Summary
המטרה כאן היא להתוות פרוטוקול לחקר המנגנונים של דיסביוזיס במחלות לב וכלי דם. מאמר זה דן כיצד לאסוף ולהשתיל דגימות צואה של מורין, לבודד מעיים ולהשתמש בשיטת "סוויס-רול", ואחריה טכניקות של צביעת מערכת החיסון כדי לחקור שינויים במערכת העיכול.
Abstract
דיסביוזה של מיקרוביוטת המעי ממלאת תפקיד בפתופיזיולוגיה של הפרעות קרדיווסקולריות ומטבוליות, אך המנגנונים אינם מובנים היטב. השתלת מיקרוביוטה בצואה (FMT) היא גישה רבת ערך להגדרת תפקיד ישיר של המיקרוביוטה הכוללת או מינים מבודדים בפתופיזיולוגיה של מחלות. זוהי אפשרות טיפול בטוחה עבור חולים עם זיהום חוזר Clostridium difficile . מחקרים פרה-קליניים מראים כי מניפולציה של מיקרוביוטת המעי היא כלי שימושי לחקר הקשר המכניסטי בין דיסביוזה למחלות. השתלת מיקרוביוטה בצואה עשויה לעזור להבהיר טיפולים חדשניים הממוקדים במיקרוביוטה של המעי לניהול וטיפול במחלות לב-מטבוליות. למרות אחוזי הצלחה גבוהים במכרסמים, עדיין קיימים שינויים תרגומיים הקשורים להשתלה. המטרה כאן היא לספק הדרכה בחקר ההשפעות של מיקרוביום המעי במחלות לב וכלי דם ניסיוניות. במחקר זה מתואר פרוטוקול מפורט לאיסוף, טיפול, עיבוד והשתלה של מיקרוביוטה צואתית במחקרי מורין. שלבי האיסוף והעיבוד מתוארים הן עבור תורמים אנושיים והן עבור תורמי מכרסמים. לבסוף, אנו מתארים שימוש בשילוב של טכניקות גלגול וצביעת חיסון שוויצריות כדי להעריך מורפולוגיה ספציפית למעי ושינויים בשלמות במחלות לב וכלי דם ובמנגנוני מיקרוביוטה קשורים של המעי.
Introduction
הפרעות קרדיומטבוליות, כולל מחלות לב ושבץ, הן סיבות המוות המובילות בעולם1. חוסר פעילות גופנית, תזונה לקויה, גיל מתקדם וגנטיקה מווסתים את הפתופיזיולוגיה של הפרעות אלה. עדויות מצטברות תומכות ברעיון שמיקרוביוטת המעי משפיעה על הפרעות לב וכלי דם והפרעות מטבוליות, כולל סוכרת מסוג2, השמנת יתר3 ויתר לחץ דם4, מה שעשוי להיות המפתח לפיתוח גישות טיפוליות חדשות למחלות אלה.
המנגנונים המדויקים שבאמצעותם המיקרוביוטה גורמת למחלות עדיין אינם ידועים, והמחקרים הנוכחיים משתנים מאוד, בין היתר בשל הבדלים מתודולוגיים. השתלת מיקרוביוטה בצואה (FMT) היא גישה רבת ערך להגדרת תפקיד ישיר של המיקרוביוטה הכוללת או מינים מבודדים בפתופיזיולוגיה של מחלות. FMT נמצא בשימוש נרחב במחקרים בבעלי חיים כדי לגרום או לדכא פנוטיפ. לדוגמה, צריכת קלוריות ומטבוליזם גלוקוז ניתן לווסת על ידי העברת חומר צואתי מתורם חולה למקבל בריא 5,6. בבני אדם, FMT הוכח כאפשרות טיפול בטוחה לחולים עם זיהום חוזר של Clostridium difficile 7. עדויות התומכות בשימוש בו בניהול מחלות לב וכלי דם מתגלות; לדוגמה, FMT מחולי תסמונת רזה לתסמונת מטבולית משפר את הרגישות לאינסולין8. דיסביוזיס של המעי נקשר גם ליתר לחץ דם הן במחקרים בבני אדם והן במחקריםעל מכרסמים 9,10,11. FMT מעכברים שניזונו מתזונה עשירה במלח בעכברים נטולי חיידקים גורם למושתלים לדלקת וליתר לחץ דם12.
למרות השיעור הגבוה של הצלחה FMT במכרסמים, עדיין נותרו אתגרים תרגומיים. ניסויים קליניים המשתמשים ב- FMT לטיפול בהשמנת יתר ובתסמונת מטבולית מצביעים על השפעות מינימליות או ללא השפעות כלל על הפרעות אלה13,14,15. לפיכך, נדרשים מחקרים נוספים כדי לזהות דרכים טיפוליות נוספות המכוונות למיקרוביוטה של המעי לטיפול בהפרעות קרדיומטבוליות. רוב העדויות הזמינות על מיקרוביוטת המעי ומחלות לב וכלי דם הן אסוציאטיביות. הפרוטוקול המתואר דן כיצד להשתמש בשילוב של FMT וטכניקת גלגול שוויצרית כדי להראות קשר בין מחלות למיקרוביוטה של המעי ולהעריך ישירות את שלמות כל חלקי המעי16,17,18.
המטרה הכוללת של שיטה זו היא לספק הדרכה לחקר ההשפעות של מיקרוביום המעי במחלות לב וכלי דם ניסיוניות. פרוטוקול זה מספק פרטים נוספים ושיקולים מרכזיים בתכנון הניסוי כדי לקדם תרגום פיזיולוגי ולהגביר את הקשיחות והשחזור של הממצאים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת ונדרבילט אישרה את כל ההליכים המתוארים בכתב יד זה. עכברים זכרים C57B1/6 בגיל 3 חודשים, שנרכשו ממעבדת ג'קסון, שוכנו וטופלו בהתאם למדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה.
1. איסוף, אחסון ועיבוד של דגימות צואה אנושיות
- איסוף דגימת צואה, באמצעות מיכל סטרילי אם הנושא נמצא במרפאה. יש לשמור בקירור את דגימות הצואה בטמפרטורה של 4°C תוך 36 שעות מהאיסוף עד שהן מוכנות לעיבוד. לחלופין, איסוף דגימות צואה באמצעות כלי זמין מסחרית ליציבות DNA קלה ומורחבת בטמפרטורת הסביבה, במיוחד לשימוש ביתי.
- יש לחטא קולט אדים ברמת בטיחות ביולוגית בתמיסת אקונומיקה 10%, או חומר חיטוי אחר שאושר על ידי הסוכנות להגנת הסביבה.
- הסר את השרפרף מאחסון קריר והכנס למכסה האדים; השתמש במרית חד פעמית כדי להכין ~ 1 גרם aliquots ואחסן במקפיא -80 ° C עד מוכן לחלוטין לעיבוד.
- יש להשליך את כל הפריטים החד-פעמיים לאשפה מסוכנת ביולוגית. יש לחטא את כל המשטחים (מכסה המנוע וכל המשטחים שהמעבד נוגע בהם) והפריטים שהוצאו ממכסה המנוע.
2. אוסף אספטי של דגימות צואת עכבר
הערה: השתמש בטכניקות אספטיות, כולל מכשירים מעוקרים.
- הרדימו את העכבר על ידי חנק CO2 . רסס את החזה ואת הצדדים של העכבר עם אתנול 70% בזהירות לפתוח את העור ואת חלל הצפק כדי לחשוף את מערכת העיכול.
- בודדו את הצקום והשתמשו במספריים כירורגיים סטריליים כדי לחתוך אותו לשניים. בקצרה, לחשוף את cecum לחתוך 0.5 ס"מ קרוב מן ileum ו 0.5 ס"מ distally בצומת שלה עם המעי הגס. מעבירים את הצקום המבודד לצלחת פטרי סטרילית.
- השתמש במרית סטרילית כדי להעביר תוכן cecal לתוך צינורות סטריליים, ולאחסן aliquots במקפיא -80 ° C19.
הערה: מאחר שרוב חיידקי המעי הם אנאירובים, חשיפה לחמצן עלולה להזיק או להרוג את האורגניזמים במהלך הליך הבידוד באטמוספירה בחדר. לכן, דגימות צואה צריך להיות מבודד בתאים אנאירוביים כדי לשמור על הכדאיות של החיידקים.
3. השתלת חומר צואתי
- יש להשהות מחדש כדורי צואה טריים או קפואים בעבר במי מלח סטריליים ביחס של 1:20 (w:v) ולערבל עד לקבלת הומוגני.
- מעבירים את ההומוגנט דרך מסנן ניילון נקבוביות בגודל 30 מיקרומטר כדי להסיר חומר חלקיקי גדול. צנטריפוגה ב 79 × גרם במשך 5 דקות ולאסוף את supernatant לשימוש להשתלה.
- רווח אוראלי 100 μL של slurry לכל עכבר מושתל ללא חיידקים במשך 3 ימים רצופים, ואחריו gavage כל 3 ימים במשך שבועיים. השתמשו בעכברים רגילים כדי לחקור מנגנונים של מיקרוביוטת המעיים אם הם טופלו תחילה באנטיביוטיקה כדי לחסל את המיקרוביוטה האנדמית של המושתל עצמו. לדוגמה, יש לתת ceftriaxone (400 מ"ג / ק"ג) מדי יום לעכברים המקבלים במשך 5 ימים רצופים על ידי gavage דרך הפה לפני gavage של צואה slurry.
הערה: מחקרים מראים כי מינימום של שבועיים של טיפול זה נחוץ כדי לעורר שינויים קרדיווסקולריים, כולל לחץ דם20. - ודא שעכברים מושתלים ללא חיידקים שוכנים באופן יחיד במבודדי סרטים גנוטוביוטיים ומוזנים במזון ומים סטריליים.
4. מדידות לחץ דם סיסטולי
הערה: עכברים גנוטוביוטיים שקיבלו FMT מעכברי C57Bl/6 בני 3 חודשים הושתלו במיני-משאבות אוסמוטיות (Alzet, model 2002) לעירוי אנגיוטנסין II במינון נמוך (140 ננוגרם/ק"ג/דקה) למשך שבועיים. לחץ הדם נוטר מדי שבוע באמצעות שרוול זנב. פרוטוקול השתלת מיני-משאבות אוסמוטיות דווח בעבר21. שרוול הזנב בוצע כפי שסוכם בקצרה להלן. שיטה לא פולשנית למדידת לחץ דם, כגון שרוול זנב, מתאימה למחקרי FMT בעכברים גנוטוביוטיים. השלבים המפורטים כיצד לבצע שרוול זנב תוארו בעבר22.
- בקצרה, שלפו את העכברים מהמבודדים הגנוטוביוטיים וחממו מראש את פלטפורמת מכונת שרוול הזנב ומחזיק העכבר.
- הניחו את העכברים המודעים במעצורים על הפלטפורמה המחוממת ואספו לפחות שלושה סבבים של מדידות לחץ סיסטולי באמצעות פלטיסמוגרפיה של שרוול הזנב. בצעו את השלבים הבאים 3 ימים רצופים לפני ימי המדידה המתאימים, כדי לאמן עכברים להיות מרוסנים על מנת להפחית את הלחץ.
- מניחים בעדינות את העכבר במחזיק שחומם מראש ומשאירים את הזנב בחוץ. בזהירות קלטת למטה את החלק העליון מבלי לצבוט אותו, כדי לא להדגיש את העכבר.
- אפשר לעכבר לנוח במחזיק; מניחים על הרציף למשך 3-5 דקות מכוסה בסדין להתאקלמות.
- ממוצע המדידות מכל הסבבים עבור לחץ סיסטולי ממוצע עבור כל חיה.
5. הערכת FMT לשינויים קרדיווסקולריים
- לאחר מדידת לחץ הדם, יש להרדים את העכברים ולאסוף את תכולת הצק, כמתואר בסעיף 2.
- קצרו את המעיים ורקמות אחרות, כולל הלב, אבי העורקים, הכבד, העורקים המזנטריים והכליות, כדי לבחון את תפקיד המיקרוביוטה של המעי בבריאות הלב והמטבוליזם. כדי לקצור רקמות, אתר את הרקמה בעכבר והשתמש במספריים כדי להסיר אותם.
- הפעל ניתוח ריצוף מטאגנומי על דגימות צואה / תוכן צקלי שנאסף מהעכברים התורמים והמקבלים כדי לאשר קליטה של מיקרוביוטת המעי לאחר FMT23. ההוכחה הראשונה להתיישבות מוצלחת של מיקרוביוטה היא אישור שהמיקרוביוטה של התורם והמקבל דומים.
- השתמש בטכניקת סוויס-רול (ראה סעיף 6) על רקמת המעי שנקטפה, בשילוב עם אימונוסטיין והיסטולוגיה כדי לבחון שינויים מורפולוגיים ותאייםבביטוי 24.
6. הכנת מעי המעי לחמניות שוויצריות
- יום 1
- בעכבר שעבר המתת חסד כראוי מרוסס באתנול 70%, נתחו את מעי העכבר מהצד האנאלי (קבוע ברטרופריטונאום) לצד הקיבה. הניחו את כל מערכת העיכול המבודדת בצלחת פטרי המכילה מלח חוצץ פוספט (PBS). החזיקו בעדינות את הקצה הפרוקסימלי מקצה הקיבה והוציאו ביד את השומן שמסביב ואת רקמת החיבור.
- לבודד את המעי הדק (cephalad מן התוספתן) ולעשות זיגזג מסוג Z עם כל אורך. לאחר מכן, לחתוך כדי לקבל את התריסריון, jejunum, ו ileum ברצף, כפי שתואר קודם25. בודד את המעי הגס על ידי חיתוך החלק של המעי מתחת cecum.
- חותכים את התריסריון, jejunum, ileum, ואת המעי הגס.
- לשטוף ולשטוף את המעיים בפנים באמצעות PBS עם מזרק ומחט עם קצה כדור, כדי לא לקרוע את המעי.
- שים את המעיים על נייר פילטר. תייג את הנייר בשם המקטע (לדוגמה, תריסריון) ולאחר מכן 'P' בפינה העליונה הימנית עבור פרוקסימלי או 'D' עבור דיסטלי בפינה התחתונה הימנית.
- חותכים את המעיים לאורכם עם מספריים בקצה הכדור. פתח את המעיים על נייר הסינון. יש לשטוף עם PBS נוסף לפי הצורך.
- סנדוויץ' את המעיים בין שני ניירות פילטר. הדקו את ניירות הסינון בארבע נקודות/פינות ליד המעיים.
- יש להשרות בתמיסת חיץ נייטרלית 10% פורמלין (4.0 גרם נתרן פוספט, מונובייסיק, 6.5 גרם נתרן פוספט, דיבייסיק, 100 מ"ל 37% פורמלדהיד, 900 מ"ל מים מזוקקים). נערו באמצעות נדנדת פלטפורמה ב-5 סל"ד בטמפרטורת החדר למשך הלילה.
- יום 2
- מכינים 2% אגרוז במים מזוקקים ומחממים עם מוט ערבוב בכוס מכוסה ברדיד אלומיניום.
- לאחזר את הרקמות; הפשיט את נייר הסינון העליון. גלגלו את המעיים מהצד הפרוקסימלי כך שהצד הפרוקסימלי ייכנס ראשון פנימה, וגלגלו פנימה כך שהלומן יהיה בפנים גם במגלשה. נעצו עם מחט 30 גרם או שתיים, לפי הצורך.
- יש לשאוף 1 מ"ל אגרוז באמצעות פיפטות חד פעמיות להעברת בוגרים, ולשפוך את האגרוז על חלק מעיים מגולגל על משטח שטוח תוך הימנעות מבועות אוויר ברקמות.
- מניחים לאגרוז להתקרר ולהתגבש. השתמש בסכין גילוח כדי לחתוך את האגרוז הנוסף סביב קטע הרקמה.
- הכניסו את חלקי המעיים לקלטות עיבוד / הטבעה של רקמות (גדולות יותר מהרגילות כדי להתאים לגובה המוגבר עקב אגרוז). יש להשרות 70% אתנול ב-4°C.
- הכינו שקופיות רקמה משובצות פרפין והמשיכו ל-immunostaining, כמתואר להלן.
7. Immunostaining של מערכת העיכול
- דה-פרפיניזציה
- עברו דרך האמבטיות הבאות עם שקופיות במתלה: קסילן למשך 3 דקות, קסילן טרי שוב למשך 3 דקות, קסילן עם 100% אתנול (1:1) למשך 3 דקות, 95% אתנול למשך 3 דקות, 70% אתנול למשך 3 דקות ואתנול 50% למשך 3 דקות.
- יש לשטוף בעדינות במי ברז קרים זורמים. יש לאחסן באמבט עם מי ברז.
- שליפת אנטיגן
- לאחר דה-פראפיניזציה, יש להרתיח את המגלשות במדף באמבט של מאגר אחזור אנטיגן (0.01M trisodium citrate dihydrate ב-pH 6 ו-0.05% Tween-20) ב-100°C למשך 20 דקות.
- לרוץ תחת מי ברז קרים.
- צביעה
- הסר את המגלשות מהאמבטיה והנח את הטישו עם הפנים כלפי מעלה בקופסת שקופיות עם מגבוני מעבדה לחים / מגבות נייר בתחתית. ציירו קו מתאר סביב הרקמה בעזרת עט טוש הידרופובי.
- יש לטפטף מי מלח חוצצים (TBS) + 0.025% Triton X-100 על הרקמה ולדגור במשך 5 דקות. חזור על שלב זה.
- יש לחסום עם TBS + סרום בקר עוברי 10% (FBS) + אלבומין 1% בסרום בקר (BSA) למשך שעתיים בטמפרטורת החדר. סובב את המגלשות על צדן והסר את מאגר החסימה במגבון מעבדה.
- יש להוסיף תמיסת נוגדנים ראשונית ולדגור בטמפרטורה של 4°C למשך שעתיים או לילה לפחות. יש לשטוף בעדינות עם TBS + 0.025% Triton X-100 על ידי פיפטוף עדין ~200 μL מעל הקטע.
- מוסיפים תמיסת נוגדנים משנית ודגרים במשך שעה בטמפרטורת החדר. שטפו את המגלשות 3 x 5 דקות עם TBS על ידי שטיפה עם פיפטה, כמו בשלב 7.3.4.
- הרכבה עם אמצעי הרכבה וכיסוי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
השלבים המתוארים לעיל מסוכמים באיור 1. תוכן cecal עכבר או צואת אדם הם resuspended במי מלח סטריליים כדי להכין slurry לתת לעכברים ללא חיידקים (100 μL) על ידי gavage, תחילה במשך 3 ימים רצופים, ולאחר מכן פעם כל 3 ימים. בסוף הפרוטוקול, לחץ הדם נמדד בשיטת שרוול הזנב, עכברים מומתים ורקמות נקצרות להערכת שינויים במיקרוביוטה של המעי ושינויים קרדיווסקולריים ומטבוליים.
שלב מפתח בבחירת המיקרוביוטה הוא לוודא שפנוטיפ המחלה המעניין נמצא אצל התורם וקשור לשינויים דיסביוטיים. לדוגמה, תזונה עתירת מלח קשורה קשר הדוק לדיסביוזיס ולתפקוד לקוי של הלב וכלי הדם. במחקר זה נעשה שימוש בתורם עכברים שניזונו מתזונה של 8% NaCl. שינויים במיקרוביוטה של המעי בתגובה למלח הגבוה כללו ירידה במגוון הביולוגי של חיידקים (איור 2A), שהתקבץ בנפרד מהמיקרוביוטה הרגילה של מלח (איור 2B). יחס Firmicutes/Bacteroidetes גדל גם הוא (איור 2C), מה שמרמז על שינויים גבוהים במיקרוביוטה הנגרמת על ידי מלח (שונה מ-Ferguson et al.12).
כדי לקבוע את התפקיד של דיסביוזיס גבוה המושרה על ידי מלח בנטייה ליתר לחץ דם, FMT מעכברים הניזונים ממלח גבוה לעכברים ללא חיידקים בוצע והוערכו תגובות לחץ דם למינון נמוך של אנגיוטנסין II (Ang II). במחקר זה נעשה שימוש בעכברים זכרים C57BL/6 בגיל 3 חודשים. עכברים מושתלים הושתלו עם מיני-משאבות אוסמוטיות כדי לתת מינון נמוך מתמשך של אנג II (140 ננוגרם/ק"ג/) במשך שבועיים בעכברים. עכברים שקיבלו FMT מתורמים שניזונו ממלח גבוה הציגו עלייה משמעותית בלחץ הדם עם טיפול באנג II בהשוואה למושתלי מיקרוביוטה רגילה של מלח (איור 3). ממצא זה מצביע על כך ש-FMT הכין את העכברים המקבלים לפתח יתר לחץ דם12. פרטים על פרוטוקול שרוול הזנב במכרסמים דווחו בעבר12,26.
מיקרוביוטת מעיים דיסביוטית תורמת למחלות, בין היתר בגלל דופן מעי דלקתית ודולפת. לפיכך, בדיקת דופן המעי על ידי אימונוהיסטוכימיה יכולה לשמש לחקירת שינויים באזורי מעיים ספציפיים בכל מצב מחלה אפילו מעבר ל- FMT. איור 4 מדגים שאנו יכולים לבצע אימונוהיסטוכימיה על האילאום באמצעות טכניקת סוויס-רול וסמני כתמים שונים, כמו למשל המטוקסילין ואאוזין (H&E), הטריכרום של מאסון, וסמנים של תאי מערכת החיסון כמו אנטי-CD3 ואנטי-CD68., כפי שתואר קודם לכן 12, ואפוליפופרוטאין AI (AI), שהצטבר באילאום של עכברי פרוטאינוריה (איור 4).
איור 1: דיאגרמה המסכמת את עיצוב הפרוטוקול. דגימות צואה שנאספו מנבדק אנושי או מעכבר רגיל משמשות להשתלה בעכברים נטולי חיידקים. קיצורים: FMT = השתלת מיקרוביוטה בצואה; BP = לחץ דם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: עכברים עם תזונה עתירת מלח מפגינים דיסביוזה של מיקרוביוטת המעי. (A) הערכת המגוון הביולוגי של המינים בתכולת הצק"ל המתקבלת מעכברים בדיאטות מלח רגילות (שחורות) ועתירות מלח (אדום). (B) קנה מידה רב-ממדי לא מטרי מראה שהחיידקים מעכברי מלח רגילים ועכברי תזונה עתירי מלח יוצרים אשכולות נפרדים. (C) מלח גבוה קשור ליחס Firmicutes/Bacteroidetes מוגבר. (***p < 0.0001, באמצעות מבחני t של סטודנט דו-זנבי לא מזווג). נתון זה נלקח מ Ferguson et al.12. קיצורים: NMDS = קנה מידה רב-ממדי לא מטרי; NS = מלח רגיל; HS = מלח גבוה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: FMT מעכברים הניזונים ממלח גבוה גורם לעכברים נטולי חיידקים ליתר לחץ דם המושרה על ידי אנגיוטנסין II. העברת מיקרוביוטת מעיים דיסביוטית גבוהה הנגרמת על ידי מלח הייתה קשורה ללחץ סיסטולי מוגבר באופן משמעותי בעכברים נטולי חיידקים בהשוואה לעכברים שקיבלו מיקרוביוטה רגילה של מעי מלח. נתון זה נלקח מ Ferguson et al.12. קיצורים: FMT = השתלת מיקרוביוטה בצואה; BP = לחץ דם; אנג II = אנגיוטנסין II; NS = מלח רגיל; HS = מלח גבוה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תמונת אימונוהיסטוכימיה שמדגימה כיצד להעריך שינויים בסמני מחלה במעיים. תמונות מייצגות המציגות כתם Apolipoprotein AI ב- ilea שהושג מעכברים עם היפרליפידמיה ללא (A) או עם (B) פרוטאינוריה. הגדלה: פי 5 בקנה מידה של 200 מיקרומטר (A,B, משמאל); פי 10 בקנה מידה של 100 מיקרומטר (A,B, מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
גישה חשובה לחקר התפקיד הסיבתי של מיקרוביוטת המעי במחלות לב וכלי דם ומחלות מטבוליות היא להעביר את המיקרוביוטה הכוללת או מינים נבחרים בעלי עניין לעכברים נטולי חיידקים. במאמר זה אנו מתארים פרוטוקולים לאיסוף דגימות צואה מבני אדם ומעכברים ששוכנו באופן קונבנציונלי בעכברים נטולי חיידקים כדי לחקור את תפקיד המיקרוביוטה של המעי בהפרעות יתר לחץ דם.
בעכברים, אנו משתמשים בתוכן צקלי שנאסף באופן אספטי המעובד בתא אירובי, ובבני אדם, אוספים צואה. ניתן לבצע FMT באופן מיידי כאשר הדגימה עדיין טרייה או קפואה בחנקן נוזלי ולהישמר בטמפרטורה של -80°C עד שהיא מוכנה לשימוש. אם לא ניתן להקפיא את הדגימה באופן מיידי, כמו במקרה של בני אדם שאוספים את הדגימות שלהם בבית, חשוב להשתמש בחומר משמר לחומצות גרעין כמו אתנול. רוב חיידקי המעי הם אנאירובים; בעת הכנת דגימות צואה להשתלה, זה חייב להיעשות במהירות כדי למנוע חשיפת חיידקים לסביבות אירוביות, שכן זה עשוי להפחית את היעילות עקב כמות מופחתת של anaerobes בתערובת27. עבור מחקר אורך, ריצוף מטאגנומי של הדגימות צריך להתבצע יחד כדי למנוע השפעות אצווה. דגימות עבור FMT יכולות להגיע מתורם אחד או מתורמים מרובים המאוגדים יחד ולאחר מכן מופצים למספר נמענים בקבוצות הניסוי.
חיוני ביותר שהצלחת FMT תאושר בניסוי לפני בחינת השלכות מכניסטיות. ניתן לנתח תוכן צואה או צקאלי על ידי מטגנומיקה ודמיון המוערכים בין תורמים למושתלים. התוצאות הצפויות יהיו מגוון מיקרוביאלי דומה באמצעות מדדי גיוון אלפא, ניתוח קואורדינטות עיקריות ופרופילים פונקציונליים. רק אז ניתן להסיק את המסקנה שהמיקרוביוטה של המעי ממלאת תפקיד חשוב באטיולוגיה של מחלות. צעד זה חשוב עוד יותר אם המחקר משתמש בעכברים ששוכנו באופן קונבנציונלי שטופלו מראש באנטיביוטיקה כדי לרוקן את המיקרוביוטה האנדמית שלהם. הסיבה לכך היא שאם צעד זה לא הצליח, החיידקים של המושתלים ששרדו יכולים להשפיע על תוצאות המחלה. עם זאת, FMT מוצלח, במיוחד במחקרים פרה-קליניים, לא תמיד מביא לתרגום קליני. לפיכך, יש צורך בצעדים מאשרים נוספים כדי לערב מנגנונים ישירים הקשורים למעיים בפתופיזיולוגיה של מחלות, כולל שינויים במורפולוגיית המעי באמצעות טכניקת סוויס-רול המתוארת כאן.
קיים תפקיד ישיר מבוסס של הפעלת תאי מערכת החיסון בהתפתחות יתר לחץ דם, שהודגם באמצעות מחקרי העברה מאומצת28,29,30. למרות שעכברים נטולי חיידקים הם תקן הזהב בקביעת תפקיד סיבתי של המיקרוביוטה במחלות, המודל עשוי להיות מוגבל בחקר מנגנונים דלקתיים של מחלות לב מטבוליות. לעכברים נטולי חיידקים יש מערכת חיסון לא מפותחת, מה שמעכב את הרלוונטיות התרגומית שלהם בחקר יחסי הגומלין בין מיקרוביוטת המעי לדלקת. לחלופין, ניתן לשנות פרוטוקול זה להשתלת דגימות צואה בעכברים קונבנציונליים, לאחר דלדול המיקרוביוטה שלהם באמצעות אנטיביוטיקה או ניקוי מעיים עם פוליאתילן גליקול31,32. FMT בעכברים קונבנציונליים שטופלו באנטיביוטיקה מבטל את הצורך בסביבה מבוקרת ויקרה הנדרשת לשמירה על עכברים נקיים מחיידקים. הראיות הנוכחיות מראות כי הבחירה באנטיביוטיקה, בין אם אחת או שילוב, ופרוטוקול הטיפול משתנים בין מחקרים33,34,35. הבחירה באנטיביוטיקה תקבע את סוגי החיידקים שיתרוקנו, בשל שינויים במנגנוני הפעולה, וכתוצאה מכך תשפיע על הפנוטיפ. לפיכך, תכנון הניסוי צריך לקחת בחשבון את סוגי החיידקים הידועים כמתווכים את הפנוטיפ, ויש לבחור בהתאם את האנטיביוטיקה רחבת הטווח, אופן מתן התרופה, ומשטר הניסוי.
לפרוטוקול זה יש מגבלות. עכברים נטולי חיידקים מוחזקים במתקנים גנוטוביוטיים, מה שהופך הליכים ניסיוניים הקשורים לחקר מחלות לב וכלי דם למאתגרים. לדוגמה, רדיוטלמטריה היא שיטת תקן הזהב למדידת לחץ דם, אך כרוכה בהליכים כירורגיים פולשניים מאוד. זה לא מעשי עבור עכברים חיסוניים ותמימים ללא חיידקים. לפיכך, שרוול זנב לא פולשני משמש למטרה זו, כדי למנוע זיהום מיקרוביאלי12. בדרך כלל, כדי לקבל מדידות מדויקות יחסית באמצעות פלטיסמוגרפיה של שרוול זנב, בעלי חיים מאומנים ומתאקלמים לפלטפורמה לפני מדידות לחץ סיסטולי. במחקרי FMT נטולי חיידקים, החוקרים צריכים לשקול איסוף וממוצע של מדידות מרובות36.
אתגרים אלה עשויים להופיע בנקודות קצה אחרות מעבר ללחץ הדם. לדוגמה, מחקרים הבוחנים היבטים התנהגותיים של מחלות לב וכלי דם דורשים לעתים קרובות טיפול תכוף וחשיפה חיצונית. מחקר שבדק את ההשפעות של תזונה עשירה בסיבים בתפקוד קוגניטיבי וחברתי אימהי כתוצאה מהשמנת יתר, הדגים FMT מוצלח בעכברים קונבנציונליים שטופלו מראש באנטיביוטיקה37. מחקרים הבוחנים תגובות קרדיווסקולריות אורכיות עשויים לשקול FMT בעכברים קונבנציונליים.
בנוסף למדידת לחץ הדם, ניתן להרדים בעלי חיים ולקצור רקמות לבדיקה נוספת. יש לציין כי יש לאסוף תוכן צקלי כדי להעריך קליטה מוצלחת של המיקרוביוטה המושתלת. פרוטוקול מפורט זה ינחה חוקרים בחקר מנגנון מיקרוביום המעי מרמת FMT לרמות הרקמה, והוא ישים למחקרים פונקציונליים. זה משמעותי כי יש כמות עצומה של ספרות מתודולוגית וזמינה כיום. למטרות מכניסטיות, פלזמה, מעיים, כליות, לבבות ורקמות אחרות ניתן לקצור כדי לחקור את המסלולים המעורבים. ההשפעות הסיבתיות של מיקרוביוטת המעי במחלות קשורות למטבוליטים שהם מייצרים ולשחרורם למערכת עקב מעי דולף. ניתן להעריך את בריאות המעי כולו באמצעות גישות היסטולוגיות וחיסוניות. טכניקת סוויס-רול שימשה להדגמת ההשפעה של מחלת FMT בעכברים12,24.
תרומת המיקרוביוטה של המעי במחלות לב וכלי דם כגון יתר לחץ דם נותרה אסוציאטיבית. במאמר זה הצגנו גישות מתודולוגיות לאיסוף, עיבוד והשתלת חומר צואתי מנבדקים אנושיים או עכברים רגילים לעכברים נטולי חיידקים. הפרוטוקול מסכם פרקטיקות ופרמטרים ניסיוניים נוספים שיש לחקור בהגדרת סיבה ו / או תוצאה של מיקרוביוטת המעי בבריאות הלב והמטבוליזם. יש לשכפל מחקרים כדי להבטיח את יכולת השחזור והקפדנות של הפנוטיפ הרצוי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
לא מוצהרים ניגודי עניינים, כספיים או אחרים, על ידי המחברים.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי Vanderbilt Clinical and Translational Science Award Grant UL1TR002243 (ל- A.K.) מהמרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום; מענק איגוד הלב האמריקאי POST903428 (ל- J.A.I.); ומענקים של המכון הלאומי ללב, ריאות ודם K01HL13049, R03HL155041, R01HL144941 (לא.ק.), ומענק NIH 1P01HL116263 (ל- V.K). איור 1 נוצר באמצעות 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).
