如何正確使用無(wú)菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型

 

上一期我們解析了無(wú)菌小鼠的生理特點(diǎn)，比較了SPF級(jí)小鼠與無(wú)菌小鼠在腸道等方面的區(qū)別。這期我們重點(diǎn)闡述小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上的差異，以及為什么存在差異，但應(yīng)用無(wú)菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型仍然是進(jìn)行人類(lèi)疾病研究的有效方法？

 

一、小鼠和人胃腸道解剖結(jié)構(gòu)上的異同

 

小鼠和人在生理解剖結(jié)構(gòu)上有較大的相似性，這也是為什么小鼠模型被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥等研究領(lǐng)域的原因之一。雖然小鼠和人的胃腸道在解剖結(jié)構(gòu)上也更加相似，但還是存在一定的差異，這可能是由消化的食物、飲食方式、體型大小以及代謝等造成的。

 

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，小鼠盲腸明顯較大。小鼠盲腸是植物類(lèi)食品發(fā)酵、食糞重新吸收產(chǎn)生維生素K和維生素B的重要的地方。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，使該特殊的結(jié)構(gòu)部位能從大量相對(duì)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。

 

圖1. 小鼠和人胃腸道解剖結(jié)構(gòu)上的異同

 

小鼠的小腸絨毛較人的要長(zhǎng)，這種形態(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)。在人體，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。

 

圖2. 小鼠和人類(lèi)腸壁的解剖結(jié)構(gòu)

 

小鼠和人在腸道組成結(jié)構(gòu)方面的不同，特別是小鼠盲腸表現(xiàn)出的更大發(fā)酵能力的特征，有可能影響到腸道微生物在結(jié)腸的多樣性與構(gòu)成。腸道微生物不僅參與難以消化的食物成分的發(fā)酵過(guò)程，還有助于宿主產(chǎn)生必需營(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能看到結(jié)構(gòu)上的不同。 小鼠結(jié)腸由薄薄的粘膜肌組成，沒(méi)有明顯的粘膜下層，而人結(jié)腸則覆蓋有較厚的粘膜層。而且，人結(jié)腸粘膜存在橫向褶皺結(jié)構(gòu)（這種結(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)為生產(chǎn)黏蛋白的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(lèi)細(xì)胞在盲腸到直腸都非常多。其次，小鼠的Paneth細(xì)胞主要集中在盲腸，而人的Paneth細(xì)胞卻多見(jiàn)于盲腸和結(jié)腸。另外，小鼠和人的Paneth細(xì)胞在分泌防御肽（defensin) 的數(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。

 

表1. 小鼠與人胃腸道的異同

 

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。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與相對(duì)較長(zhǎng)的小腸。這些組成結(jié)構(gòu)上的不同并不是說(shuō)明小鼠模型在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)比的時(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。

 

綜上所述，小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上存在不少差異，但為什么說(shuō)應(yīng)用無(wú)菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型仍然是進(jìn)行人類(lèi)疾病研究的有效方法？小鼠與人健康腸道微生物群組成上有哪些特征？

 

二、小鼠和人腸道微生物的異同

 

一般而言，小鼠和人腸道微生物主要可分為兩大菌門(mén)，即擬桿菌門(mén)（革蘭氏陰性，非芽孢厭氧菌）和厚壁菌門(mén)（革蘭氏陽(yáng)性，芽孢厭氧菌）。如果進(jìn)一步分類(lèi)，小鼠腸道微生物與人腸道微生物在細(xì)菌菌屬的相似性只有約15%。當(dāng)然，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)的微生物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，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個(gè)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。

圖3. 基于已發(fā)表的16S rDNA測(cè)序數(shù)據(jù)的小鼠和人類(lèi)糞便微生物群的薈萃分析

 

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，人們需要非常清醒地意識(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)上的差異性、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(lèi)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)分工具逐漸達(dá)成了共識(shí)。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，可以較容易地找到相對(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(chēng)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)，菌種豐度和炎癥與實(shí)驗(yàn)室小鼠的腸型相關(guān)，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)果也是一致的， 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)體更容易發(fā)生炎癥。

 

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是有一定差異的。這些本質(zhì)上的明顯不同，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。

 

參考資料：

1. 【專(zhuān)訪】俞曉峰博士：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

2. Nguyen, T. L., Vieira-Silva, S., Liston, A. & Raes, J. How informative is the mouse for human gut microbiota research? Dis. Model. Mech. 8, 1–16 (2015).