В этой статье мы опишем структуру и рабочие процедуры, в том числе меры по сдерживанию микроорганизмов в учреждении для «диких мышей», используя в качестве примера забор крови для иммунофенотипирования.
Методическая статья
* These authors contributed equally
В этой статье мы опишем структуру и рабочие процедуры, в том числе меры по сдерживанию микроорганизмов в учреждении для «диких мышей», используя в качестве примера забор крови для иммунофенотипирования.
Использование лабораторных мышей с природным микробиомом, таких как «мыши одичалых», является перспективным исследовательским инструментом как для фундаментальной, так и для прикладной науки благодаря их близкому сходству с человеческим суперорганизмом. Тем не менее, разведение и содержание этих мышей, которые являются носителями разнообразного микробиома, включая бактерии, вирусы и паразитов, создают значительные проблемы для животноводческих учреждений в исследовательских институтах. Для решения этих проблем была разработана концепция специализированного объекта для размещения «мышей одичалых» в Charité - Universitätsmedizin Berlin. Этот подход включал в себя проектирование объекта с особыми структурными особенностями и операционными протоколами для эффективного сдерживания естественного микробиома, тем самым защищая районы с более высокими стандартами гигиены.
Демонстрируется методология забора крови как у указанных мышей без патогенов (SPF), так и у мышей типа «одичалый» для иммунофенотипирования, что подчеркивает рабочий процесс и меры биосдерживания, реализованные в учреждении. Замечательные результаты показывают, что у «одичалых мышей», подвергшихся воздействию естественного микробиома, развиваются различные иммунные клеточные популяции, которые значительно сокращаются у мышей, разводимых и содержащихся в строгих гигиенических условиях.
Значение этого исследования заключается в его потенциале для предоставления исследователям доступа к мышам, которые обладают естественным микробиомом и зрелой иммунной системой, аналогичной иммунной системе взрослого человека. Такой подход может повысить переносимость доклинических результатов в клиническую практику, тем самым продвигая область биомедицинских исследований.
Эксперименты на мышах по-прежнему необходимы в фундаментальной и прикладной науке, такой как доклинические и токсикологические исследования. Тем не менее, стандартизация гигиены в лабораторных условиях, направленная на снижение биологического шума и минимизацию изменчивости экспериментальных результатов, привела к исключению естественной микробиоты в значительной степени. Таким образом, условия, в которых рождаются и содержатся гигиенически стандартизированные, свободные от патогенов (SPF) лабораторные мыши, отличаются от реальных условий, в которых обычно находятся люди и животные. Это несоответствие между лабораторными условиями и природной средой, в которой протекают болезни человека, приводит к «ошибке стандартизации»: предположению, что минимизация вариаций в экспериментальных условиях улучшает трансляционные результаты. Однако в действительности это ограничивает биологическую значимость выводов 1,2. Например, исследования показали, что отсутствие микробного разнообразия и разнообразия окружающей среды у мышей с SPF может привести к недоразвитию иммунной системы, что подрывает достоверность иммунологических и доклиническихисследований.
Было предложено несколько подходов для решения проблемы биологической изменчивости в мышиных моделях, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения, включая совместное проживание с дикими мышами и мышами из зоомагазинов 3,4,5,6,7,8, последовательное воздействие комменсалов9, содержание животных в уличных вольерах10 или на подстилке от крупных животных11 и трансплантацию фекалий от диких мышей12. Многообещающей новой моделью мышей для доклинических и токсикологических исследований является модель «Одичалых мышей», которая состоит из стандартных лабораторных линий мышей, несущих естественный микробиом13. Эти «мыши одичалые» создаются путем трансплантации эмбрионов лабораторных линий мышей мышам, пойманным в дикой природе. Во время рождения лабораторные линии мышей приобретают естественный микробиом своих суррогатных матерей, имитируя естественную инокуляцию, которая происходит во время родову человека. «Одичалых мышей» можно разводить так же, как и любую другую лабораторную линию мышей, при этом их естественный микробиом сохраняется из поколения в поколение.
«Мыши-одичалые» являются носителями разнообразной микробиоты, включая бактерии, вирусы и паразитов, которые обычно исключены из помещений для мышей с SPF. Следовательно, поддержание естественного микробиома в исследовательских центрах сопряжено с проблемами, поскольку эти микробы должны содержаться без ущерба для общих гигиенических стандартов SPF.
В Университетской клинике Шарите в Берлине был создан специальный центр для «Одичалых мышей», отделенный от зон SPF строгими мерами биоизоляции. Объект включает в себя помещения для разведения и экспериментов, гарантируя, что естественный микробиом «мышей одичалых» поддерживается, в то время как зоны SPF находятся под защитой (Рисунок 1).
Пары-основатели колонии Шарите были завезены из колонии мышей «Уайлдинг», созданной при Отделении исследований микробиома Университетской клиники Эрлангена, Университет Фридриха-Александра Эрлангена-Нюрнберга (FAU), Германия. Они снабжаются санитарным сертификатом и контролируются с помощью расширенной панели на предмет зоонозных патогенов перед импортом основателей колонии. Стражи будут использоваться для мониторинга микробиома с течением времени. И SPF, и «Одичалые мыши» содержатся в одинаковых условиях. Мышей разводят и содержат преимущественно в индивидуально вентилируемых клетках (НПВ) типа II типа длинными группами по пять мышей. Температура внутри помещения составляет 22 °C, а цикл света/темноты составляет 12 часов. Мыши получают стандартную зерновую воду и воду из-под крана. Стерилизация подстилки и предметов обогащения не нужна для «одичалых мышей». Тем не менее, автоклавирование этих предметов предотвращает путаницу материалов в зонах, где содержатся мыши с SPF.
В этом протоколе демонстрируются процедуры иммунофенотипирования как для SPF, так и для мышей «Одичалых», подчеркивая строгие протоколы сдерживания микроорганизмов на объекте «Мыши-одичалые». Эти меры обеспечивают целостность среды с SPF, обеспечивая при этом преимущества работы с мышами, несущими естественный микробиом.

Рисунок 1: Схема помещения для мышей одичалых. E1 = доступ к объекту. Стрелками обозначен маршрут входа на объект. E2 = доступ к кабине с ламинарным потоком воздуха снаружи объекта. PA = шлюзовая камера для персонала с воздушным душем. AS = воздушный душ. R1, R2 = комнаты для разведения одичалых мышей. R3 = помещение для содержания мышей Уайлдинга. R4 = помещение для содержания мышей с SPF. PR1 = процедурный кабинет для мышей с SPF. PR2 = процедурный кабинет для мышей одичалых. SB = стерильный рабочий стол. EE = аварийные выходы. CR = раздевалка перед кабиной LAF. LAF = кабина с ламинарным воздушным потоком для вмешательств под защитным потоком воздуха. А = автоклав. ER = аппаратная. Зелеными стрелками обозначены маршруты, доступные при работе с SPF-животными, а желтыми стрелками обозначены пути, доступные для работы с мышами-одичалыми после принятия воздушного душа. Синие стрелки указывают на доступ только для персонала животноводческого хозяйства. Красной линией отмечена стеклянная стена внутри кабины LAF, которая делит пространство на две секции, доступ к которым можно получить либо из E1 через PR2, либо из E2 через CR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Установка для «диких мышей» и процедуры с участием живых животных были одобрены ответственным государственным ведомством по экспериментам на животных «Landesamt für Gesundheit und Soziales Berlin» (LAGeSo). Наиболее важные этапы протокола обобщены на рисунке 2.
1. Получение доступа к объекту Wilding
2. Вход в объект для "Одичалых мышей"
3. Забор крови у мышей с SPF в зоне SPF
4. Вход в зону для "Одичалых мышей"
5. Забор крови у «Диких мышей»
6. Экспорт образцов крови из зоны "Одичалые мыши" через шкаф ламинарного потока воздуха (LAF)
ПРИМЕЧАНИЕ: Процедурный кабинет (PR2) содержит шкаф LAF, который служит материальным замком и стерильным операционным кабинетом. Образцы выводятся через кабину LAF. Внутрь зоны Одичалых можно попасть как изнутри (через E1 и PR2), так и снаружи (через E2 и CR) и разделено посередине стеклянной стеной с раздвижной дверью (рис. 1). Для экспорта материалов требуется два человека: Человек 1 (внутри зоны Одичалых [через PR2]) выполнит шаги 6.1 и 6.2. Человек 2 (за пределами зоны Одичалых [через E2]) выполнит шаги 6.3-6.5.
7. Выход из объекта для "Одичалых мышей"
8. Обработка и анализ образцов крови
«Дикие мыши» потенциально являются переносчиками микроорганизмов, обычно исключенных из SPF-объектов, что создает проблему для практики животноводства в научно-исследовательских учреждениях, которые поддерживают строгие стандарты гигиены. За последние 4 года ученые и ветеринары из Университетской клиники Шарите в Берлине и Немецкого центра защиты лабораторных животных (Bf3R) разработали установку, предназначенную для мышей с естественным микробиомом, включив в нее строгие меры биосдерживания в рамках совместных усилий (Рисунок 1). Чтобы реализовать этот проект, существующее помещение для мышей подверглось обширной реконструкции, включая установку воздушного душа и кабины с ламинарным потоком воздуха. Зоны, где разводят и содержат мышей типа «одичалый» и мышей с SPF, отделены воздушным душем, и в обеих зонах есть специальные процедурные комнаты. Термостабильный материал покидает зону для «мышей одичалых» только через автоклав, в то время как термолабильные материалы, такие как образцы, могут быть экспортированы через шкаф LAF для дальнейшей обработки в лабораторных помещениях (рис. 2). Строгое соблюдение всех мер биоизоляции имеет важное значение для предотвращения загрязнения помещений, где поддерживаются гигиенические условия SPF (Рисунок 3). В совокупности проектирование и меры по биосдерживанию объекта для «диких мышей» в Charité - Universitätsmedizin Berlin дают ученым возможность проводить исследования на мышах, являющихся носителями естественного микробиома, эффективно предотвращая при этом распространение микроорганизмов в зоны животного комплекса с более высоким уровнем гигиены.
Проточная цитометрия является золотым стандартом метода в клеточной иммунологии и используется для исследования популяций иммунных клеток в крови и тканях в ответ на изменение условий окружающей среды. Например, у взрослого человека в крови циркулирует значительное количество Т-клеток памяти, которые развиваются при воздействии микроорганизмовиз окружающей среды. Здесь проточная цитометрия была использована для зондирования Т-клеток памяти в крови мышей, выведенных и содержащихся в условиях SPF, а также в крови мышей типа «Одичалый» (рис. 4). «Мыши-одичалые», колонизированные природным микробиомом, представляют собой отдельную популяцию Т-клеток памяти. Напротив, у мышей, выведенных и содержащихся в условиях SPF, значительно снижено количество Т-клеток памяти в кровообращении. Следовательно, проточная цитометрия может характеризовать воздействие различных микробных сред на иммунный компартмент. Грануляцию данных можно увеличить за счет включения дополнительных маркеров иммунных клеток. Недавно разработанные подходы в проточной цитометрии, такие как времяпролетная цитометрия (CyTOF) и спектральная проточная цитометрия, позволяют получать информацию о множестве параметров и, таким образом, увеличивать количество (суб)популяций иммунных клеток, которые могут быть количественно определены в одном и том же образце крови и ткани. Кроме того, продукцию клеточных цитокинов также можно оценить с помощью проточной цитометрии, что дает представление о функции клеток в ответ на естественный микробиом.

Рисунок 2: Рабочий процесс в объекте Wildling. Например, забор крови и обработка образцов, но могут быть заменены другими процедурами, такими как хирургические вмешательства с забором образцов тканей и гистологией. Сокращения см. в пояснениях к рисунку 1 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Сравнение требований к средствам индивидуальной защиты (СИЗ) для зон SPF и Wildling. В зоне SPF (слева) стандартные СИЗ состоят из одного слоя защитной одежды. Напротив, в зоне Одичалых (справа) требуется трехступенчатый процесс использования СИЗ перед входом в воздушный душ: касак (защитное нижнее белье = шаг 1) надевается под комбинезон (шаг 2). Этот дополнительный слой помогает поддерживать гигиену и предотвращать перекрестное загрязнение между зонами. После воздушного душа необходимо надеть обувь, предназначенную для зоны одичалых (шаг 3). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Иммунофенотип мышей "Одичалый". Образцы крови самцов SPF-мышей (n = 5 мышей и мышей Wilding (n = 5 мышей) в возрасте 14 недель окрашивали коктейлем флуорофор-конъюгированных антител против CD45, цепи TCR-β, CD4, CD8, CD44 и CD62L. Числа — это отношение родительского ворота ± стандартного отклонения. Стратегия гейтирования показана для SPF-мышей, за исключением двух последних блотов от SPF и "Wildling mice". У мышей типа "Одичалый" центральные и эффекторные Т-клетки памяти увеличены по сравнению с мышами, которые разводились и поддерживались в условиях SPF. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Мыши с природным микробиомом являются перспективным исследовательским инструментом для фундаментальной и прикладной науки из-за их более близкого сходства с человеческим суперорганизмом 3,9,10,11,12. Попытки включить биологическую сложность в мышиные модели привели к разработке различных подходов, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения 3,7,8,9,10,11,12. «Мыши-одичалые» сочетают в себе преимущества контролируемой лабораторной среды с естественным микробиомом. Такой подход позволяет сохранить стабильность в экспериментальных условиях при сохранении естественного микробного разнообразия, необходимого для изучения сложных биологических взаимодействий. Следовательно, биомедицинские методы лечения, разработанные и испытанные на «мышах одичалых», имеют большой потенциал для успешного внедрения в клиническое применение.
Однако еще предстоит определить, в каких доклинических моделях заболевания «Одичалые мыши» превосходят SPF мышей. Кроме того, мыши с естественным микробиомом являются переносчиками микроорганизмов, таких как высокотрансмиссивные черви, которые обычно исключаются из институциональных учреждений. Таким образом, разведение и работа с этими мышами представляет собой проблему для практики животноводства в научно-исследовательских институтах.
Создание центра для «диких мышей» стало результатом совместных усилий ученых, ветеринаров и должностных лиц Университетской клиники «Шарите», Немецкого центра защиты лабораторных животных (Bf3R) и Университета Фридриха Александра Эрлангена-Нюрнберга (FAU). После разработки концепции объекта существующее помещение для мышей подверглось обширной реконструкции с целью включения в него строгих мер биоизоляции. Объект сертифицирован для проведения операций по биобезопасности уровня 2 (BSL-2) в отношении исследований с патогенами человека.
Здесь описаны операционные процедуры и процедуры биосдерживания в учреждении для «мышей-одичалых» на примере взятия крови для иммунофенотипирования методом проточной цитометрии. Строгое соблюдение мер биосдерживания во время работы в птичнике для «Одичалых мышей» является обязательным для предотвращения распространения микроорганизмов на другие зоны животного хозяйства. Это включает в себя ограничение доступа к объекту как можно меньшим количеством людей, по мнению исследовательской группы. Кроме того, перед получением первоначального доступа на объект требуется обязательное вводное занятие, проводимое сотрудником учреждения по защите животных. Общая информация и Стандартные операционные процедуры (СОП) для работы на объекте Wildling также доступны на внутреннем веб-сайте («Wildling wiki»)14,15.
Во время работы внутри объекта необходимо правильно носить СИЗ. Например, важно следить за тем, чтобы волосы не выходили за пределы сетки для волос, так как яйца паразитов потенциально могут прикрепиться к ней. Если в эксперименте участвуют как мыши «Одичалые», так и SPF-мыши, сначала необходимо обработать SPF-мышей. Зоны для «мышей одичалых» и мышей SPF в учреждении разделены воздушным душем, и каждая зона оборудована специальными процедурными кабинетами. Эти номера можно забронировать через систему онлайн-бронирования, что обеспечивает бесперебойную работу и ограниченное количество людей внутри объекта. В каждом процедурном кабинете одновременно могут работать не более двух человек в каждой процедурной комнате (PR1, PR2, LAF). Исключения составляют эксперименты, требующие дополнительного персонала для обеспечения этичного и квалифицированного выполнения процедур. Мыши перемещаются между помещениями в пределах соответствующих зон в закрытых клетках НПВ, которые могут быть открыты только под стендом для ламинарного потока для обеспечения сдерживания микробов и безопасности труда. Процедурный кабинет в зоне «Дикие мыши» также содержит кабину с ламинарным воздушным потоком (LAF). Эта кабина LAF должна использоваться для вскрытия и хирургии «мышей одичалых», включая перенос эмбрионов. Перенос эмбрионов является критически важной процедурой в контексте «мышей Уайлдинга», поскольку он используется для создания новых моделей «мышей Одичалых». Например, перенос эмбрионов из генетически модифицированных (ГМО) линий мышей в «мышей Wilding» дикого типа используется для создания штаммов Wildling GMO. Кабина LAF также используется для вывоза образцов, что требует согласования с человеком за пределами зоны «Одичалых мышей». Дальнейшая обработка образцов может быть выполнена в соседнем лабораторном пространстве, что позволяет исследователям работать с чувствительными ко времени материалами на месте, ограничивая при этом места, где обрабатываются образцы от «мышей одичалых».
Все остальные материалы должны оставаться внутри объекта «Одичалых» или должны быть подвергнуты автоклавной обработке перед тем, как покинуть объект. После работы все материалы и поверхности дезинфицируются дезинфицирующими средствами, соответствующими условиям BSL2. Людям, которые вошли в объект для «Одичалых мышей», запрещено входить в любой другой объект для животных в тот же день.
Исследования на объекте проводятся в рамках научного консорциума «The Wildling Mouse Model in Health and Disease (Wildling HeaD)», способствующего общению между учеными, работающими с «мышами одичалых», а также обмену методами и опытом. Консорциум поддерживается Responsible PrecliniX в Берлинском институте здравоохранения (BIH) Центром ответственных исследований QUEST, который помогает в процедурах предварительной регистрации исследований на животных, надежном планировании экспериментов и управлении качеством (www.bihealth.org/en/quest/service/service/responsible-preclinix).
Таким образом, было создано современное учреждение, оснащенное строгими мерами биоизоляции, для поддержки безопасных и этичных доклинических исследований. Этот объект облегчает изучение «одичалых мышей», которые являются носителями естественного микробиома, эффективно преодолевая разрыв между контролируемыми лабораторными условиями и реальной микробной средой. Для строительства объекта, подобного описанному, важно отдать приоритет командной науке и междисциплинарному сотрудничеству, используя опыт ученых, ветеринаров и должностных лиц учреждения для обеспечения эффективного проектирования и эксплуатации сред с высоким уровнем биоизоляции. Кроме того, решающее значение имеют внедрение строгих мер биосдерживания, обеспечение всестороннего обучения и разработка четких стандартных операционных процедур (СОП). Создание эффективной коммуникационной структуры, такой как внутренняя вики, а также постоянный мониторинг и проверка экспериментальных условий еще больше повысят эффективность и безопасность объекта при управлении сложными моделями, такими как «мыши Одичалых».
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Работа выполнена при поддержке программы Charité 3R| Заменить - Уменьшить - Уточнить. S.P.R. была поддержана Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкое научно-исследовательское общество), Emmy Noether-Programm RO 6247/1-1 (проект ID 446316360), DFG SFB1160 IMPATH (проект ID 256073931) и TRR 359 PILOT (проект ID 491676693). S.J. был поддержан Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Немецкое научно-исследовательское общество) JO 1216/2-1 и Немецким обществом рассеянного склероза (DMSG e.V.).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Alexa Fluor 700 антитело к мышам CD45 | BioLegend | 103127 | Клон 30F-11 |
| Animal Chow | Altromin | 1324 | |
| APC антимышиное антитело CD4 | BioLegend | 100515 | Клон RM4-5 |
| Пробирка для сбора крови | Greiner | 450475 | MiniCollect K3E, K3EDTA |
| Бычья сыворотка Альбумин | Sigma-Aldrich | A9647-100G | |
| Антитело Brilliant Violet 605 против мыши TCR-beta chain | BioLegend | 109241 | Клон H57-597 |
| Brilliant Violet 785 антимышиное антитело CD8 | BioLegend | 100749 | клон 53-6.7 |
| Капилляры | Hirschmann | 9000210 | миникапы Hirschmann, Na-hep |
| EDTA | Corning | 46-034-CI | |
| FITC антимышиное антитело CD44 | BioLegend | 103021 | Клон IM7 |
| PerCP/Cyanine5,5 антитело против мыши CD62L | BioLegend | 104431 | Клон MEL-14 |
| Фосфатно-солевой буфер Gibco 12579099 | Gibco | ||
| 14190094 | |||
| лизирующий буфер для эритроцитов | BioLegend | 420302 | |
| Трубка из полистирола с круглым дном | Sarstedt | 55.476.005 | |
| SYTOX Blue Dead Cell Stain | Invitrogen | S34852 | |
| Tyvek overall (DuPont) | Fisher Scientific | 11371633 |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение