom z wykorzystaniem komercyjnych zestawów opartych na metodzie PCR. Do określenia statusu germ-free wymagane są badania bakteriologiczne, serologiczne i mykologiczne tych próbek11. Podczas przenoszenia myszy germ-free z izolatorów hodowlanych do klatek izolacyjnych (isocages) w celu wykorzystania ich w eksperymentach, pobiera się wymazy i przeprowadza testy w celu potwierdzenia ich statusu germ-free w momencie transferu. Kontrole sterylności klatek izolacyjnych są przeprowadzane poprzez aseptyczne pobieranie próbek kału, które są następnie hodowane w celu wykrycia zanieczyszczeń bakteryjnych, wirusowych i grzybiczych. Staranne pobieranie i zapisywanie wyników tych kontroli sterylności od narodzin aż do zakończenia protokołu eksperymentalnego jest niezbędne do walidacji statusu germ-free tych myszy.
System isocage składa się z pojedynczych klatek (Rysunek 1), dysków transferowych do transportu z izolatorów hodowlanych (Rysunek 1) oraz regału isocage, w którym znajdują się klatki (Rysunek 2). Każda klatka isocage posiada zainstalowany na wlocie powietrza zasilającego wysokowydajny filtr cząsteczek (HEPA) oraz uszczelkę silikonową, która po zamknięciu tworzy szczelne zamknięcie, zapobiegając przedostawaniu się zanieczyszczeń do klatki wraz z powietrzem (Rysunek 1A). Pokrywa klatki może służyć jako sterylna powierzchnia robocza, gdy zostanie umieszczona do góry dnem w wysterylizowanej komorze z laminarnym przepływem powietrza (Rysunek 1A). Druciana kratka wewnątrz klatki utrzymuje pokarm i butelkę z wodą (Rysunek 1B). Do wszystkich manipulacji wymagających kontaktu z wewnętrznymi powierzchniami klatki używa się pęset autoklawowanych wewnątrz klatki. Sama klatka posiada wycięcia na wyjmowany uchwyt karty identyfikacyjnej zwierząt, a także dysze wlotowe i wylotowe powietrza, które łączą się z regałem isocage (Rysunek 1C-E). Klamry bezpiecznego zamknięcia oraz blokada na pokrywie uszczelniają klatkę, gdy jest ona gotowa do ponownego podłączenia do systemu regałów (Rysunek 1F). Sugerowaną ściółką jest Alpha-dri, zalecane jest również stosowanie autoklawowalnej chatki wzbogacającej środowisko (Rysunek 1F). Dyski transferowe służą do przenoszenia myszy wolnych od drobnoustrojów z izolatorów hodowlanych do klatek isocage i zawierają obrotową pokrywę komory z trójkątnym otworem umożliwiającym manipulację zwierzętami (Rysunek 1G-H). Dyski występują w rozmiarach małym (średnica 21.6 cm) i dużym (średnica 28 cm), przy czym oba mają pojemność dla ośmiu myszy. Do tworzenia szczelnych zamknięć na obwodzie i otworach powietrznych dysku używa się autoklawowanej taśmy; czynność tę wykonuje się przed namoczeniem w środku sterylizującym i transportem w torbie nasączonej sterylizantem (Rysunek 1I). Sam system regałów posiada ekran do monitorowania dmuchaw powietrza, stanu filtrów HEPA na poziomie regału oraz zasilania awaryjnego z baterii, które są standardowymi funkcjami systemu (Rysunek 2A). Zamknięty manometr Magnehelic wyświetla ciśnienie dodatnie utrzymywane przez system klatek, a automatyczny wizualny wskaźnik dokowania pokazuje status podłączenia klatek (wysunięta żółta zakładka oznacza, że żadna klatka nie jest podłączona lub dokowanie nie powiodło się) (Rysunek 2B-D). Do manipulacji klatkami isocage niezbędna jest również standardowa certyfikowana komora z laminarnym przepływem powietrza.
Przedstawiony tutaj protokół opisuje właściwe metody skutecznego przenoszenia myszy wolnych od mikroorganizmów (germ-free) z izolatorów hodowlanych w warunkach aseptycznych do klatek izolatowych przy zachowaniu stanu germ-free, humanizację myszy germ-free przy użyciu zawiesiny kałowej od ludzkiego dawcy oraz pobieranie kału od myszy utrzymywanych w klatce izolatowej w celu potwierdzenia statusu germ-free lub zachowania żywotności mikroorganizmów do dalszych badań funkcjonalnych. W tym przykładzie myszy germ-free są humanizowane za pomocą połączonych próbek kału od ludzi leczonych immunoterapią raka płuc, podzielonych na respondentów i nierespondentów na terapię. W tym przypadku fenotyp odpowiedzi na immunoterapię został przeniesiony poprzez humanizację mikrobioty jelitowej do myszy biorców, które następnie mogły zostać zaszczepione komórkami nowotworowymi i leczone immunoterapią. Protokół przygotowania ludzkiej zawiesiny kałowej można łatwo dostosować do kału dowolnego ludzkiego dawcy lub dowolnego przedklinicznego modelu choroby, zgodnie z potrzebami badacza. Stosując ten protokół, możliwe jest przeniesienie mikrobioty od dowolnego ludzkiego dawcy kału do gospodarza germ-free, co umożliwia dalsze badanie roli mikrobioty w zdrowiu i chorobie.

Rycina 1: Schemat klatki izolatowej (isocage) i dysków transferowych. (A) Widok z góry spodu pokrywy klatki z etykietami wskazującymi położenie wewnętrznego filtra HEPA na poziomie klatki oraz silikonowej uszczelki. (B) Widok z góry wnętrza klatki z etykietami wskazującymi drutowaną kratkę pokrywy, wewnętrzną butelkę z wodą wraz z dzióbkiem oraz miejsce w drucianym koszyku na autoklawowalną karmę. (C) Widok z przodu klatki pokazujący wcięcia na uchwyt karty klatki. (D) Widok z góry pełnej klatki z nałożoną pokrywą, pokazujący sposób montażu filtra HEPA na dyszy wlotowej powietrza. (E). Widok z tyłu klatki pokazujący dysze wlotowe i wylotowe powietrza, które są łączone z systemem regałów isocage. (F) Widok boczny pełnej klatki z nałożoną pokrywą z etykietami wskazującymi zaciski bezpiecznego zamknięcia w pozycji otwartej, z białymi zakładkami na każdym zacisku, które blokują je w miejscu. Wnętrze klatki pokazuje ściółkę Alpha-dri ułożoną warstwowo na dnie oraz sugerowaną chatkę wzbogacającą umieszczoną w ściółce. (G) Widok z góry dysków transferowych z nałożoną pokrywą. (H) Widok z góry wnętrza dysku transferowego, pokazujący obrotową pokrywę komory z trójkątnym otworem umożliwiającym manipulację zwierzętami. (I) Widok boczny w pełni zmontowanego dysku transferowego pokazujący miejsce przyklejenia taśmy do autoklawowania, która tworzy szczelne zamknięcie podczas transferu z izolatora rozrodczego do klatki isocage. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 2: Schemat szafy z systemem klatek izolatorskich (isocage). (A) Kompletna szafa isocage z podłączonymi klatkami oraz etykietą wskazującą ekran monitorujący stan dmuchawy powietrza, filtr HEPA i baterię awaryjną. W dolnej lewej części szafy znajduje się gniazdo na filtr HEPA poziomu szafy. (B) Zamknięty manometr Magnehelic pokazujący nadciśnienie utrzymywane przez szafę. (C) Podłączona klatka isocage bez widocznego żółtego wskaźnika dokowania, co świadczy o prawidłowym połączeniu szafy z dyszami powietrznymi. (D) Puste gniazdo w szafie z widocznym automatycznym wizualnym wskaźnikiem dokowania, wskazującym na brak klatki w tym miejscu i brak połączenia dysz powietrznych z klatką isocage. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.