Разнообразная микробиота кишечника играет важную роль в поддержании гомеостаза хозяина. Этот микробиом помогает в различных физиологических процессах, начиная от пищеварения и усвоения питательных веществ из пищи, защиты от инфекции патогенов, регуляции развития иммунной системы и иммунного гомеостаза1. Нарушение микробного состава кишечника связано со многими заболеваниями, включая рак2, аутоиммунные заболевания3, воспалительные заболевания кишечника4, неврологические заболевания5 и метаболические заболевания 6,7. Стерильные мыши (GF) являются мощными инструментами в моделях трансплантации фекальной микробиоты для изучения биологических эффектов микробиоты8. Тем не менее, условия содержания GF очень строгие, и проведение трансплантации фекальной микробиоты (ТФМ) у этих мышей является дорогостоящим. Кроме того, мыши GF имеют другие барьерные и слизистые свойства, которые регулируют проникновение бактерий, по сравнению с обычными мышами9. Эти факторы ограничивают широкое применение мышей GF в исследованиях. Альтернативой мышам GF является истощение микробиоты у обычных мышей с помощью коктейля антибиотиков с последующей ТФМ. Ранее описанные методы ТФМ недостаточно хорошо описаны и непоследовательны; поэтому необходимо разработать осуществимый, эффективный и воспроизводимый протокол для выполнения ТФМ с использованием обычных мышей.
Несколько шагов имеют решающее значение для успешной ТФМ. Эффективность истощения микробиоты является первым важным шагом. Сообщалось о применении одного антибиотика широкого спектра действия (например, стрептомицина10) или коктейля антибиотиков (тройной или четырехкратный прием антибиотиков)11,12. Четырехкомпонентное лечение антибиотиками, включающее ампициллин, метронидазол, неомицин и ванкомицин, было признано наиболее эффективным режимом лечения и использовалось в нескольких исследованиях 13,14,15. В дополнение к типу используемого антибиотика, способ введения, дозировка и продолжительность лечения антибиотиками влияют на эффективность бактериального истощения. Некоторые исследователи применяют антибиотики в питьевой воде для устранения бактерий в желудочно-кишечном тракте15. Тем не менее, трудно контролировать дозировку антибиотиков, которые каждая мышь получает таким образом. Поэтому в последующих исследованиях ученые лечили мышей антибиотиками путем перорального зондирования в течение 1–2 недель12 для достижения удовлетворительного истощения. Тем не менее, долгосрочное использование антибиотиков может быть проблематичным, так как антибиотики сами по себе могут влиять на некоторые заболевания у грызуновмодели 16. Поэтому необходимы более быстрые и эффективные методы истощения микробиоты.
Подготовка фекальной жидкости является еще одним ключевым этапом для обеспечения успешной ТФМ. В желудочно-кишечном тракте pH колеблется от 1 в желудке до 7 в проксимальном и дистальном отделе кишечника9. Микробиота в желудке ограничена из-за высокой кислотности и включает Helicobacter pylori17. Проксимальный отдел кишечника вырабатывает желчные кислоты для циркуляции печени и кишечника и содержит микробиоту, связанную с перевариванием жиров, белков и глюкозы. Дистальный отдел кишечного тракта содержит большое количество анаэробных бактерий и демонстрирует высокое микробное разнообразие18. Учитывая пространственную неоднородность микробиоты кишечника, крайне важно изолировать содержимое кишечника из разных областей кишечного тракта для приготовления каловой жидкости. Кроме того, другие факторы, включая характер донорского образца (например, свежий или замороженный образец), частоту трансплантации и продолжительность, имеют решающее значение при проведении ТФМ. Замороженный стул чаще всего используется для колонизации обычных мышей микробиотой кишечника человека19. Напротив, ТФМ с использованием свежего стула от животных-доноров более целесообразна и обычно используется в животных моделях20,21. Частота и продолжительность ТФМ варьируются в зависимости от плана эксперимента и моделей. В предыдущих исследованиях ТФМ проводилась либо ежедневно, либо через день. Продолжительность трансплантации составляла от 3 дней22 до 5 недель23. В дополнение к вышеперечисленным факторам, поддержание асептической хирургической среды и использование стерилизованных хирургических инструментов имеет решающее значение для предотвращения неожиданного бактериального загрязнения окружающей среды.
Микробиота кишечника обладает потенциалом для регулирования накопления клеток, экспрессирующих иммуноглобулин А (IgA). IgA, преобладающий изотип антител, имеет решающее значение для защиты хозяина от инфекции путем нейтрализации и исключения. Высокоаффинный IgA трансцитозируется в просвет кишечника и может связывать и покрывать вызывающие патогены. Напротив, покрытие IgA может обеспечить преимущество колонизации для бактерий24. В отличие от патоген-индуцированного IgA, местный комменсальный индуцированный IgA имеет более низкое сродство и специфичность25. Сообщается, что доля кишечных бактерий, покрытых IgA, значительно увеличивается при некоторых заболеваниях25,26. Бактерии, покрытые IgA, могут инициировать петлю положительной обратной связи по продукцииIgA27. Таким образом, относительный уровень бактерий, покрытых IgA, может предсказать величину воспалительной реакции в кишечнике. Фактически, эта комбинация может быть обнаружена с помощью проточной цитометрии28. Используя сортировку на основе IgA, Floris et al.27, Palm et al.25 и Andrew et al.29 получили фекальные бактерии IgA+ и IgA- от мышей и охарактеризовали таксон-специфичную кишечную микробиоту с помощью секвенирования 16S рРНК.
В этом исследовании мы описываем оптимизированный метод эффективного истощения кишечных доминантных бактерий и колонизации обычных мышей свежей или замороженной фекальной микробиотой, выделенной из содержимого подвздошной и толстой кишки. Мы также демонстрируем метод, основанный на проточной цитометрии, для обнаружения IgA-связывающих бактерий в кишечнике.