无菌(Germ-free,GF)小鼠是指在现有的检测技术下,体内外均检不出任何活的微生物和寄生虫的小鼠。它凭借微生物空白的背景,成为研究微生物与机体生理功能的“金标准”,身价倍增,乘着肠道菌群相关研究飞速发展的列车,频繁亮相于Nature、Science、Cell等权威期刊,妥妥的走上了鼠生巅峰。
1、GF小鼠的特别之处
1.1与普通的SPF级小鼠比较:
相较于普通的SPF级小鼠,GF小鼠盲肠膨大、肠道肌层薄、肝脏和心脏缩小、先天性免疫应答减弱、对微生物感染异常敏感、代谢功能改变等。
1.2与抗生素清扫(ABX)小鼠比较:
相较于抗生素清扫(ABX)小鼠,GF小鼠微生物背景更干净,不会因抗生素的使用引起免疫反应,可以提供更长的研究窗口期。
图1 GF小鼠与SPF小鼠的解剖图(a)、成瘤性(b)、代谢(c)差异
2、GF小鼠在动物实验领域巅峰之作
2.1 Nature上无菌鼠的免疫之歌[1]
肠道是人体最大的免疫器官,肠道微生物群在免疫检查点抑制剂抗肿瘤的治疗中发挥了重要作用。Park JS等人首先比较了接种MC38的SPF小鼠与GF小鼠上,anti-PDL1对肿瘤生长的抑制作用,结果发现,SPF小鼠身上的肿瘤生长被显著抑制,但GF小鼠身上的肿瘤生长不受影响,将健康人体或小鼠的粪便移植到GF小鼠身上,anti-PDL1的抗肿瘤作用便会恢复。
图2 anti-PDL1在SPF小鼠(a)、GF小鼠(b)、分别移植人源(c)和鼠源粪便(d)的GF小鼠身上抗MC38生长作用
进一步对各组小鼠的免疫细胞进行分析发现,对anti-PDL1治疗不敏感的小鼠体内PD-L2水平明显升高,还会让浸润肿瘤的T细胞表达更多的RGMb。使用抗PD-L2阻断PD-L2-RGMb通路与anti-PDL1联合治疗,可有效抑制GF小鼠体内MC38的生长。
图3 PD-L2在SPF小鼠和GF小鼠体内表达及anti-PDL1与aPD-L2联用对GF小鼠中MC38生长的影响
结合抗生素选择、选择性培养基和16s rRNA测序,鉴定GF小鼠体内定植C. cateniformis可以降低PD-L2的表达,增强anti-PDL1对肿瘤生长的抑制效果。
图4 C. cateniformis对GF小鼠体内免疫细胞上PD-L2表达及anti-PDL1抗肿瘤效果的影响
综上,本文揭示了无菌小鼠及抗生素清扫小鼠因肠道中缺乏C. cateniformis,使得PD-L2表达升高,从而抑制了anti-PDL1的疗效,补充C. cateniformis或将anti-PDL1和anti-PDL2联用可以改善对免疫疗法不敏感小鼠的抗肿瘤效果,但并非针对所有肿瘤都有效。
2.2 Science上无菌鼠的神经之舞[2]
载脂蛋白-E(APOE)是阿尔茨海默病最强的遗传风险因子,可以调节大脑炎症和tau介导的大脑损伤,考虑到肠道微生物群也可以调节大脑炎症,Seo等人将表达人类 ApoE4的阿尔兹海默症小鼠模型(TE4)进行无菌净化后保持无菌饲养,40周后发现与常规饲养的小鼠 (Conv-R) 相比, GF TE4 小鼠的脑萎缩面积明显减少,同时海马体中显示出较低的磷酸化 tau (p-tau)水平。
图5 TE4-GF小鼠小脑萎缩情况及tau表达情况
微生物组和代谢物分析表明,肠道微生物产生的短链脂肪酸 (SCFA) 是神经炎症-神经变性轴的介质。向 GF TE4 小鼠补充 SCFA 会导致明显的神经胶质形态变化和相应基因表达以及 p-tau 病理学现象增加。即肠道微生物群的改变可以通过APOE变化显著改善大脑炎症、tau病理学和脑损伤。
图6 短链脂肪酸SCFA对小脑组织病理及tau表达的影响
综上,本文揭示了SPF级小鼠肠道微生物代谢产生的短链脂肪酸 (SCFA)作为神经炎症-神经变性轴的介质可以通过ApoE导致 p-tau表达增多及小脑组织病变加剧,从而引起大脑炎症和脑损伤。
参考文献:
Park JS, Gazzaniga FS, Wu M, Luthens AK, et, al. Targeting PD-L2-RGMb overcomes microbiome-related immunotherapy resistance. Nature. 2023 May;617(7960):377-385. doi: 10.1038/s41586-023-06026-3.
Seo DO, O’Donnell D, Jain N, Ulrich JD, et, al. ApoE isoform- and microbiota-dependent progression of neurodegeneration in a mouse model of tauopathy. Science. 2023 Jan 13;379(6628):eadd1236. doi: 10.1126/science.add1236.
