Измененная флора Шедлера

Измененная флора Шедлера (ASF) представляет собой сообщество из восьми видов бактерий : двух лактобацилл , одного бактероида , одной спиральной бактерии рода Flexistipes и четырех чрезвычайно чувствительных к кислороду (EOS) веретенообразных видов. [1] [2] [3] Бактерии выбираются за их доминирование и устойчивость в нормальной микрофлоре мышей , а также за их способность выделяться и выращиваться в лабораторных условиях. Безмикробные животные , в основном мыши, колонизируются ASF с целью изучения желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) . Кишечные мутуалистические бактерии играют важную роль в воздействии на экспрессию генов ЖКТ, иммунные реакции , усвоение питательных веществ и устойчивость к патогенам . [4] Стандартизированный микробный коктейль позволил провести контролируемое исследование взаимодействий микробов и хозяина, роли микробов, эффектов патогенов, а также кишечного иммунитета и ассоциации заболеваний, таких как рак , воспалительные заболевания кишечника , диабет и другие воспалительные или аутоиммунные заболевания . Кроме того, по сравнению с животными, не имеющими микробов, мыши с АЧС имеют полностью развитую иммунную систему, устойчивость к условно-патогенным микроорганизмам , нормальную функцию желудочно-кишечного тракта и здоровье и являются прекрасными представителями нормальных мышей. [2] [3] [5]

История

Желудочно-кишечный тракт особенно трудно изучать из-за его сложного взаимодействия хозяина и патогена. При наличии 10 7 -10 11 бактерий, более 400 видов и различий между особями существует множество осложнений при изучении нормальной желудочно-кишечной системы. [3] [4] Например, проблематично приписать биологическую функцию конкретным микробам и структуре сообщества, а также исследовать соответствующие иммунные реакции. Кроме того, для повторения экспериментов необходимо контролировать различные микробиомы мышей. Безмикробные мыши и мыши без специфических патогенов (SPF) полезны для решения некоторых проблем, но недостаточны во многих областях. Безмикробные мыши не являются хорошим представлением нормальных мышей, с проблемами увеличенной слепой кишки , низкой репродуктивной способностью, плохо развитой иммунной системой и сниженным здоровьем. Мыши SPF по-прежнему содержат различную микробиоту, только без определенных известных видов патогенов. [2] [3] [5] В научной области существует потребность в известной бактериальной смеси, которая необходима и достаточна для здоровых мышей.

В середине 1960-х годов доктор медицины Рассел В. Шедлер выделил и вырастил бактерии из обычных и SPF лабораторных мышей. [3] Аэробные и менее чувствительные к кислороду анаэробные бактерии легко культивировать . Веретенообразные анаэробы и другие бактерии EOS гораздо сложнее культивировать, хотя они представляют большую часть нормальной микробиоты грызунов. Он выбрал бактерии, которые доминировали и могли быть выделены в культуре, а затем колонизировал мышей без микробов различными комбинациями бактерий. Например, одна комбинация могла включать Escherichia coli , Streptococcus fecalis , Lactobacillus acidophilus , L. salivarius , Bacteroides distasonis и веретенообразный Clostridium spp. , [3] Определенная определенная микрофлора способна восстанавливать мышей без микробов, делая их похожими на нормальных мышей с уменьшенным объемом слепой кишки, восстановленной репродуктивной способностью, устойчивостью к колонизации и хорошо развитой иммунной системой. Так называемая флора Шедлера, определенные комбинации микрофлоры широко использовались в гнотобиологических исследованиях. [2] [5]

В 1978 году Национальный институт рака обратился к Роджеру Оркатту из Charles River Laboratories, чьим научным руководителем был доктор Шедлер, с просьбой пересмотреть новую микрофлору для стандартизации всех его ядерных запасов и штаммов мышей, поддерживаемых в изоляторах. [3] В том, что было названо «измененной флорой Шедлера», четыре бактерии исходной смеси были сохранены из исходной микрофлоры «коктейля Шедлера»: две лактобациллы, бактероиды и веретенообразная бактерия EOS. Были добавлены еще четыре бактерии из изолятов микробиома: спирохетовая бактерия и три новых веретенообразных бактерии EOS. [2] [3] [5] Из-за ограниченных технологий того времени было мало что известно о конкретных бактериальных родах и видах. Эти бактерии являются устойчивыми и доминирующими в желудочно-кишечном тракте нормальных и SPF мышей. Подтверждение наличия правильной микробиоты ограничивалось рассмотрением морфологии (биологии) клеток , биохимических признаков и характеристик роста [3].

Доктор Оркатт посетовал, что он бы включил сегментированную нитчатую бактерию тонкого кишечника мышей в измененную флору Шедлера, которая так тесно связана с иммунной системой хозяина, если бы ее можно было культивировать in vitro. Однако и по сей день, более 40 лет спустя, ее по-прежнему можно поддерживать только in vivo, и она не поддается выделению в чистой культуре.

Бактерии

Благодаря недавним достижениям в области биотехнологии исследователи смогли определить точный род и вид бактерий АЧС с помощью анализа последовательности 16S рРНК . Идентифицированные штаммы отличаются от предполагаемых идентичностей. [3] Распределение видов бактерий в кишечнике зависит от их потребности и отвращения к кислороду, скорости потока и обилия субстрата, с изменчивостью, основанной на возрасте, поле и других микроорганизмах, присутствующих у мышей. [6] ASF 360 и ASF 361 являются лактобациллами. Лактобациллы являются палочковидными, грамположительными , аэротолерантными бактериями и обычными колонизаторами плоского эпителия желудка мышей. [3] ASF 360 считался L. acidophilus . Однако результаты 16SrRNA показали, что он тесно связан с L. acidophilus, но отличается от него . ASF 360 является новым видом лактобацилл; кластеризован с L. acidophilus и L. lactis . ASF 361 имеет почти идентичные последовательности 16S рРНК с L. murinus и L. animalis . Оба вида обычно обнаруживаются в желудочно-кишечном тракте мышей и крыс. Для более точного определения идентичности ASF 361 необходимо тщательное исследование двух видов и штаммов. ASF 361 полностью отличается от L. salivarius , как считалось ранее. ASF 360 и ASF 361 колонизируют в большом количестве в желудке, а затем отшелушиваются и перемещаются через тонкий кишечник и слепую кишку. [2] [3] [6]

ASF 519 связан с B. distasonis , видом, за который его ошибочно принимали до того, как стало доступно секвенирование РНК 16S. Однако, как и предыдущие бактерии, это отдельный вид по данным РНК 16S. Виды Bacteroides часто встречаются в желудочно-кишечном тракте млекопитающих и включают неподвижные , грамотрицательные , анаэробные, палочковидные бактерии. В последнее время многие виды Bacteroides признаются фактически принадлежащими к другим родам, таким как Porphyromonas и Prevotella. В случае ASF 519 он принадлежит к недавно названному роду Parabacteroides, наряду с бактериями, ранее известными как [B.] distasonis, [B.] merdae , группа CDC DF-3 и [B.] forsythus . [3]

Спиралевидный облигатный анаэроб ASF 457 можно обнаружить в небольших количествах в тонком кишечнике и в высокой концентрации в толстом кишечнике. Эта бактерия связана с G. ferrireducens, Deferribacter thermophilus и Flexistipes sinusarabici . ASF 457 позже был назван Mucispirillum schaedleri . Вид связан с типом Flexistipes с изолятами окружающей среды, восстанавливающими железо. [3]

Веретенообразные бактерии EOS составляют подавляющее большинство аутохтонной кишечной микробиоты и в основном встречаются в толстом кишечнике. Они значительно превосходят по численности факультативные анаэробные и аэробные бактерии. [6] Все четыре веретенообразных анаэроба относятся к группе грамположительных бактерий с низким содержанием G+C. ASF 356 относится к роду Clostridium, тесно связан с Clostridium propionicum . ASF 502 наиболее связан с Ruminococcus gnavus . ASF 492 подтверждается последовательностями 16S рРНК как Eubacterium plexicaudatum и тесно связан с Roseburia ceciola . ASF 356, ASF 492 и ASF 502 являются частью грамположительных бактерий с низким содержанием G+C кластера Clostridium XIV. ASF 500 – это более глубокая ветвь низкогликанцевых и грамположительных бактерий группы Firmicutes, Bacillus-Clostridium, но в базе данных GenBank по этой ветви кластера Clostridium можно найти немного [2] [3]

Модели мышей

Только мыши были колонизированы АЧС в экспериментах, поскольку бактерии АЧС происходят из кишечного микробиома мышей. Безмикробные мыши колонизируются АЧС одним из двух методов. Чистую культуру каждой живой бактерии АЧС можно выращивать в анаэробных условиях в лабораторных условиях. Сначала безмикробным мышам через зонд вводят лактобациллы и бактероиды, чтобы создать микробную среду в желудочно-кишечном тракте, которая затем поддерживает колонизацию спиралевидных и веретенообразных бактерий, которые вводятся позже. Альтернативный способ - инокуляция питьевой воды безмикробных мышей свежими фекалиями из слепой кишки и толстой кишки гнотобиотических мышей (мышей АЧС) в течение четырех дней. [2] [5] [7] Установление и концентрация каждого вида бактерий немного различаются в зависимости от возраста, пола и условий окружающей среды мышей. [8]

Экспериментальные результаты подтверждают доминирование и устойчивость АЧС у колонизированных мышей даже после четырех поколений. [7] Мышей можно лечить по тем же стандартам, что и стерильных мышей, например, стерилизованная вода, стерильная среда и осторожное обращение. Хотя это обеспечивает определенное распространение АЧС в кишечнике мышей, это трудоемко и не является хорошим представлением физиологических условий. Мышей АЧС также можно выращивать в тех же условиях, что и обычных мышей, поскольку они устраняют иммунологические, патологические и физиологические слабости стерильных мышей. [2] [5] Мыши АЧС могут поддерживать восемь видов бактерий в нормальных условиях. Однако со временем могут происходить изменения штаммов бактерий и введение небольших количеств других комменсальных, мутуалистических или патогенных микробов. [7] [8] [9] Изогенные мыши, которые живут вместе, показали небольшие различия в профиле АЧС, в то время как помет, разделенный между разными клетками, показал расхождение в штаммах бактерий. Однако после того, как сообщество АЧС сформировалось, оно остается весьма стабильным с течением времени без каких-либо экологических или жилищных нарушений [8] [9]

Использование в исследованиях

ASF можно использовать для изучения различных видов деятельности, связанных с кишечным трактом. Это включает изучение сообщества микробиома кишечника, метаболизма , иммунитета, гомеостаза , патогенеза , воспаления и заболеваний. Эксперименты по сравнению безмикробных мышей, мышей с ASF и мышей, инфицированных патогенами, могут продемонстрировать роль комменсалов в поддержании здоровья хозяина.

Гомеостаз кишечника поддерживается взаимодействием хозяина и микроба и иммунитетом хозяина. Это имеет решающее значение для переваривания пищи и защиты от патогенов. Боускра и др. изучали регуляцию кишечной флоры и иммунной системы. Они обнаружили, что IgA-продуцирующие В-клетки находятся в пейеровых бляшках, лимфоидных тканях и фолликулах кишечника, а также в брыжеечных лимфатических узлах. Они использовали ASF для проверки созревания лимфоидных фолликулов в крупные кластеры В-клеток с помощью сигналов толл-подобных рецепторов. [10] В другом исследовании врожденная система обнаружения генерирует адаптивную иммунную систему для поддержания гомеостаза кишечника. Гейкинг и др. изучали роль регуляторных Т-клеток в ограничении вызванного микробами воспаления кишечника и Т-клеточного компартмента. Используя ASF, они обнаружили, что колонизация кишечника приводит к активации и образованию клеток Treg толстой кишки. У мышей без микробов доминирует реакция Th17 и Th1. [11]

Микроокружение бактерий очень важно в патогенезе клинического и экспериментального хронического воспаления кишечника. Уори и др. исследовали инфекцию Helicobacter rodentium и вызванный ею язвенный тифлоколит, сепсис и заболеваемость . Используя мышей с АЧС, они показали снижение прогрессирования заболевания из-за резистентности к колонизации в нижнем отделе кишечника из-за воздействия нормальной анаэробной флоры. [12] В другом резюме Фокс исследовал связь между микробиомом кишечника и началом воспалительного заболевания кишечника (ВЗК) при инфицировании H. bilis. Отмечено, что H. bilis вызывает гетерологичный иммунный ответ на флору нижнего отдела кишечника, как при активации провоспалительных цитокинов и активности дендритных клеток, так и пробиотической противовоспалительной активности из-за представления мутуалистических антигенов. Лактобациллы и бактероиды с АЧС помогают смягчить воспаление кишечника сбалансированным образом в исследованиях патогенной инфекции. [13] Помимо изучения бактериального патогена, сообщества микрофлоры, взаимодействия кишечной иммунной системы и заболеваний, ASF использовался в экспериментах по изучению передачи ретровируса. В статье Кейна и др. они обнаружили, что вирус опухоли молочной железы у мышей передается наиболее эффективно через слизистые поверхности, колонизированные бактериями. Ретровирус эволюционировал, чтобы полагаться на взаимодействие с микробиотой и толл-подобным рецептором, чтобы уклоняться от иммунных путей. [14]

Проблемы

ASF не является исчерпывающим представлением более 400 различных видов бактерий, которые обычно заселяют желудочно-кишечный тракт мышей. Даже у мышей SPF есть много видов Helicobacter и Filamentous, не включенных в ASF1. Не говоря уже о многих бактериях, которые не могли быть культивированы в лабораторных условиях из-за неадекватной среды и потребностей симбиоза. Кишечные бактерии составляют сложное микробное сообщество, которое поддерживает друг друга, а также развитие желудочно-кишечного тракта хозяина и иммунной системы.

Многие бактерии связаны специально для производства определенных метаболитов или сигнального пути, который поддерживает выживание микрофлоры. Например, уровень метаболитов гиппурата и хлорогеновой кислоты у мышей изменяется из-за микрофлоры. Путь синтеза зависит от множества видов бактерий, не все из которых присутствуют в АЧС. [15] Это ограничивает биодоступность питательных веществ как для хозяина, так и для микроба.

Для некоторых исследований метаболизма, патогенеза или микробных взаимодействий может потребоваться добавление дополнительных штаммов бактерий. Невозможно изучить полную организацию микробиома кишечника и все его вклады в систему хозяина, особенно в отношении развития заболеваний и питания, имея всего восемь микробов. Кроме того, существуют различия между мышами и человеческой микрофлорой. Поэтому существуют ограничения для исследований с использованием мышей с АЧС для описания воспалительных заболеваний человека, таких как ВЗК, артрит и рак. АЧС является лишь основой для разработки гипотез для мышей со сложной микрофлорой.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ [Фокс, Дж., Андерсон, Л., Лоу, Ф. и Куимби Ф. Медицина лабораторных животных. 2-е изд. 2002. Academic Press. 46-47.]
  2. ^ abcdefghi [Фокс, Дж., Бартольд, С., Дэвиссон, М., Ньюкомер, К., Куимби Ф. и Смит, А. Мышь в биомедицинских исследованиях. 2-е изд. 2007. Elsevier, Inc. 227-229.]
  3. ^ abcdefghijklmno [Dewhirst, F., Chien, C.-C., Paster, B., Ericson, R., Orcutt, R., Schauer, D., и Fox, J. Филогения определенной микробиоты мышей: измененная флора Шедлера. 1999. Appl. Environ, Microbiol. 65(8):3287.]
  4. ^ ab [Guarner, F., Malagelada, JR Обзор: кишечная флора в здоровье и болезни. 2003. The Lancet. 361(9356):512-219.]
  5. ^ abcdef [Фокс, Дж., Андерсон, Л., Лоу, Ф. и Куимби Ф. Медицина лабораторных животных. 2-е изд. 2002. Academic Press. 46-47.]
  6. ^ abc [Сарма-Рупавтарм, Р., Ге, З., Шауэр, Д., Фокс, Дж. и Польц, М. Пространственное распределение и стабильность восьми видов микроорганизмов измененной флоры Шедлера в желудочно-кишечном тракте мышей. 2004. Appl. Environ. Microbiol. 70(5):2791.]
  7. ^ abc [Stehr, M., Greweling, M., Tischer, S., Singh, M., Blöcker, H., Monner, D. и Müller, W. Измененная флора Шедлера, полученная в результате воздействия Charles River (CRASF ®), оставалась стабильной в течение четырех лет в колонии мышей, содержавшихся в индивидуально вентилируемых клетках. 2009. Lab Anim. 43:362.]
  8. ^ abc [Ge, Z., Feng, Y., Taylor, N., Ohtani, M., Polz, M., Schauer, D. и Fox, J. Динамика колонизации измененной флоры Шедлера зависит от пола, возраста и инфекции Helicobacter hepaticus в кишечнике мышей Swiss Webster. 2006. Appl. Environ, Microbiol. 72(7):5100.]
  9. ^ ab [Александр, А., Оркатт, Р., Генри, Дж., Бейкер, Дж., Биссахойо, А. и Тредгилл, Д. Количественные ПЦР-анализы кишечной флоры мышей выявляют штаммозависимые различия в составе, на которые влияет микроокружение. 2006. Геном млекопитающих. 17(11):1093-1104. ]
  10. ^ [Боускра Д., Брезиллон К., Берар М., Вертс К., Варона Р., Бонека И.Г. и Эберл Г. Генезис лимфоидной ткани, индуцированный комменсалами через NOD1, регулирует гомеостаз кишечника. 2008. Природа. 456(7221):507-510.]
  11. ^ [Geuking, M., Cahenzli, J., Lawson, M., Ng, D., Slack, E., Hapfelmeier, S., McCoy, K. и Macpherson, A. Колонизация кишечных бактерий индуцирует мутуалистический регуляторный ответ Т-клеток. 2011. Иммунитет. 34:794-806.]
  12. ^ [MT Whary, SJ Danon, Y. Feng, Z. Ge, N. Sundina, V. Ng, NS Taylor, AB Rogers и JG Fox. Быстрое начало язвенного тифлоколита у мышей B6.129P2-IL10tm1Cgn (IL-10-/-), инфицированных Helicobacter trogontum, связано с уменьшением колонизации измененной флорой Schaedler. 2006. Infect. Immun. 74(12):6615.]
  13. ^ [Фокс, Дж. Г. Helicobacter bilis : бактериальный провокатор управляет иммунными реакциями хозяина на комменсальную флору в модели воспалительного заболевания кишечника. 2007. Gut. 56:898-900.]
  14. ^ [Кейн, М., Кейс, Л., Копаски, К., Козлова, А., МакДирмид, К., Червонский, А. и Головкина, Т. Успешная передача ретровируса зависит от комменсальной микробиоты. 2011. Science. 334(6053):245-249.]
  15. ^ [Rohde, C., Wells, D., Robosky, L, Manning, M., Clifford, C., Reily, M. и Robertson, D. Метабономическая оценка микрофлоры крыс, измененной по Шедлеру. 2007. Chem. Res. Toxicol. 20:1388-1392]
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Измененная_флора_Шедлера&oldid=1114264254"