無(wú)菌小鼠及腸道微生物移植小鼠模型在人相關(guān)疾病研究中的應(yīng)用

人物專訪篇

 

本期特邀賽業(yè)模式生物高級(jí)科學(xué)家俞曉峰博士為大家分享人體腸道微生物以及腸道微生物移植小鼠模型在人類疾病研究中的應(yīng)用價(jià)值？什么是無(wú)菌小鼠？無(wú)菌小鼠有哪些特征？小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上有什么不同？小鼠與人健康腸道微生物群組成上有哪些特征等系列問(wèn)題。

 

Q：感謝俞博士接受中國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物信息網(wǎng)的專訪。首先請(qǐng)您介紹一下人體腸道微生物以及腸道微生物移植小鼠模型在人類疾病研究中的應(yīng)用價(jià)值？

 

俞博士：人體腸道微生物因其組成的復(fù)雜與多樣性，以及其在人體健康與疾病過(guò)程中發(fā)揮的重要影響作用，被廣泛認(rèn)為是機(jī)體一個(gè)曾被遺忘的“重要器官”、“第二基因組”和人的第二“大腦”等。研究已經(jīng)表明，腸道微生物與許多人代謝性疾�。ㄈ绶逝郑琁I型糖尿�。�、自身免疫性疾�。ㄈ缪装Y性腸道疾病，I型糖尿�。�、腫瘤以及神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾�。ㄈ缱蚤]癥）的發(fā)生存在密切相關(guān)性。由于腸道菌群與人疾病相關(guān)性研究的不斷增加，對(duì)腸道微生物移植小鼠模型建立及應(yīng)用的需求也因此隨之增加。

 

目前，小鼠模型仍然是絕大多數(shù)的微生物組學(xué)方面研究的首選。腸道微生物移植小鼠模型已經(jīng)成研究微生物與人相關(guān)疾病因果關(guān)系，以及可能有效干預(yù)治療方法的臨床前概念驗(yàn)證最為有效的選擇。

 

由于小鼠與人的腸道微生物組成存在明顯不同，如何將小鼠模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推論至人體，仍然是當(dāng)前腸道菌群與人相關(guān)疾病影響關(guān)系研究領(lǐng)域需要謹(jǐn)慎考慮的問(wèn)題。因此，應(yīng)用無(wú)菌小鼠建立人腸道微生物移植小鼠模型，研究腸道菌群在人健康及相關(guān)疾病中發(fā)揮的影響作用，已成為當(dāng)前該研究領(lǐng)域的重要研究策略與設(shè)計(jì)思路。通過(guò)將人腸道微生物移植無(wú)菌小鼠，構(gòu)建的腸道微生物人源化小鼠模型，必將有助于有效開(kāi)展腸道微生物干預(yù)影響作用研究，分析復(fù)雜宿主微生物相互作用的因果關(guān)系，達(dá)到驗(yàn)證疾病發(fā)生相關(guān)機(jī)制假設(shè)的目的。

 

Q：請(qǐng)您談?wù)勀c道微生物組學(xué)創(chuàng)立歷程及其在人相關(guān)疾病研究中取得了哪些進(jìn)展？

 

俞博士：人相關(guān)微生物概念的提出最早要追溯到1670-1680年代,  荷蘭科學(xué)家Leeuwenhoek首先借助自己發(fā)明研制成功的手工顯微鏡，第一次從自己的口腔與其它部位中發(fā)現(xiàn)了五種不同的細(xì)菌，并提出了細(xì)菌在身體不同部位，以及健康與疾病狀態(tài)下會(huì)有不同的觀點(diǎn)。隨后， Pasteur提出了細(xì)菌致病理論，并且認(rèn)為非致病微生物可能在正常人生理狀態(tài)下發(fā)揮了重要作用。 

 

1940s-1950s年代，厭氧微生物培養(yǎng)方法的成功，實(shí)現(xiàn)了某些厭氧微生物在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)生長(zhǎng)和研究，從此真正開(kāi)始了腸道微生物研究學(xué)科。

 

1959年，無(wú)菌小鼠的首次構(gòu)建成功，極大推動(dòng)了腸道微生物群與人相關(guān)疾病研究領(lǐng)域的空前發(fā)展與飛躍進(jìn)步。應(yīng)用無(wú)菌小鼠建立腸道微生物移植小鼠模型的研究，無(wú)疑將有助于：（1）. 探索人相關(guān)疾病形成原因；（2）. 驗(yàn)證特殊微生物保護(hù)或促進(jìn)人相關(guān)疾病作用；（3）. 揭示病人微生物在引起疾病發(fā)生病理變化過(guò)程中的機(jī)制；（4）. 分析特殊微生物是如何調(diào)節(jié)宿主健康與疾病過(guò)程；（5）. 發(fā)現(xiàn)針對(duì)微生物的靶向藥物策略；（6）. 闡明微生物調(diào)節(jié)藥物應(yīng)答機(jī)制等多個(gè)方面。

 

1965年，Schaedler課題組首先應(yīng)用無(wú)菌小鼠，開(kāi)展細(xì)菌培養(yǎng)物移植的研究工作，該項(xiàng)研究也成為以后探索腸道微生物與宿主間相互作用關(guān)系移植實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。研究者將NCS（Nelson-Collins-Swiss) 小鼠的腸道分離培養(yǎng)的細(xì)菌移植無(wú)菌小鼠。一周后發(fā)現(xiàn)，由無(wú)菌小鼠胃腸道分離的細(xì)菌與來(lái)自NCS小鼠腸道細(xì)菌相似，且能在腸道中穩(wěn)定存在幾個(gè)月時(shí)間，從而確定微生物移植小鼠實(shí)驗(yàn)的可行性，以及該方法在研究細(xì)菌腸道種植小鼠的實(shí)用價(jià)值。研究還發(fā)現(xiàn)，移植擬桿菌可以部分降低無(wú)菌小鼠盲腸增大的表型，提示腸道微生物對(duì)宿主生長(zhǎng)發(fā)育和生理學(xué)方面起到了重要而顯著影響作用。

 

2006年，實(shí)現(xiàn)在無(wú)菌小鼠體內(nèi)重建病人微生物群的實(shí)驗(yàn)成功，即人腸道微生物移植小鼠模型的建立，使小鼠模型再現(xiàn)人疾病狀態(tài)的表型，成為腸道微生物研究中，極為關(guān)鍵性的一大步飛躍。 該類人源化小鼠模型有助于揭示變化多樣的微生物群組成與人疾病間因果關(guān)系，開(kāi)創(chuàng)了該研究領(lǐng)域的新途徑與方向。

 

無(wú)菌小鼠構(gòu)建生產(chǎn)的成功，首先不僅為探索腸道微生物對(duì)代謝平衡與紊亂方面的影響作用，提高了許多有利證據(jù)，而且也在揭示細(xì)菌和宿主組織平衡與免疫系統(tǒng)成熟之間相互緊密聯(lián)系的研究中，發(fā)揮了非常重要作用。關(guān)于分節(jié)絲狀細(xì)菌（SFB）的作用，就是一個(gè)有非常說(shuō)服力的例子。通過(guò)應(yīng)用SFB細(xì)菌移植無(wú)菌小鼠實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，SFB細(xì)菌是決定移植無(wú)菌小鼠腸道淋巴細(xì)胞數(shù)量和表型的關(guān)鍵因素。許多后來(lái)的研究進(jìn)一步證實(shí)了有更多的與宿主免疫功能相關(guān)的特定微生物種群和/或分子。

 

雖然，早在公元300年中國(guó)醫(yī)學(xué)紀(jì)錄中，關(guān)于糞便微生物移植技術(shù)（FMT）應(yīng)用于相關(guān)胃腸病的治療已有過(guò)報(bào)道，比如，老中醫(yī)葛洪應(yīng)用該方法治療食物中毒和嚴(yán)重腹瀉。在16世紀(jì)，中醫(yī)李時(shí)針應(yīng)用含有新鮮、干燥或發(fā)酵的糞便的所謂“湯”，通過(guò)口腔灌胃的方式治療胃腸病。伴隨著微生物組學(xué)研究領(lǐng)域的快速發(fā)展，現(xiàn)在該FMT技術(shù)方法已經(jīng)成為臨床上治療相關(guān)胃腸病人的有效方法之一。

 

最近，關(guān)于艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的保護(hù)作用研究報(bào)道也比較多，比如，有研究發(fā)現(xiàn)，那些使用二甲雙胍治療II型糖尿病人的腸道微生物中，艾克曼菌明顯增加，而且，那些采用低熱量飲食控制，低膽固醇，低炎癥反應(yīng)，以及胰島素敏感者的腸道微生物中，該種細(xì)菌的含量都明顯增高。這些研究結(jié)果提示，艾克曼菌可能具有潛在治療肥胖、II型糖尿病和其它相關(guān)紊亂性疾病的作用。初步的人群實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人可以安全使用巴氏德消毒處理的艾克曼菌，進(jìn)一步的相關(guān)人體干預(yù)效果的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。另外，也有研究表明，艾克曼菌的存在有利于免疫檢查點(diǎn)抑制劑抗腫瘤應(yīng)答和緩解肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）疾病進(jìn)程的作用。

 

2019年《自然》雜志以“人腸道微生物組學(xué)研究”為主題發(fā)表�？�，專門介紹了過(guò)去約350年來(lái)，人微生物組學(xué)研究領(lǐng)域的創(chuàng)立與發(fā)展中的25個(gè)里程碑研究成果。通過(guò)回顧過(guò)去腸道微生物研究領(lǐng)域所取得的進(jìn)展，不僅讓我們關(guān)注與了解腸道菌群的組成本身，這些菌群與人健康和疾病的相關(guān)性，以及人體表內(nèi)促進(jìn)健康微生物群的存在等；而且，更加重要的是，還有關(guān)于研究人腸道微生物群及其在人健康/疾病中，發(fā)揮其功能效應(yīng)的整體作用機(jī)制。

 

在這25個(gè)里程碑的研究成果中，我以為與腸道微生物移植小鼠模型研究直接相關(guān)的有如下：1965年應(yīng)用無(wú)菌小鼠開(kāi)展腸道微生物移植小鼠實(shí)驗(yàn)；1996年以DNA測(cè)序分析為基礎(chǔ)的鑒定人相關(guān)微生物群技術(shù)；2006年通過(guò)移植微生物群傳遞宿主表型； 2007年細(xì)菌種植抗性的作用機(jī)制；2010年生物信息工具促進(jìn)分析微生物測(cè)序資料；2011年微生物-腸-腦軸理論的提出；2015年宿主靶向藥物影響微生物群；2018年人微生物影響癌癥治療應(yīng)答；2019年宏基因組技術(shù)成為全新的人相關(guān)微生物群的分析與鑒定等。其中，我認(rèn)為無(wú)菌小鼠和宏基因組測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，是開(kāi)展腸道微生物移植小鼠模型與人疾病相關(guān)性研究的兩項(xiàng)關(guān)鍵里程碑進(jìn)展。

 

Q：無(wú)菌小鼠的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，請(qǐng)俞博士為大家分享一下什么是無(wú)菌小鼠？無(wú)菌小鼠有哪些特征？

 

俞博士：無(wú)菌小鼠是應(yīng)用目前監(jiān)測(cè)方法，在小鼠體內(nèi)無(wú)法檢測(cè)到任何微生物（包括細(xì)菌，真菌，病毒和寄生蟲(chóng)等除內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒外）的存在。為了防止任何微生物的可能污染，無(wú)菌小鼠的飼養(yǎng)與無(wú)菌狀態(tài)的維持，必須在嚴(yán)格的無(wú)菌飼養(yǎng)操作程序和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉悠窓z測(cè)要求，以及嚴(yán)格監(jiān)控的隔離器條件下操作實(shí)施。

 

與常規(guī)實(shí)驗(yàn)室小鼠比較，無(wú)菌小鼠具有某些解剖與生理學(xué)等方面的特征，比如，無(wú)菌小鼠有較大的盲腸（約大4-8倍），較輕的體重但較多飲水量，較低的基礎(chǔ)代謝率，較慢的腸蠕動(dòng)與較低的小腸通透性，較不規(guī)則腸絨毛，較弱的腸上皮細(xì)胞再生能力，較小的肝臟，較少的血容量與增加的膽固醇含量，以及較弱的免疫系統(tǒng)等；且對(duì)通常高脂飲食引起肥胖不敏感；某些腫瘤易感小鼠（如某些基因修飾小鼠）經(jīng)無(wú)菌化后，成為腫瘤不易感小鼠等。無(wú)菌小鼠這些相應(yīng)的生理學(xué)功能與特征是可以通過(guò)自體糞便菌群移植獲得重建，從而極大促進(jìn)了腸道微生物在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展。1960年代，由于無(wú)菌小鼠生產(chǎn)供應(yīng)成功，使其在揭示腸道微生物對(duì)宿主飲食需求方面（比如維生素合成等領(lǐng)域）的營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究方面，首先成為成熟可靠的研究工具。

 

應(yīng)用無(wú)菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型，即將人腸道微生物樣品移植無(wú)菌小鼠體內(nèi)，已經(jīng)逐步成為當(dāng)前研究腸道微生物影響作用的有效方法與策略。由于該研究方法可以提供“模擬人腸道微生物系統(tǒng)”，因而被廣泛應(yīng)用于健康與疾病的許多相關(guān)研究，并成為探索腸道微生物與疾病相關(guān)性和驗(yàn)證因果關(guān)系的金標(biāo)準(zhǔn)方法。

 

無(wú)菌小鼠已經(jīng)是并將繼續(xù)是研究腸道微生物與宿主之間相互功能關(guān)系的不可替代的工具。雖然，如同其他動(dòng)物模型一樣，由小鼠模型獲得結(jié)果相對(duì)于人群而言，其可比性與實(shí)用性肯定還是需要更多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而，無(wú)菌小鼠以及腸道微生物移植小鼠模型的早期研究，已經(jīng)為腸道微生物研究及其腸道微生物在宿主中發(fā)揮的重要作用方面等許多研究領(lǐng)域，起到了巨大推動(dòng)和促進(jìn)作用。

 

美國(guó)Taconic生物科技公司作為全球首個(gè)無(wú)菌小鼠的商業(yè)供應(yīng)商，首先于1961年在全球開(kāi)始生產(chǎn)與提供無(wú)菌小鼠。目前Taconic提供的無(wú)菌小鼠品系有近交系C57BL/6和BALB/c，以及遠(yuǎn)交系Swiss Webster等。 賽業(yè)生物近來(lái)與Taconic合作，將這些無(wú)菌小鼠品系引進(jìn)，并在國(guó)內(nèi)飼養(yǎng)繁殖與生產(chǎn)，為國(guó)內(nèi)腸道微生物與人相關(guān)疾病研究領(lǐng)域提供高質(zhì)量的無(wú)菌小鼠相關(guān)技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)品，以提高和促進(jìn)相關(guān)科學(xué)研究的質(zhì)量與水平。

 

Q：那么小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上有什么不同呢？

 

俞博士：小鼠和人在生理與解剖結(jié)構(gòu)是有較大的相似性，這也是為什么小鼠模型可以被生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域廣泛接受的原因之一。 雖然，小鼠和人的胃腸腔組織器官在解剖結(jié)構(gòu)上也更加相似，但還是存在一定的不同，這可能與他們的消化食物，喂養(yǎng)與飲食方式，體型大小，以及代謝需求等多因素的差異造成的。

 

小鼠和人小腸的整體表面積的平均比相似，但在腸道不同部位的比例兩者卻相差較大。比如，小鼠小腸與大腸的平均長(zhǎng)度比是2.5，而人則是7。小鼠小腸與大腸平均表面比是18，而人是400。相對(duì)于整個(gè)胃腸腔而言，小鼠盲腸則明顯較大。小鼠盲腸是植物類食品發(fā)酵、食糞重新吸收過(guò)程產(chǎn)生維生素K和B的重要地方。相反，人盲腸相對(duì)較小，其解剖結(jié)構(gòu)與結(jié)腸相似，也無(wú)明確功能。這種形態(tài)上的差異性，反映了小鼠為適應(yīng)擴(kuò)充的結(jié)腸和盲腸能力形成的功能區(qū)域，使該特殊結(jié)構(gòu)部位能從相對(duì)大量不容易消化的食物中，獲取更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。人有闌尾，小鼠卻沒(méi)有。闌尾被認(rèn)為是食物選擇壓力下的盲腸殘余部分。闌尾也有被認(rèn)為是腸道微生物紊亂后，可作為有益細(xì)菌在此處儲(chǔ)存復(fù)蘇的地方。

 

小鼠小腸絨毛較人小腸絨毛要高，如此形態(tài)特征增加了小鼠小腸的表面積，被認(rèn)為是對(duì)小鼠小腸缺乏粘膜皺襞的補(bǔ)償機(jī)制。小鼠結(jié)腸無(wú)分節(jié)而比較光滑，而人大腸則有小鼠結(jié)腸沒(méi)有的區(qū)域小袋結(jié)構(gòu)。在人類，食物碳水化物的發(fā)酵是在大腸進(jìn)行的，而非在盲腸或者闌尾。

 

這些小鼠和人在腸道組成結(jié)構(gòu)方面的不同，特別是關(guān)于小鼠盲腸表現(xiàn)出的更大發(fā)酵能力特征，有可能影響到腸道微生物在結(jié)腸多樣性與構(gòu)成。腸道微生物不僅參與難以消化食物成份的發(fā)酵過(guò)程，而且也有助于宿主生產(chǎn)必需的補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物（如維生素K和B）及短鏈脂肪酸(SCFAs)。

 

另外，除了肉眼可見(jiàn)的形態(tài)上不同，在顯微鏡下，小鼠和人小腸也可見(jiàn)結(jié)構(gòu)上的不同。小鼠結(jié)腸無(wú)明顯可見(jiàn)亞粘膜的薄粘膜層，而人結(jié)腸則覆蓋有較厚的粘膜層。而且，人結(jié)腸粘膜都存在橫向褶皺結(jié)構(gòu)（如此結(jié)構(gòu)只存在于小鼠盲腸與近端結(jié)腸處）。這些在結(jié)腸部位的微小組成與結(jié)構(gòu)上的不同，也可能間接反映了不同宿主之間出現(xiàn)的不同腸道微生物群組成和多樣性的生態(tài)特征。

 

在細(xì)胞水平上，小鼠和人也存在許多不同之處。首先，表現(xiàn)為在生產(chǎn)黏蛋白goblet細(xì)胞，小鼠的goblet細(xì)胞主要存在于小腸底層和結(jié)腸近端的表面。相反，人的該類細(xì)胞在盲腸到直腸都非常多。其次，小鼠Paneth細(xì)胞主要集中在盲腸，人該類細(xì)胞卻多見(jiàn)于盲腸和結(jié)腸。另外，小鼠和人Paneth細(xì)胞分泌防御肽（defensin) 數(shù)量與儲(chǔ)存方面也有差異，提示小鼠和人在局部免疫反應(yīng)上可能存在的差異，有可能影響到其腸道微生物組成與多樣性。

 

總之，哺乳動(dòng)物的消化道是非常保守的，不同種系間的主要差異可能與不同飲食結(jié)構(gòu)等生活方式有關(guān)。如果按雜食動(dòng)物特性分析，小鼠和人還是有許多共性成分。但是，相對(duì)于小鼠，人在進(jìn)化過(guò)程中，形成了較小的盲腸，相對(duì)較長(zhǎng)的小腸。這些組成結(jié)構(gòu)上的不同并不是說(shuō)明，小鼠模型作為研究宿主與微生物間相互作用方面沒(méi)有價(jià)值， 只是我們?cè)趯?duì)小鼠和人的腸道微生物組成方面研究結(jié)果進(jìn)行直接對(duì)比時(shí)候，需要慎重小心，因?yàn)樗拗骱臀⑸�物間的共生與進(jìn)化狀態(tài)，可能會(huì)受到這些解剖結(jié)構(gòu)上差異的影響。

 

Q：前面提到，小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上存在不少差異，為什么說(shuō)應(yīng)用無(wú)菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型進(jìn)行人類疾病研究仍然是有效方法，小鼠與人健康腸道微生物群組成上有哪些特征？

 

俞博士：一般而言， 小鼠和人腸道微生物主要可分為兩大菌門，即擬桿菌門（革蘭氏陰性，非芽孢厭氧菌）和厚壁菌門（革蘭氏陽(yáng)性，芽孢厭氧菌）。如果進(jìn)一步分類，小鼠腸道微生物與人腸道微生物在細(xì)菌屬分的相似性只有約15%。當(dāng)然，由于研究技術(shù)與分析方面等的差異也影響了小鼠和人腸道微生物組成的比較。通常小鼠腸道微生物研究是分析盲腸內(nèi)容物。而多數(shù)人相關(guān)研究則是分析糞便樣本，且多數(shù)分析人腸道微生物構(gòu)成是來(lái)自16S rDNA和宏基因組兩種測(cè)序技術(shù)的研究結(jié)果， 而應(yīng)用16S rDNA測(cè)序技術(shù)分析小鼠樣品則通常被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)選擇方法。

 

如果排除以上可能的影響因素，選擇都是應(yīng)用16S rDNA測(cè)序技術(shù)研究方法，對(duì)五個(gè)小鼠糞便樣本與四個(gè)公開(kāi)的成年健康人數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有79菌屬可以在小鼠和人腸道微生物中找到，但在主要菌屬的數(shù)量豐度上卻存在較大不同。

 

在腸道微生物組成比較研究中，對(duì)于出現(xiàn)的主要種屬間差異變化的研究報(bào)道，人們需要非常清醒意識(shí)到，許多因素都可能影響到研究結(jié)果的可靠性，比如，研究分析技術(shù)上差異性，人群構(gòu)成不同，小鼠飼養(yǎng)環(huán)境，小鼠品系，樣品處理操作，處理技術(shù)和分析方法等。

 

關(guān)于小鼠腸道核心微生物的定義, 即每個(gè)小鼠個(gè)體腸道微生物都可能包含的分類群。通過(guò)對(duì)來(lái)自六個(gè)小鼠腸道微生物數(shù)據(jù)的比較分析發(fā)現(xiàn)，小鼠的腸道的核心微生物為4個(gè)菌屬。而來(lái)自124個(gè)歐洲人群的研究表明，有90%的研究人群中都包含9個(gè)菌屬。這些研究結(jié)果提示，小鼠腸道核心微生物菌屬可能較人的要少，但如此結(jié)論還需要更多的研究證實(shí)，以排除可能因?yàn)闇y(cè)序不夠完全造成的誤差因素。

 

腸道菌集群（即腸型)的存在，是人腸道微生物個(gè)體多樣性研究中的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。雖然，關(guān)于人群中這些所謂腸型的識(shí)別程度仍有爭(zhēng)議，但將腸道微生物的腸型作為有用的區(qū)分工具的共識(shí)，正在不斷上升。對(duì)實(shí)驗(yàn)室小鼠的腸道微生物群進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)有所謂的腸型存在。目前還不清楚是什么原因造成了小鼠和人群個(gè)體具有這種腸型特征，但如果平行比較小鼠和人群間腸型，可以較容易分別找到相對(duì)應(yīng)的腸型。比如，一個(gè)小鼠的腸型是由 Lachnospiraceae/Ruminococcaceae 菌種主導(dǎo)，與人的 Ruminococcaceae腸型（也被稱之為腸型3）相似。另外一個(gè)小鼠的腸型是由Bacteroidaceae/Enterobacteriaceae主導(dǎo)，這與人的 Bacteroides enterotype腸型（或腸型1）相似。研究已發(fā)現(xiàn)，菌種豐度和炎癥是與實(shí)驗(yàn)室小鼠的腸型有相關(guān)性，比如，Bacteroidaceae/ Enterobacteriaceae菌低豐度腸型的小鼠，多表現(xiàn)為炎癥標(biāo)記物鈣結(jié)合蛋白的升高。這與近來(lái)的人群肥胖研究中的結(jié)果也是一致， 即Bacteroidetes and Proteobacteria主導(dǎo)菌種（與小鼠個(gè)體中所謂“炎癥”腸型相似）的低豐度的個(gè)體更傾向于容易發(fā)生炎癥。

 

總之，目前的研究結(jié)果表明，小鼠和人的腸道微生物中，特殊菌屬/菌種豐富性組成和程度上是有一定差異的。 這些本質(zhì)上明顯不同，可能是由兩種哺乳動(dòng)物系統(tǒng)造成的，也許與其他的包括從飲食到致病菌的暴露等各種復(fù)雜影響因素有關(guān)。總體而言，小鼠和人腸道微生物群組成規(guī)則及相關(guān)影響因素可能是相似的（比如腸型）。因此，雖然在他們之間進(jìn)行絕對(duì)比較是較為困難的，但小鼠模型還是可以作為研究微生物變化，以及破壞改變過(guò)程的相關(guān)影響因素的可行選擇。另外，這也間接提示了應(yīng)用人腸道微生物移植無(wú)菌小鼠，建立腸道微生物人源化小鼠模型在開(kāi)展人相關(guān)疾病研究的必要性與現(xiàn)實(shí)意義。

 

對(duì)于小鼠和人群腸道微生物菌屬組成研究的結(jié)果分析與比較，考慮到許多影響因素的存在，包括選擇研究群體的數(shù)量與年齡，小鼠品系與不同人群選擇，不同實(shí)驗(yàn)室中不同微生物群資源庫(kù)，當(dāng)前使用的研究技術(shù)（比如測(cè)序的深度），以及腸道微生物群研究中的其它實(shí)際因素。另外，相對(duì)于健康野生小鼠，在無(wú)特殊致病菌（SPF）多代繁殖情況下的小鼠，其腸道微生物群的多樣性可表現(xiàn)為下降的現(xiàn)象。因此，在提出不同研究結(jié)論的時(shí)候，一定要謹(jǐn)慎小心。

 

Q：近年來(lái)，無(wú)菌小鼠在研究腸道微生物與人相關(guān)疾病相關(guān)性方面有哪些進(jìn)展？

 

俞博士：Jeff Gordon團(tuán)隊(duì)首先應(yīng)用無(wú)菌小鼠證實(shí)腸道微生物群與人肥胖間的因果關(guān)系，他們的研究結(jié)果表明，無(wú)菌小鼠在接受來(lái)自肥胖者的腸道微生物移植后，小鼠的體重增加，而接受非肥胖者的腸道微生物移植小鼠，體重則無(wú)改變。并且提示，這種腸道微生物與宿主之間的相互作用可能與結(jié)合G蛋白受體的短鏈脂肪酸有關(guān)。

 

近十年來(lái)，關(guān)于腸道微生物對(duì)人體大腦及行為因果關(guān)系的相關(guān)分子機(jī)制的研究得到進(jìn)一步證實(shí)。應(yīng)用幼年小鼠研究表明，緊張壓力可改變小鼠腸道微生物的組成，且腸道致病菌也能影響到宿主行為。比如，通過(guò)將焦慮和腹瀉病人的糞便移植到無(wú)菌小鼠體內(nèi)，小鼠也表現(xiàn)有易激腸道綜合癥，并伴隨焦慮癥狀的出現(xiàn)。

 

應(yīng)用無(wú)菌小鼠研究表明，與SPF小鼠對(duì)照比較，無(wú)菌小鼠表現(xiàn)為較低的焦慮行為。表現(xiàn)為無(wú)菌小鼠在迷宮和明暗箱的試驗(yàn)中，呆在開(kāi)闊和明亮區(qū)域的時(shí)間都更長(zhǎng)。而無(wú)菌小鼠的后代，在接受SPF小鼠的糞便移植后，則與SPF對(duì)照小鼠有相似的行為表現(xiàn)，揭示腸道微生物可能參與小鼠腦功能發(fā)育的特殊時(shí)期。

 

最近有關(guān)于腸道微生物與負(fù)面情緒相關(guān)性的研究探索，通過(guò)將小鼠腸道微生物移植無(wú)菌小鼠體內(nèi)，驗(yàn)證微生物可能對(duì)情緒發(fā)揮的影響作用。研究者發(fā)現(xiàn)，那些接受來(lái)自高脂肪飲食小鼠腸道菌群的小鼠，開(kāi)始出現(xiàn)與焦慮和偏執(zhí)行為相關(guān)的活動(dòng)增加。然而，如果小鼠接受來(lái)自高脂肪食物，但卻在飲用水加了抗生素的小鼠腸道菌群，則沒(méi)有這些負(fù)面情緒表現(xiàn)。提示腸道微生物可能參與這些行為表現(xiàn)。目前，研究者正在尋找參與此過(guò)程的特殊菌群，以及引起作用的相關(guān)分子，以最終實(shí)現(xiàn)找到新藥，或者補(bǔ)充替代物，實(shí)現(xiàn)為大腦提供健康有利的代謝物組合。

 

也有研究證實(shí)，遺傳修飾的Parkinson’s疾病易感模型小鼠（如核突觸蛋白過(guò)表達(dá)），經(jīng)無(wú)菌化處理后，與非無(wú)菌化該模型小鼠比較，其相關(guān)Parkinson疾病癥狀消失。同樣，無(wú)菌小鼠在移植Parkinson’s病人糞便后，這類小鼠與移植正常人腸道微生物的小鼠相比，表現(xiàn)有明顯神經(jīng)退行性疾病癥狀， 揭示腸道微生物在該疾病模型中發(fā)揮著非常重要的作用。這種因果概念證實(shí)的研究，將成為由假設(shè)驗(yàn)證的研究工作，轉(zhuǎn)化為揭示疾病發(fā)生機(jī)制，以及最終提供治療靶點(diǎn)的基礎(chǔ)。

 

另外，也有腸道微生物與行為變化相關(guān)的研究表明，BALB/c無(wú)菌小鼠（通常表現(xiàn)為膽怯）在移植不同小鼠品系的腸道微生物后，與接受自身腸道微生物移植BALB/c小鼠比較，表現(xiàn)為更具有探險(xiǎn)行為。

 

關(guān)于腸道微生物與哮喘發(fā)生之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)嬰兒糞便進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，100天嬰兒糞便中缺乏四種FLVR細(xì)菌（Faecalibacterium，Lachnospira, Veillonella, and Rothia）是哮喘發(fā)生的危險(xiǎn)因素。研究證實(shí)，將哮喘病人糞便同時(shí)添加這四種FLVR細(xì)菌移植無(wú)菌小鼠后，與直接移植哮喘病人糞便比較，無(wú)菌小鼠后代出現(xiàn)哮喘相關(guān)表型明顯降低。

 

最新研究也表明，臨床上免疫檢查點(diǎn)抑制劑（ICI)的主要耐受作用與病人腸道微生物的異常組成有關(guān)。比如，臨床上發(fā)現(xiàn)，使用抗生素治療的腫瘤病人對(duì)ICI的應(yīng)答效果明顯降低。應(yīng)用腸道微生物移植小鼠模型的研究表明，與移植ICI敏感腫瘤病人的糞便移植無(wú)菌小鼠比較，移植ICI不敏感病人糞便的無(wú)菌小鼠對(duì)PD1抗腫瘤效果也明顯不佳。借助宏基因組測(cè)序技術(shù)，分析病人的糞便樣本發(fā)現(xiàn)，臨床上對(duì)ICI反應(yīng)應(yīng)答與病人腸道微生物中含艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的豐度相關(guān)，并且證實(shí)，無(wú)菌小鼠在移植添加有艾克曼菌的ICI不敏感病人的糞便后，PD-1白介素12依賴的抗腫瘤治療效果能最新恢復(fù)。

 

無(wú)菌小鼠及腸道微生物移植小鼠模型是研究腸道微生物-宿主間相互作用非常重要且有效的實(shí)驗(yàn)工具。在基因修飾小鼠的基礎(chǔ)上，構(gòu)建相應(yīng)無(wú)菌化小鼠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定基因與腸道微生物之間相互作用機(jī)制的進(jìn)行研究。而且，通過(guò)移植人腸道微生物建立的人源化小鼠模型，從而再現(xiàn)獨(dú)特人腸道微生物組成。這類小鼠模型的建立，為闡明腸道微生物在人相關(guān)疾病形成過(guò)程中的因果/影響作用，提供了強(qiáng)有力的工具。

 

在研究腸道微生物-宿主相互作用機(jī)制中，需要回答的主要問(wèn)題包括：（1）. 腸道微生物定植是如何建立與維持？（2）. 這些腸道微生物是如何對(duì)宿主發(fā)揮影響作用？（3）. 宿主又是如何影響這些腸道微生物組成？（4）. 這些腸道微生物是如何影響疾病形成與發(fā)展？雖然，小鼠模型已經(jīng)證明是非常有用與有效的研究工具，但由其研究獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不能直接轉(zhuǎn)化到人體的。因?yàn)樵谔剿髋c回答腸道微生物改變與人相關(guān)疾病之間相互作用關(guān)系的時(shí)候，關(guān)于腸道微生物是如此相互作用的原因，或者僅僅是疾病狀態(tài)的結(jié)果反映等，常常仍然難以明確判斷。

 

由于小鼠模型本身與人體之間存在不同程度的差異，因此，在設(shè)計(jì)與開(kāi)展人腸道微生物移植小鼠模型實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候，必須考慮到如何控制由實(shí)驗(yàn)操作方面等影響因素造成的實(shí)驗(yàn)間的變化差異，比如小鼠來(lái)源，母鼠影響，環(huán)境因素（包括食物成分、光線、壓力因素、致病菌感染等），遺傳背景，以及結(jié)果分析方法，以提高和確保研究結(jié)果的可重復(fù)性與可靠性。

 

總之，無(wú)菌小鼠與腸道微生物移植人源化小鼠模型的成功應(yīng)用，為研究者控制與操作人腸道微生物，有效分析健康人群與疾病患者腸道微生物作用的因果關(guān)系提供了有效工具，對(duì)深入了解與探討疾病發(fā)生原因及機(jī)制具有非常重要的價(jià)值和意義，也有助于針對(duì)相關(guān)疾病提出明確的預(yù)防或治療的相應(yīng)對(duì)策。

 

俞曉峰 博士，高級(jí)科學(xué)家

 

俞曉峰博士現(xiàn)任賽業(yè)模式生物副總裁、高級(jí)科學(xué)家，負(fù)責(zé)基因修飾模式動(dòng)物的研發(fā)與技術(shù)服務(wù)等工作。

 

俞博士在遺傳基因模式動(dòng)物領(lǐng)域有超過(guò)20年研發(fā)與管理等方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，在干細(xì)胞相關(guān)領(lǐng)域及哺乳動(dòng)物細(xì)胞系基因改造研究也取得了巨大成就，其研究成果多次發(fā)表在Nature Immunology、Hum Mol Genet、Mol Cell Biol等高水平雜志上。加入賽業(yè)生物前，俞博士2010-2013年任職于美國(guó)應(yīng)用干細(xì)胞（ASC）公司，擔(dān)任研發(fā)總監(jiān)，負(fù)責(zé)基因修飾模式動(dòng)物的研發(fā)與定制服務(wù)，并在中國(guó)子公司斯坦福生物科技擔(dān)任副總裁一職。2009-2010任紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員。

 

2003-2009期間任職于美國(guó)基因打靶公司（iTL），作為資深科學(xué)家和項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)參與了基因修飾小鼠模型研發(fā)方案與策略設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、技術(shù)人員指導(dǎo)與培訓(xùn)、以及客戶服務(wù)和技術(shù)咨詢等方面工作，2007年起負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)了p53基因不同點(diǎn)突變的人源化腫瘤小鼠模型庫(kù)項(xiàng)目。2000年任美國(guó)耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究員。1995年獲得軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院博士學(xué)位。