Summary
Het doel hier is om een protocol te schetsen om de mechanismen van dysbiose bij hart- en vaatziekten te onderzoeken. Dit artikel bespreekt hoe aseptisch muizenfecale monsters kunnen worden verzameld en getransplanteerd, darmen kunnen worden geïsoleerd en de "Swiss-roll" -methode kan worden gebruikt, gevolgd door immunostainingtechnieken om veranderingen in het maagdarmkanaal te onderzoeken.
Abstract
Darmmicrobiota dysbiose speelt een rol in de pathofysiologie van cardiovasculaire en metabole stoornissen, maar de mechanismen zijn niet goed begrepen. Fecale microbiotatransplantatie (FMT) is een waardevolle benadering voor het afbakenen van een directe rol van de totale microbiota of geïsoleerde soorten in de pathofysiologie van ziekten. Het is een veilige behandelingsoptie voor patiënten met een terugkerende Clostridium difficile-infectie . Preklinische studies tonen aan dat het manipuleren van de darmmicrobiota een nuttig hulpmiddel is om het mechanistische verband tussen dysbiose en ziekte te bestuderen. Fecale microbiotatransplantatie kan helpen bij het ophelderen van nieuwe darmmicrobiota-gerichte therapieën voor het beheer en de behandeling van cardiometabole ziekten. Ondanks een hoog slagingspercentage bij knaagdieren, blijven er translationele veranderingen geassocieerd met de transplantatie. Het doel hier is om begeleiding te bieden bij het bestuderen van de effecten van darmmicrobioom bij experimentele hart- en vaatziekten. In deze studie wordt een gedetailleerd protocol beschreven voor het verzamelen, hanteren, verwerken en transplanteren van fecale microbiota in muizenstudies. De verzamel- en verwerkingsstappen worden beschreven voor zowel menselijke als knaagdierdonoren. Ten slotte beschrijven we het gebruik van een combinatie van de Zwitserse rol- en immunostainingtechnieken om darmspecifieke morfologie en integriteitsveranderingen in hart- en vaatziekten en gerelateerde darmmicrobiota-mechanismen te beoordelen.
Introduction
Cardiometabole aandoeningen, waaronder hartaandoeningen en beroertes, zijn de belangrijkste wereldwijde doodsoorzaken1. Lichamelijke inactiviteit, slechte voeding, voortschrijdende leeftijd en genetica moduleren de pathofysiologie van deze aandoeningen. Accumulerend bewijs ondersteunt het concept dat darmmicrobiota cardiovasculaire en metabole stoornissen beïnvloeden, waaronder type 2 diabetes2, obesitas3 en hypertensie4, die een sleutel kunnen zijn tot de ontwikkeling van nieuwe therapeutische benaderingen voor deze ziekten.
De exacte mechanismen waarmee de microbiota ziekten veroorzaken, zijn nog onbekend en de huidige studies zijn zeer variabel, deels als gevolg van methodologische verschillen. Fecale microbiotatransplantatie (FMT) is een waardevolle benadering voor het afbakenen van een directe rol van de totale microbiota of geïsoleerde soorten in de pathofysiologie van ziekten. FMT wordt veel gebruikt in dierstudies om een fenotype te induceren of te onderdrukken. Calorie-inname en glucosemetabolisme kunnen bijvoorbeeld worden gemoduleerd door fecale materie van een zieke donor over te brengen naar een gezonde ontvanger 5,6. Bij mensen is aangetoond dat FMT een veilige behandelingsoptie is voor patiënten met recidiverende Clostridium difficile-infectie 7. Er is bewijs dat het gebruik ervan bij het beheer van hart- en vaatziekten ondersteunt; FMT van patiënten met mager tot metabool syndroom verbetert bijvoorbeeld de insulinegevoeligheid8. Darmdysbiose wordt ook geassocieerd met hoge bloeddruk in zowel menselijke als knaagdierstudies 9,10,11. FMT van muizen die een zoutrijk dieet kregen in kiemvrije muizen maakt de ontvangers vatbaar voor ontsteking en hypertensie12.
Ondanks het hoge percentage FMT-succes bij knaagdieren, blijven translationele uitdagingen bestaan. Klinische studies met FMT voor de behandeling van obesitas en metabool syndroom geven minimale tot geen effecten op deze aandoeningen13,14,15. Er zijn dus meer studies nodig om aanvullende therapeutische wegen te identificeren die zich richten op de darmmicrobiota voor de behandeling van cardiometabole stoornissen. Het meeste beschikbare bewijs over de darmmicrobiota en hart- en vaatziekten is associatief. Het beschreven protocol bespreekt hoe een combinatie van FMT en de Zwitserse roltechniek kan worden gebruikt om zowel een verband tussen ziekte en darmmicrobiota aan te tonen als de integriteit van alle delen van de darmdarm direct te beoordelen16,17,18.
Het algemene doel van deze methode is om richtlijnen te bieden voor het bestuderen van de effecten van het darmmicrobioom bij experimentele hart- en vaatziekten. Dit protocol biedt meer details en belangrijke overwegingen in het experimentele ontwerp om fysiologische vertaling te bevorderen en de striktheid en reproduceerbaarheid van de bevindingen te vergroten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Vanderbilt University's Institutional Animal Care and Use Committee keurde alle procedures goed die in dit manuscript worden beschreven. C57B1/6 mannelijke muizen op de leeftijd van 3 maanden, gekocht bij The Jackson Laboratory, werden gehuisvest en verzorgd in overeenstemming met de Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.
1. Verzameling, opslag en verwerking van menselijke fecale monsters
- Verzamel een ontlastingsmonster met behulp van een steriele container als de proefpersoon zich in de kliniek bevindt. Koel de ontlastingsmonsters bij 4 °C binnen 36 uur na verzameling totdat ze klaar zijn voor verwerking. U kunt ook ontlastingsmonsters verzamelen met behulp van een in de handel verkrijgbaar hulpmiddel voor eenvoudige en uitgebreide DNA-stabiliteit bij omgevingstemperatuur, vooral voor thuisgebruik.
- Ontsmet een zuurkast op bioveiligheidsniveau met een 10% bleekoplossing of een ander door het Environmental Protection Agency goedgekeurd desinfectiemiddel.
- Haal de ontlasting uit de koele opslag en breng in de zuurkast; gebruik een wegwerpspatel om ~1 g aliquots te maken en bewaar in een vriezer van -80 °C totdat deze volledig klaar is voor verwerking.
- Gooi alle wegwerpartikelen weg in de afvalbak van biohazard. Desinfecteer alle oppervlakken (kap en alle oppervlakken die door de processor worden aangeraakt) en items die van de kap worden verwijderd.
2. Aseptische verzameling van fecale monsters van muizen
OPMERKING: Gebruik aseptische technieken, waaronder gesteriliseerde instrumenten.
- Euthanaseer de muis door CO 2-verstikking. Spuit de borst en zijkanten van de muis in met 70% ethanol en open voorzichtig de huid en peritoneale holte om het maagdarmkanaal bloot te leggen.
- Isoleer de blindedarm en gebruik een steriele chirurgische schaar om deze doormidden te knippen. Stel kort de blindedarm bloot en snijd 0,5 cm proximaal van het ileum en 0,5 cm distaal op de kruising met de dikke darm. Breng de geïsoleerde blindedarm over op een steriele petrischaal.
- Gebruik een steriele spatel om de cecale inhoud in steriele buizen over te brengen en bewaar aliquots in een vriezer van -80 °C19.
OPMERKING: Aangezien de meeste bacteriën in de darm anaëroben zijn, kan blootstelling aan zuurstof de organismen beschadigen of doden tijdens de isolatieprocedure in een kameratmosfeer. Fecale monsters moeten dus worden geïsoleerd in anaërobe kamers om de levensvatbaarheid van de bacteriën te behouden.
3. Fecale materie transplantatie
- Resuspendeer verse of eerder bevroren fecale pellets in steriele zoutoplossing in een verhouding van 1:20 (w:v) en vortex totdat ze gehomogeniseerd zijn.
- Laat het homogenaat door een poriën nylonfilter van 30 μm lopen om grote deeltjes te verwijderen. Centrifugeer gedurende 5 minuten op 79 × g en verzamel het supernatant voor gebruik voor transplantatie.
- Orale maagsonde 100 μL van de slurry per kiemvrije ontvangende muis gedurende 3 opeenvolgende dagen, gevolgd door een maagsonde om de 3 dagen gedurende 2 weken. Gebruik conventionele muizen om mechanismen van de darmmicrobiota te bestuderen als ze eerst zijn behandeld met antibiotica om de eigen endemische microbiota van de ontvanger te elimineren. Dien bijvoorbeeld ceftriaxon (400 mg / kg) dagelijks toe aan de ontvangende muizen gedurende 5 opeenvolgende dagen door orale maagsonde vóór de maagsonde van de fecale brij.
OPMERKING: Studies suggereren dat een minimum van 2 weken van deze behandeling nodig is om cardiovasculaire veranderingen uit te lokken, waaronder bloeddruk20. - Zorg ervoor dat kiemvrije ontvangende muizen eenmalig worden gehuisvest in gnotobiotische filmisolatoren en worden gevoed met steriel voedsel en water.
4. Systolische bloeddrukmetingen
OPMERKING: Gnotobiotische muizen die FMT kregen van conventioneel gehuisveste 3 maanden oude C57Bl/6-muizen werden geïmplanteerd met osmotische minipompen (Alzet, model 2002) voor infusie van lage dosis angiotensine II (140 ng/kg/min) gedurende 2 weken. De bloeddruk werd wekelijks gecontroleerd via de staartmanchet. Het protocol voor het implanteren van osmotische minipompen is eerder gemeld21. Tail-cuff werd uitgevoerd zoals hieronder kort samengevat. Een niet-invasieve methode om de bloeddruk te meten, zoals staartmanchet, is geschikt voor FMT-studies bij gnotobiotische muizen. De gedetailleerde stappen voor het uitvoeren van staartmanchet zijn eerder beschreven22.
- Haal kort de muizen uit de gnotobiotische isolatoren en verwarm het staartmanchetmachineplatform en de muishouder voor.
- Plaats de bewuste muizen in beperkingen op het verwarmde platform en verzamel ten minste drie rondes systolische drukmetingen met behulp van staartmanchetplethysmografie. Voer de onderstaande stappen uit op 3 opeenvolgende dagen voorafgaand aan de juiste meetdagen, om muizen te trainen om in bedwang te worden gehouden om stress te verminderen.
- Plaats de muis voorzichtig in de voorverwarmde houder en laat de staart buiten staan. Plak de bovenkant voorzichtig af zonder erin te knijpen, om de muis niet te belasten.
- Laat de muis rusten in de houder; Plaats op het platform gedurende 3-5 minuten bedekt met een laken om te acclimatiseren.
- Gemiddelde van de metingen van alle rondes voor een gemiddelde systolische druk voor elk dier.
5. Beoordeling van FMT voor cardiovasculaire veranderingen
- Na bloeddrukmeting euthanaseert u de muizen en verzamelt u aseptisch cecale inhoud, zoals beschreven in rubriek 2 .
- Oogst de darmen en andere weefsels, waaronder het hart, aorta, lever, mesenteriale slagaders en nieren, om de rol van de darmmicrobiota in cardiometabole gezondheid te onderzoeken. Om weefsels te oogsten, lokaliseert u het weefsel in de muis en gebruikt u een schaar om ze te verwijderen.
- Voer een metagenomische sequencinganalyse uit op fecale monsters / cecale inhoud verzameld van de donor- en ontvangermuizen om de transplantatie van de darmmicrobiota na FMT23 te bevestigen. Het eerste bewijs van succesvolle kolonisatie van microbiota is de bevestiging dat de microbiota van de donor en de ontvanger vergelijkbaar zijn.
- Gebruik de Zwitserse roltechniek (zie rubriek 6) op het geoogste darmweefsel, in combinatie met immunostaining en histologie om morfologische en cellulaire expressieveranderingen te onderzoeken24.
6. Darmdarm Swiss-rolls maken
- Dag 1
- In een goed geëuthanaseerde muis besproeid met 70% ethanol, ontleed de muizendarm van de anale kant (gefixeerd in retroperitoneum) naar de maagzijde. Plaats het geheel van het geïsoleerde maagdarmkanaal in een petrischaaltje met fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS). Houd het proximale uiteinde voorzichtig vast vanaf het maaguiteinde en verwijder het omliggende vet en bindweefsel met de hand.
- Isoleer de dunne darm (cephalad uit de appendix) en maak met elke lengte een Z-type zigzag. Snijd vervolgens om achtereenvolgens de twaalfvingerige darm, het jejunum en het ileum te verkrijgen, zoals eerder beschreven25. Isoleer de dikke darm door het gedeelte van de darm onder de blindedarm te snijden.
- Snijd de twaalfvingerige darm, het jejunum, het ileum en de dikke darm.
- Spoel en was de darm binnenin met PBS met een spuit en een naald met een balpunt, om de darm niet te scheuren.
- Leg de darm op filterpapier. Label het papier met de naam van de sectie (bijvoorbeeld twaalfvingerige darm) en vervolgens 'P' in de rechterbovenhoek voor proximaal of 'D' voor distaal in de rechterbenedenhoek.
- Knip de darm in de lengterichting af met een schaar met de balpunt. Open de darm op het filterpapier. Was met meer PBS als dat nodig is.
- Sandwich de darm tussen twee filterpapieren. Niet het filterpapier op vier punten/hoeken in de buurt van de darm.
- Week in 10% formaline neutrale bufferoplossing (4,0 g natriumfosfaat, monobasisch, 6,5 g natriumfosfaat, dibasisch, 100 ml 37% formaldehyde, 900 ml gedestilleerd water). Schud met behulp van een platformwip bij 5 rpm bij kamertemperatuur 's nachts.
- Dag 2
- Bereid 2% agarose in gedestilleerd water en verwarm met een roerstaaf in een bekerglas bedekt met aluminiumfolie.
- Haal de weefsels op; Strip het bovenste filterpapier. Rol de darm van de proximale kant zodat de proximale kant eerst naar binnen gaat, en rol naar binnen zodat het lumen ook binnen op de glijbaan zit. Pin met een naald van 30 G of twee, indien nodig.
- Zuig 1 ml agarose op met behulp van wegwerppipetten en giet de agarose op een gerold darmgedeelte op een plat oppervlak terwijl luchtbellen in de weefsels worden vermeden.
- Laat de agarose afkoelen en stollen. Gebruik een scheermesje om de extra agarose rond het weefselgedeelte te trimmen.
- Plaats de darmsecties in weefselverwerkings- / inbeddingscassettes (groter dan de gewone om de verhoogde hoogte als gevolg van agarose op te vangen). Week in 70% ethanol bij 4 °C.
- Bereid paraffine-ingebedde weefselglaasjes voor en ga verder met immunostaining, zoals hieronder beschreven.
7. Immunostaining van het darmdarmkanaal
- Deparaffinisatie
- Ga door de volgende baden met dia's in een rek: xyleen gedurende 3 minuten, vers xyleen opnieuw gedurende 3 minuten, xyleen met 100% ethanol (1: 1) gedurende 3 minuten, 95% ethanol gedurende 3 minuten, 70% ethanol gedurende 3 minuten en 50% ethanol gedurende 3 minuten.
- Spoel voorzichtig af met koud stromend kraanwater. Bewaren in een bad met kraanwater.
- Antigeen ophalen
- Kook de glaasjes na deparaffinisatie in een rek in een bad met antigeenophaalbuffer (0,01M trinatriumcitraatdihydraat bij pH 6 en 0,05% Tween-20) bij 100 °C gedurende 20 minuten.
- Loop onder koud kraanwater.
- Kleuring
- Verwijder de dia's uit het bad en plaats de tissue met de voorkant naar boven in een schuifdoos met natte laboratoriumdoekjes / papieren handdoeken in de bodem. Teken een omtrek rond het weefsel met een hydrofobe markeerstift.
- Laat Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) + 0,025% Triton X-100 op het weefsel vallen en incubeer gedurende 5 minuten. Herhaal deze stap.
- Blok met TBS + 10% foetaal runderserum (FBS) + 1% runderserumalbumine (BSA) gedurende 2 uur bij kamertemperatuur. Draai de dia's op hun kant en verwijder de blokkeringsbuffer op een laboratoriumdoekje.
- Voeg primaire antilichaamoplossing toe en incubeer bij 4 °C gedurende ten minste 2 uur of een nacht. Was voorzichtig met TBS + 0,025% Triton X-100 door ~200 μL voorzichtig over het gedeelte te pipetteren.
- Voeg secundaire antilichaamoplossing toe en incubeer gedurende 1 uur bij kamertemperatuur. Spoel de dia's 3 x 5 minuten af met TBS door te spoelen met een pipet, zoals in stap 7.3.4.
- Monteer met montagemedium en een coverslip.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De hierboven beschreven stappen zijn samengevat in figuur 1. De cecale inhoud van muizen of menselijke uitwerpselen worden geresuspendeerd in steriele zoutoplossing om een slurry te bereiden om aan kiemvrije muizen (100 μL) te geven door middel van een maagsonde, eerst gedurende 3 opeenvolgende dagen, daarna eenmaal per 3 dagen. Aan het einde van het protocol wordt de bloeddruk gemeten met de staartmanchetmethode, muizen worden geëuthanaseerd en weefsels worden geoogst voor beoordeling van veranderingen in de darmmicrobiota en cardiovasculaire en metabole veranderingen.
Een belangrijke stap bij het kiezen van de microbiota is ervoor te zorgen dat het ziektefenotype van interesse aanwezig is in de donor en geassocieerd is met dysbiotische veranderingen. Een zoutrijk dieet is bijvoorbeeld sterk gekoppeld aan dysbiose en cardiovasculaire disfunctie. Deze studie gebruikte een muizendonor die een 8% NaCl-dieet kreeg. Veranderingen in de darmmicrobiota als reactie op het hoge zoutgehalte omvatten een afname van de bacteriële biodiversiteit (figuur 2A), die afzonderlijk van de normale zoutmicrobiota clusterde (figuur 2B). De verhouding Firmicutes/Bacteroidetes was ook verhoogd (figuur 2C), wat wijst op hoge door zout geïnduceerde microbiotaveranderingen (gemodificeerd van Ferguson et al.12).
Om de rol van hoge zout-geïnduceerde dysbiose in de aanleg voor hypertensie te bepalen, werd FMT van hoog zoutgevoede muizen naar kiemvrije muizen uitgevoerd en bloeddrukresponsen op een lage subpressordosis angiotensine II (Ang II) beoordeeld. C57BL/6 mannelijke muizen op de leeftijd van 3 maanden werden gebruikt in deze studie. Ontvangende muizen werden geïmplanteerd met osmotische minipompen om een continue lage dosis Ang II (140 ng / kg / ) toe te dienen gedurende 2 weken bij muizen. Muizen die FMT kregen van donoren met een hoog zoutgehalte vertoonden een significante verhoging van de bloeddruk met Ang II-behandeling in vergelijking met normale ontvangers van zoutmicrobiota (figuur 3). Deze bevinding geeft aan dat FMT de ontvangende muizen heeft voorbereid op het ontwikkelen van hypertensie12. Details over het staartmanchetprotocol bij knaagdieren zijn eerder gemeld12,26.
Dysbiotische darmmicrobiota dragen bij aan ziekte, deels als gevolg van een ontstoken en lekkende darmwand. Zo kan het onderzoeken van de darmwand door immunohistochemie worden gebruikt om veranderingen in specifieke darmgebieden in elke ziektetoestand te onderzoeken, zelfs buiten FMT. Figuur 4 laat zien dat we immunohistochemie op het ileum kunnen uitvoeren met behulp van een Zwitserse roltechniek en verschillende vlekmarkers, zoals hematoxyline en eosine (H &E), Masson's trichrome en immuuncelmarkers zoals anti-CD3 en anti-CD68., zoals eerder beschreven 12, en apolipoproteïne AI (AI), die zich had opgehoopt in het ileum van proteïnurische muizen (figuur 4).
Figuur 1: Diagram met een samenvatting van het protocolontwerp. Fecale monsters verzameld van een menselijke proefpersoon of conventionele muis worden gebruikt voor transplantatie in kiemvrije muizen. Afkortingen: FMT = fecale microbiota transplantatie; BP = bloeddruk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Muizen op een zoutrijk dieet vertonen darmmicrobiota dysbiose. (A) Schatting van de biodiversiteit van soorten in cecale inhoud verkregen van muizen op normale zout (zwart) en zoutrijke (rode) diëten. (B) Niet-metrische multidimensionale schaling laat zien dat de bacteriën van normale zout- en zoutrijke dieetmuizen afzonderlijke clusters vormen. (C) Een hoog zoutgehalte wordt geassocieerd met een verhoogde verhouding Firmicutes/Bacteroidetes. (***p < 0,0001, met behulp van tweezijdige ongepaarde student's t-tests). Dit cijfer is overgenomen uit Ferguson et al.12. Afkortingen: NMDS = niet-metrische multidimensionale schaling; NS = normaal zout; HS = hoog zout. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: FMT van muizen met een hoog zoutgehalte maakt kiemvrije muizen vatbaar voor angiotensine II-geïnduceerde hypertensie. Het overbrengen van hoge zout-geïnduceerde dysbiotische darmmicrobiota was geassocieerd met significant verhoogde systolische druk bij kiemvrije muizen in vergelijking met muizen die normale zoutdarmmicrobiota kregen. Dit cijfer is overgenomen uit Ferguson et al.12. Afkortingen: FMT = fecale microbiota transplantatie; BP = bloeddruk; Ang II = angiotensine II; NS = normaal zout; HS = hoog zout. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Immunohistochemiebeeld dat illustreert hoe veranderingen in de ziektemarker in de darm kunnen worden beoordeeld. Representatieve afbeeldingen van apolipoproteïne AI-kleuring in ilea verkregen van muizen die hyperlipidemie hadden zonder (A) of met (B) proteïnurie. Vergroting: 5x op een schaal van 200 μm (A,B, links); 10x op een schaal van 100 μm (A,B, rechts). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een waardevolle benadering voor het bestuderen van de causale rol van darmmicrobiota bij cardiovasculaire en metabole ziekten is om de totale microbiota over te brengen of interessante soorten te selecteren in kiemvrije muizen. Hier beschrijven we protocollen om fecale monsters van mensen en conventioneel gehuisveste muizen te verzamelen in kiemvrije muizen om de rol van darmmicrobiota bij hypertensieve aandoeningen te bestuderen.
Bij muizen gebruiken we aseptisch verzamelde cecale inhoud verwerkt in een aërobe kamer en bij mensen verzamelen we uitwerpselen. FMT kan onmiddellijk worden uitgevoerd terwijl het monster nog vers is of ingevroren in vloeibare stikstof en bij -80 °C wordt bewaard totdat het klaar is voor gebruik. Als het monster niet onmiddellijk kan worden ingevroren, zoals in het geval van mensen die hun monsters thuis verzamelen, is het belangrijk om een conserveermiddel te gebruiken voor nucleïnezuren zoals ethanol. De meeste bacteriën in de darm zijn anaëroben; Bij het voorbereiden van de fecale monsters voor transplantatie, moet dit snel worden gedaan om te voorkomen dat bacteriën worden blootgesteld aan aërobe omgevingen, omdat dit de werkzaamheid kan verminderen als gevolg van een verminderde hoeveelheid anaëroben in het mengsel27. Voor een longitudinaal onderzoek moet de metagenomische sequencing van de monsters samen worden uitgevoerd om batcheffecten te voorkomen. Monsters voor FMT kunnen afkomstig zijn van een of meerdere donoren die samen zijn samengevoegd en vervolgens worden gedistribueerd naar meerdere ontvangers in de experimentele groepen.
Het is uiterst cruciaal dat het succes van FMT experimenteel wordt bevestigd voordat de mechanistische implicaties worden onderzocht. Fecale of cecale inhoud kan worden geanalyseerd door metagenomics en overeenkomsten beoordeeld tussen donoren en ontvangers. De verwachte resultaten zouden vergelijkbare microbiële diversiteit zijn door middel van alfadiversiteitsindices, hoofdcoördinatenanalyse en functionele profielen. Alleen dan kan de conclusie worden getrokken dat de darmmicrobiota een belangrijke rol speelt in de etiologie van de ziekte. Deze stap is nog belangrijker als de studie gebruik maakt van conventioneel gehuisveste muizen die werden voorbehandeld met antibiotica om hun endemische microbiota uit te putten. Dit komt omdat als deze stap niet succesvol was, de bacteriën van de overlevende ontvangers de ziekte-uitkomsten kunnen beïnvloeden. Succesvolle FMT, vooral in preklinische studies, resulteert echter niet altijd in een zinvolle klinische vertaling. Er zijn dus aanvullende bevestigende stappen nodig om directe darmgerelateerde mechanismen in de pathofysiologie van de ziekte te impliceren, inclusief veranderingen in de darmmorfologie met behulp van de hier beschreven Zwitserse roltechniek.
Er is een bewezen directe rol van immuuncelactivatie bij de ontwikkeling van hypertensie, aangetoond door adoptieve transferstudies28,29,30. Hoewel kiemvrije muizen de gouden standaard zijn bij het bepalen van een causale rol van de microbiota bij ziekte, kan het model beperkt zijn in het bestuderen van ontstekingsmechanismen van cardiometabole ziekten. Kiemvrije muizen hebben een onontwikkeld immuunsysteem, wat hun translationele relevantie dempt bij het bestuderen van het samenspel tussen darmmicrobiota en ontsteking. Als alternatief kan dit protocol worden aangepast om fecale monsters in conventionele muizen te transplanteren, na de uitputting van hun microbiota met behulp van antibiotica of darmreiniging met polyethyleenglycol31,32. FMT in conventioneel gehuisveste muizen voorbehandeld met antibiotica elimineert de noodzaak voor de strikt gecontroleerde en dure omgeving die nodig is om kiemvrije muizen te behouden. Het huidige bewijs toont aan dat de keuze van antibiotica, of het nu één of een combinatie is, en het behandelingsprotocol variëren tussen studies33,34,35. De keuze van antibiotica zal de soorten bacteriën bepalen die uitgeput zullen raken, als gevolg van variaties in werkingsmechanismen, en bijgevolg het fenotype beïnvloeden. Het experimentele ontwerp moet dus rekening houden met de soorten bacteriën waarvan bekend is dat ze het fenotype bemiddelen, en de breedspectrumantibiotica, de wijze van toediening en het regime moeten dienovereenkomstig worden geselecteerd.
Dit protocol heeft zijn beperkingen. Kiemvrije muizen worden gehouden in gnotobiotische faciliteiten, wat experimentele procedures met betrekking tot het bestuderen van hart- en vaatziekten uitdagend maakt. Radiotelemetrie is bijvoorbeeld de gouden standaardmethode om de bloeddruk te meten, maar omvat zeer invasieve chirurgische ingrepen. Dit is niet praktisch voor immuun, naïeve kiemvrije muizen. Daarom wordt hiervoor een niet-invasieve staartmanchet gebruikt om microbiële besmettingte voorkomen 12. Typisch, om relatief nauwkeurige metingen te verkrijgen met behulp van tail-cuff plethysmografie, worden dieren getraind en gewend aan het platform voordat systolische drukmetingen worden uitgevoerd. In kiemvrije FMT-studies moeten onderzoekers overwegen om meerdere metingen te verzamelen en te gemiddelden36.
Deze uitdagingen kunnen zich voordoen op andere eindpunten dan de bloeddruk. Studies die gedragsaspecten van hart- en vaatziekten onderzoeken, vereisen bijvoorbeeld vaak frequente behandeling en externe blootstelling. Een onderzoek naar de effecten van een vezelrijk dieet bij door maternale obesitas geïnduceerde cognitieve en sociale disfunctie toonde succesvolle FMT aan bij conventionele muizen die waren voorbehandeld met antibiotica37. Studies die longitudinale cardiovasculaire responsen onderzoeken, kunnen FMT overwegen bij conventioneel gehuisveste muizen.
Naast het meten van de bloeddruk, kunnen dieren worden geëuthanaseerd en weefsels worden geoogst voor verder onderzoek. Met name moet de cecale inhoud worden verzameld om te worden beoordeeld op succesvolle transplantatie van de getransplanteerde microbiota. Dit gedetailleerde protocol zal onderzoekers begeleiden bij het bestuderen van het mechanisme van het darmmicrobioom van FMT tot weefselniveaus en is van toepassing op functionele studies. Dit is belangrijk omdat er een enorme hoeveelheid methodologische en momenteel beschikbare literatuur is. Voor mechanistische doeleinden kunnen plasma, darmen, nieren, harten en andere weefsels worden geoogst om de betrokken routes te onderzoeken. De oorzakelijke effecten van de darmmicrobiota bij ziekte zijn verbonden met de metabolieten die ze produceren en hun afgifte in het systeem als gevolg van een lekkende darm. De gezondheid van de gehele darm kan worden beoordeeld door middel van histologische en immunostaining benaderingen. De Swiss-roll techniek is gebruikt om het effect van ziekte FMT bij muizen12,24 aan te tonen.
De bijdrage van de darmmicrobiota aan hart- en vaatziekten zoals hypertensie blijft associatief. Hier presenteerden we methodologische benaderingen voor het verzamelen, verwerken en transplanteren van fecaal materiaal van menselijke proefpersonen of conventionele muizen naar kiemvrije muizen. Het protocol vat aanvullende experimentele praktijken en parameters samen om te onderzoeken bij het afbakenen van een oorzaak en / of gevolg van de darmmicrobiota in cardiometabole gezondheid. Studies moeten worden gerepliceerd om de reproduceerbaarheid en striktheid van het gewenste fenotype te garanderen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Er worden geen belangenconflicten, financieel of anderszins, door de auteurs aangegeven.
Acknowledgments
Deze studie werd ondersteund door Vanderbilt Clinical and Translational Science Award Grant UL1TR002243 (naar A.K.) van het National Center for Advancing Translational Sciences; American Heart Association Grant POST903428 (aan J.A.I.); en National Heart, Lung, and Blood Institute Grants K01HL13049, R03HL155041, R01HL144941 (aan A.K.), en NIH-subsidie 1P01HL116263 (aan V.K.). Figuur 1 is gemaakt met Biorender.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alexa Fluor 488 Tyamide SuperBoost | ThermoFisher | B40932 | |
| Anaerobic chamber | COY | 7150220 | |
| Apolipoprotein AI | Novus Biologicals | NBP2-52979 | |
| Artery Scissors - Ball Tip | Fine Science Tools | 14086-09 | |
| Bleach solution | Fisher Scientific | 14-412-53 | |
| Bovine Serum Albumin | Fisher Scientific | B14 | |
| CD3 antibody | ThermoFisher | 14-0032-82 | |
| CD68 monoclonal antibody | ThermoFisher | 14-0681-82 | |
| Centrifuge | Fisher Scientific | 75-004-221 | |
| CODA high throughput monitor | Kent Scientic Corporation | CODA-HT8 | |
| Cryogenic vials | Fisher Scientific | 10-500-26 | |
| Disposable graduate transfer pipettes | Fisher Scientific | 137119AM | |
| Disposable syringes | Fisher Scientific | 14-823-2A | |
| Ethanol | Fisher Scientific | AA33361M1 | |
| Feeding Needle | Fine Science Tools | 18061-38 | |
| Filter paper sheet | Fisher Scientific | 09-802 | |
| Formalin (10%) | Fisher Scientific | 23-730-581 | |
| High salt diet | Teklad | TD.03142 | |
| OMNIgene.GUT | DNAgenotek | OM-200+ACP102 | |
| Osmotic mini-pumps | Alzet | MODEL 2002 | |
| PAP Pen | Millipore Sigma | Z377821-1EA | |
| Petri dish | Fisher Scientific | AS4050 | |
| Pipette tips | Fisher Scientific | 21-236-18C | |
| Pipettes | Fisher Scientific | 14-388-100 | |
| Serile Phosphate-buffered saline | Fisher Scientific | AAJ61196AP | |
| Smart spatula | Fisher Scientific | NC0133733 | |
| Stool collection device | Fisher Scientific | 50-203-7255 | |
| TBS Buffer | Fisher Scientific | R017R.0000 | |
| Triton X-100 | Millipore Sigma | 9036-19-5 |
|
| Varimix platform rocker | Fisher Scientific | 09047113Q | |
| Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-41 | |
| Xylene | Fisher Scientific | 1330-20-7, 100-41-4 |
References
- Virani, S. S., et al. Heart disease and stroke statistics-2021 update: a report From the American Heart Association. Circulation. 143 (8), 254 (2021).
- Wu, H., et al. The gut microbiota in prediabetes and diabetes: a population-based cross-sectional study. Cell Metabolism. 32 (3), 379-390 (2020).
- Crovesy, L., Masterson, D., Rosado, E. L. Profile of the gut microbiota of adults with obesity: a systematic review. European Journal of Clinical Nutrition. 74 (9), 1251-1262 (2020).
- Avery, E. G., et al. The gut microbiome in hypertension: recent advances and future perspectives. Circulation Research. 128 (7), 934-950 (2021).
- Perez-Matute, P., Iniguez, M., de Toro, M., Recio-Fernandez, E., Oteo, J. A. Autologous fecal transplantation from a lean state potentiates caloric restriction effects on body weight and adiposity in obese mice. Scientific Reports. 10 (1), 9388 (2020).
- Zoll, J., et al. Fecal microbiota transplantation from high caloric-fed donors alters glucose metabolism in recipient mice, independently of adiposity or exercise status. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 319 (1), 203-216 (2020).
- Hvas, C. L., et al. Fecal microbiota transplantation is superior to fidaxomicin for treatment of recurrent Clostridium difficile infection. Gastroenterology. 156 (5), 1324-1332 (2019).
- Kootte, R. S., et al. Improvement of insulin sensitivity after lean donor feces in metabolic syndrome is driven by baseline intestinal microbiota composition. Cell Metabolism. 26 (4), 611-619 (2017).
- Li, J., et al. Gut microbiota dysbiosis contributes to the development of hypertension. Microbiome. 5 (1), 14 (2017).
- Shi, H., et al. Restructuring the gut microbiota by intermittent fasting lowers blood pressure. Circulation Research. 128 (9), 1240-1254 (2021).
- Zhong, H. J., et al. Washed microbiota transplantation lowers blood pressure in patients with hypertension. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 11, 679624 (2021).
- Ferguson, J. F., et al. High dietary salt-induced dendritic cell activation underlies microbial dysbiosis-associated hypertension. JCI Insight. 5 (13), 126241 (2019).
- Yu, E. W., et al. Fecal microbiota transplantation for the improvement of metabolism in obesity: The FMT-TRIM double-blind placebo-controlled pilot trial. PLoS Medicine. 17 (3), 1003051 (2020).
- Leong, K. S. W., et al. Effects of fecal microbiome transfer in adolescents with obesity: the gut bugs randomized controlled trial. JAMA Network Open. 3 (12), 2030415 (2020).
- Zhang, Z., et al. Impact of fecal microbiota transplantation on obesity and metabolic syndrome-a systematic review. Nutrients. 11 (10), 2291 (2019).
- Laubitz, D., et al. Dynamics of gut microbiota recovery after antibiotic exposure in young and old mice (a pilot study). Microorganisms. 9 (3), 647 (2021).
- Xiao, L., et al. High-fat feeding rather than obesity drives taxonomical and functional changes in the gut microbiota in mice. Microbiome. 5 (1), 43 (2017).
- Brunt, V. E., et al. Suppression of the gut microbiome ameliorates age-related arterial dysfunction and oxidative stress in mice. The Journal of Physiology. 597 (9), 2361-2378 (2019).
- Choo, J. M., Rogers, G. B. Gut microbiota transplantation for colonization of germ-free mice. STAR Protocols. 2 (3), 100610 (2021).
- Kim, T. T., et al. Fecal transplant from resveratrol-fed donors improves glycaemia and cardiovascular features of the metabolic syndrome in mice. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 315 (4), 511-519 (2018).
- Lu, H., et al. Subcutaneous angiotensin II infusion using osmotic pumps induces aortic aneurysms in mice. Journal of Visualized Experiments. (103), e53191 (2015).
- Wang, Y., Thatcher, S. E., Cassis, L. A. Measuring blood pressure using a noninvasive tail cuff method in mice. Methods in Molecular Biology. 1614, 69-73 (2017).
- Ishimwe, J. A., et al. The gut microbiota and short-chain fatty acids profile in postural orthostatic tachycardia syndrome. Frontiers in Physiology. 13, 879012 (2022).
- Bialkowska, A. B., Ghaleb, A. M., Nandan, M. O., Yang, V. W. Improved Swiss-rolling technique for intestinal tissue preparation for immunohistochemical and immunofluorescent analyses. Journal of Visualized Experiments. (113), e54161 (2016).
- Moolenbeek, C., Ruitenberg, E. J. The "Swiss roll": a simple technique for histological studies of the rodent intestine. Laboratory Animals. 15 (1), 57-59 (1981).
- Ishimwe, J. A., Garrett, M. R., Sasser, J. M. 1,3-Butanediol attenuates hypertension and suppresses kidney injury in female rats. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 319 (1), 106-114 (2020).
- Bokoliya, S. C., Dorsett, Y., Panier, H., Zhou, Y. Procedures for fecal microbiota transplantation in murine microbiome studies. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 11, 711055 (2021).
- Van Beusecum, J. P., Xiao, L., Barbaro, N. R., Patrick, D. M., Kirabo, A. Isolation and adoptive transfer of high salt treated antigen-presenting dendritic cells. Journal of Visualized Experiments. (145), e59124 (2019).
- Harrison, D. G., Marvar, P. J., Titze, J. M.
- Sylvester, M. A., et al. Splenocyte transfer from hypertensive donors eliminates premenopausal female protection from ANG II-induced hypertension. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 322 (3), 245-257 (2022).
- Reikvam, D. H., et al. Depletion of murine intestinal microbiota: effects on gut mucosa and epithelial gene expression. PLoS One. 6 (3), 17996 (2011).
- Le Roy, T., et al. Comparative evaluation of microbiota engraftment following fecal microbiota transfer in mice models: age, kinetic and microbial status matter. Frontiers in Microbiology. 9, 3289 (2019).
- Sun, J., et al. Fecal microbiota transplantation alleviated Alzheimer's disease-like pathogenesis in APP/PS1 transgenic mice. Translation Psychiatry. 9 (1), 189 (2019).
- Kim, M., et al. Critical role for the microbiota in CX(3)CR1(+) intestinal mononuclear phagocyte regulation of intestinal T cell responses. Immunity. 49 (3), 151-163 (2018).
- Hintze, K. J., et al. Broad scope method for creating humanized animal models for animal health and disease research through antibiotic treatment and human fecal transfer. Gut Microbes. 5 (2), 183-191 (2014).
- Wilde, E., et al. Tail-cuff technique and its influence on central blood pressure in the mouse. Journal of the American Heart Association. 6 (6), 005204 (2017).
- Liu, X., et al. High-fiber diet mitigates maternal obesity-induced cognitive and social dysfunction in the offspring via gut-brain axis. Cell Metabolism. 33 (5), 923-938 (2021).
