实验小鼠肠道微生物的研究现状

Ｏｃｔ．２０１５，３５（５）　实验动物与比较医学ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＡｎｉｍａｌ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ　４２１　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－５８１７．２０１５．０５．０１７　

实验小鼠肠道微生物的研究现状　

景亚星　，白鹭ｚ，高焕云ｚ，郑振宇　，：　（１．河南农业大学生命科学学院，郑州４５０００２；２．河南农业大学牧医工程学院，郑州４５０００２）　

［摘要］本文就影响实验小鼠肠道微生物菌群组成的因素以及无菌（ＧＦ）小鼠的肠道微生物研究　现状作了概述，为进一步了解和研究人类和动物肠道微生物提供依据。　［关键词］肠道微生物；现代生物技术；无菌（ＧＦ）小鼠　

［中图分类号］Ｑ９５—３３［文献标识码］Ａ［文章编号］１６７４．５８１７（２０１５）０５—０４２１—０４　

动物体内存在着种类繁多的微生物，胃肠道　中的微生物菌群是一个独特多变的生态系统，是现　已发现的生态系统中细胞密度最高的系统之一…。　定植于大肠和小肠的微生物对维持宿主功能具有重　要作用，包括宿主代谢产物的生成、食物中能量摄　取和免疫系统发育等。小鼠是目前应用最广泛、　被研究的最详细、品种最多的哺乳类实验动物，本　文旨在概述实验小鼠肠道微生物的相关研究现状。　肠道微生物研究概述　动物胃肠道微生物在动物健康、营养、免疫　等方面有举足轻重的作用。早在１９世纪法国微生　物学家巴斯德就提出学说——正常菌群对宿主是有　益的，之后人们更加注重对动物胃肠道正常微生物　群的组成、定植规律及其与宿主关系的研究。　动物胃肠道微生物可以参与宿主多糖、脂类　和氨基酸等营养物质的代谢，与宿主形成一个相互　依赖的整体并和代谢疾病的发生有关［ｚＩ３］。正常情　况下动物肠道微生物菌群处于稳定的生态平衡状　态，从而保证机体肠道功能的正常发挥。另外，　有益菌群作为肠道内壁黏膜的特异性生物屏障，可　以抑制病原菌的增殖，使肠道微生物处于稳定平衡　状态。动物胃肠道微生物区系的稳定平衡是宿主动　［收稿日期］２０１４．１２．３０　［作者简介】景亚星（１９８９．），女，硕士研究生，主要从事动物遗　传工程方面的研究　Ｅ－ｍａｉｌ：３５８　１４２８８９＠ｑｑ．ｔｏｍ　［通讯作者］郑振宇，男，教授，主要从事分子遗传学和动物遗　传工程方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｂｕｎｉｖ＠１２６．ｃｏｍ　物保持良好的健康状况和发挥正常功能所必须的条　件。当菌群平衡遭到破坏时会导致病理的发生，　肠道菌群也会发生巨大变化从而导致茵群失调［４］。　因此，便捷高效的调控动物胃肠道微生物组　成、保持动物胃肠道微生物区系平衡以及维持动物　健康成为国际上的研究热点。　１．１肠道微生物的多样性研究　动物消化道存在着数目庞大且相对稳定的微生　物群落。菌群的多样性能够保证肠道微生物区系的　平衡，也提高了其适应多变环境的能力，微生物群落　能够维持胃肠道环境相对稳定并促进营养物质消化　吸收。现代分子生物学技术和生物信息学的快速发　展为微生物多样性的研究提供了新思路和新技术，　人们采用聚合酶链式反应技术和高通量测序技术分　离鉴定了大量的肠道厌氧微生物，完善了微生物的　种类和分类系统，也充分证明了肠道微生物的多样　性。现在己经比较成熟的技术有遗传指纹图谱技　术、宏基因序列分析、ＤＮＡ杂交技术、指纹分　析技术等，这些技术对肠道微生物群体多样性的研　究和微生物群体动态的追踪研究有关键性的作用。　１．２肠道微生物功能研究　随着研究技术的进步和对肠道微生态重视程度　的增加，人们越来越多地了解肠道微生态菌群，　肠道正常的微生物群落是微生物与宿主在共同进化　过程中形成的、对宿主有益的群落，并且与宿主　的营养、免疫、代谢和毒性等方面密切相关［ｓ－７］。　此外，肠道微生物可以促进肠道组织发育，其代　谢产生的短链脂肪酸为肠道上皮细胞提供所需营　养，加速上皮细胞的生长与分化。肠道内的双歧　４２２　实验动物与比较医学ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＡｎｉｍａｌ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ　杆菌、梭菌、乳杆菌等微生物能合成多种蛋白质　和维生素，供宿主利用。肠道微生物还能够促进　宿主对亚油酸的吸收，促进胆固醇向类固醇方向的　转变【　】，Ｂａｃｋｈｅｄ等【　】利用无菌（ＧＦ）／Ｊ，鼠进行试验，　将正常小鼠的肠道细菌接种ＧＦ小鼠，于１４　ｄ后检　测，发现在饲喂量减少２９％的情况下，体内脂肪　竞增加４２％，表明肠道微生物可能与机体能量的贮　存有关。肠道微生物具有抵御病原微生物侵袭、　刺激机体免疫器官的成熟、激活免疫系统等作用，　不同种类和数量的正常微生物定植在胃肠道黏膜以　及分布在肠道内容物中，形成动态微生态平衡，　已有研究发现普通小鼠相对于ＧＦ小鼠和悉生小　鼠，脂多糖刺激脾脏来源的巨噬细胞产生ＩＬ一１２的　作用明显增强，提示完整的肠道菌群是脾脏产生　ＩＬ．１２的基础［１０］。　２影响实验小鼠肠道微生物菌群的　因素　２．１饲粮成分对小鼠肠道菌群组成的影响　日粮是影响动物肠道菌群组成的最主要因素，　包括饲料类型、物理结构、营养组成以及抗生素　的使用等。动物对食物营养的吸收不仅与自身肠道　微生物的数量有关，还取决于肠道菌群的组成。　随着研究的深入，科学家已经意识到饮食能够显著　地改变微生物菌群的组成和丰度，饲喂不同能量的　饲料发现不同饲粮条件下肠道内的一些特定菌群与　动物的饲料转化率存在关联。陈杏云等［１１，１２】采用高　脂饮食建立肥胖菌群人源化（ＨＦＡ）ｄ＇鼠模型，并证　实了高脂饮食明显改变ＨＦＡ小鼠肠道菌群的结构，　主要表现为诱导肠道内有害菌生长繁殖。酸性条件　能够抑制大肠杆菌等有害菌的生长，却能促进乳酸　菌的繁殖，赵艳姣等［１３３通过给小鼠饲喂添加不同比　例的霉变饲料，观察到葡萄糖氧化酶（Ｇ０Ｄ）能减少　肠道大肠杆菌的数量，当添加ＧＯＤ的量提高到　０．３％，乳酸菌数量得到提高。　２．２日龄对小鼠肠道菌群组成的影响　宿主的年龄差异影响肠道微生物的结构，肠　道菌群的丰度会随着宿主的生理变化而变化，有研　究报道［１４，１　５］，从幼年到成年肠道中硬壁菌门／拟杆　菌门的比例增加，而从成年到老年又逐渐减小，　据统计，真细菌属、拟杆菌属和瘤胃球菌属是在　成年肠道菌群中发现的主要微生物种类。新生小鼠　一般是无菌的或者菌体数量很少，随着年龄的增长，　小鼠肠道菌群的丰度开始增加。尹业师等ｆｌ６］通过聚　合酶链式反应和变性梯度凝胶电泳（ＰＣＲ．ＤＧＧＥ）实　验显示，小鼠在成长过程中，ＤＧＧＥ的条带数由　７日龄的少数几条增至１４条，１３日龄的平均超过　２０条、２８目龄的平均超过３０条、２８和４２日龄的　ＤＧＧＥ条带数基本一致，结果表明随着日龄的变　大，肠道菌群多样性增加并且稳定性增强。　２．３益生菌对小鼠肠道菌群组成的影响　有益微生物可以抑制其他有害菌在消化道内的　生长增殖，也可以维持机体正常的生理机制，被　认为是一类具有广阔开发和应用前景的抗生素替代　品。但是，有益微生物的数量会受多种因素的影　响，继而使病原菌不断繁殖，消化道菌群紊乱。　王友湘等［＂］对小鼠灌喂瑞士乳杆菌后显示，相关微　生物在肠道的定植有相应的调理过程，也说明益生　菌对小鼠肠道微生物区系有一定的调节作用。　研究显示『ｌ８】，不同个体和性别问肠道微生物　也存在一定的差异，但是相对比较稳定：不同饲　养环境也可导致小鼠肠道菌群结构的差异，但是这　些影响因素较以上因素显得不太重要。　２．４菌群对小鼠的免疫系统的影响　近几十年来利用小鼠模型的研究表明［１９】，微　生物菌群对免疫系统的发展和维护具有重要作用。　饮食的不规律以及抗生素的广泛使用，导致糖尿　病、哮喘病和过敏症发病率明显提高［２０　３。因此，　利用这些动物模型来进行肠道微生物的研究十分重　要，前期的研究也证明了微生物菌群对调节免疫应　答的确具有很重要的作用【２１］。　肠道益生菌能够活化巨噬细胞或淋巴细胞，　产生细胞因子，从而促进免疫细胞的增殖、分化　或增强免疫反应『２２】。有研究报道［ｚ，］，肠道益生菌　能够直接影响宿主的免疫系统，诱发肠道免疫；　活化肠黏膜内相关淋巴组织，使分泌型免疫球蛋白　Ａ生物合成增加，从而提高消化道黏膜的免疫功　能。Ｋｉｍ　ｚ　］在实验组用益生菌鲜奶酪灌喂小鼠，　结果显示在大肠和小肠中ＣＤ４＋／ＣＤ８＋Ｔ细胞数量比　率升高，说明益生菌可以促进淋巴细胞的增殖，　淋巴细胞在局部产生细胞因子，可以防御外来病菌　的侵袭。另外，Ｐａｔｕｒｉ掣：ｓ］用乳杆菌灌喂小鼠，结　果显示小鼠小肠中分泌型免疫球蛋白Ａ分泌增多，　实验动物与比较医学Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ａｎｉｍａｌ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ　４２３　相关细胞因子的量也增多，表明乳杆菌能提高小鼠　免疫系统功能。肠道微生物组与肥胖的形成也有一　定关系，已引起广泛关注。Ｕｐａｄｈｙａｙ　】研究显　示，体质量增加不仅需要增加热量摄入，而且需　要肠道微生物和免疫应答之问的调节和传递。　果小鼠体内形成肿瘤：而将大肠杆菌基因组中涉及　ＤＮＡ损伤的区域除去后，大肠杆菌引发肿瘤的能　力大幅降低。表明肠道微生物紊乱扰乱了肠道生态　系统，使病原体能够入侵肠道，损害宿主细胞，　从而提高患结肠癌的风险。　

３　ＧＦ小鼠与肠道微生物４小结　近年来，相继有研究报道［：　．３０］肠道正常菌群与　机体生理状态的维持关系紧密，但由于肠道菌群组　成和作用的复杂，其具体作用机理仍需要更深入的　探索研究：因此，需要一种理想的模型来研究肠道　菌群对宿主的作用及相关机制，而ＧＦ动物的出现　为进一步的研究提供了可能。　ＧＦ动物是指其体内不存在任何包括细菌、病　毒、真菌、原虫、支原体、衣原体、螺旋体、　立克次体在内的活的生命体的动物，这一动物模型　独特的生物学特性为研究和验证肠道微生态和宿主　正常生理及病理感染状态下的相互关系提供材料。　ＧＦ动物的免疫系统如淋巴系统、抗体形成系统等　均发育不良，当ＧＦ动物处于正常有菌条件下，其　各种生理指标都得到了不同程度的改善，表明正常　胃肠道微生物菌群在刺激机体免疫器官的分化发　育，增强机体免疫等方面具有重要作用。与ＳＰＦ　级小鼠相比，ＧＦ小鼠体内的免疫球蛋白Ｉ　ｇＧ、　ＩｇＡ、ＩｇＭ表达量显著下降，其免疫细胞的表达量　也较少，当重新定植菌群时，这些生理指标得到　逆转，表明肠道微生物对机体整个免疫系统的发育　和功能发挥都是十分重要的［３１，３２】。１９４５年，美国　Ｎｏｔｒｅ　Ｄａｍｅ大学Ｌｏｂｕｎｄ实验室的Ｒｅｙｎｉｅｒ等首次成　功培育出ＧＦ大鼠并随后成功繁殖和建群，证实了　动物可以在ＧＦ环境下生存。肠道内的菌种多具有　强大的消化多糖类物质的能力，Ｂａｃｋｈｅｄ等【，】在ＧＦ　小鼠体内灌注常规饲养小鼠的小肠末端的微生物　群，显示ＧＦ小鼠在１４　ｄ内体内脂肪含量增加了　６０％。ＧＦ动物和完整的胃肠道微生物群系的普通　动物相比更易感染疾病，研究表明，给ＧＦ小鼠灌服　１０个沙门氏菌就可致死，而正常小鼠则需要１０６个　同等细菌，因此动物胃肠道微生物群系对于维护动　物的健康具有重要作用。肠道微生物组与癌症的关　系近年受到关注，Ａｒｔｈｕｒ等［３３］研究显示，大部分　结肠癌和肠易激综合征患者的体内均存在大肠杆菌　突变株。有研究将大肠杆菌突变株注入小鼠，结　随着现代生物技术的发展和科技的进步。以及　与传统微生物培养技术相结合的微生物非培养分子　生物技术的产生和应用。从传统的纯培养技术到非培　养微生物技术的发展为探讨肠道微生物的种类、多　样性，以及肠道微生物分子水平的研究提供了技术支　持，也为实验小鼠肠道微生物的深入研究提供了很好　的平台。最近几年，肠道菌群相关的研究急剧增　多，这些研究为探究肠道菌群和宿主健康的关系提　供了依据，但是关于实验小鼠肠道微生物的研究还　有待深入，研究不同环境条件下动物肠道微生物区　系变化规律、信号通路及相应的机制，进而通过改　变肠道微生物的组成和增加优势菌群量等措施来预　防和治疗某些肠道疾病将成为今后研究的热点。