التقييم العلاجي لزرع الميكروبات البرازية في نموذج فأر ناقص إنترلوكين 10
Summary
يشارك تفاعل القابلية الجينية ومناعة الغشاء المخاطي والبيئة الإيكولوجية الدقيقة المعوية في التسبب في مرض التهاب الأمعاء (IBD). في هذه الدراسة ، طبقنا زرع الميكروبات البرازية على الفئران الناقصة IL-10 وحققنا في تأثيرها على التهاب القولون ووظائف القلب.
Abstract
مع تطور علم البيئة الدقيقة في السنوات الأخيرة ، جذبت العلاقة بين البكتيريا المعوية ومرض التهاب الأمعاء (IBD) اهتماما كبيرا. تشير الأدلة المتراكمة إلى أن الميكروبات dysbiotic تلعب دورا نشطا في تحفيز أو تفاقم العملية الالتهابية في مرض الأمعاء الالتهابي وأن زرع الميكروبات البرازية (FMT) هو استراتيجية علاجية جذابة لأن نقل ميكروبات صحية إلى مريض IBD يمكن أن يعيد الاتصال المناسب بين الميكروبات المضيفة. ومع ذلك ، فإن الآليات الجزيئية غير واضحة ، ولم يتم إثبات فعالية FMT بشكل جيد. وبالتالي ، من الضروري إجراء مزيد من الدراسات في النماذج الحيوانية ل IBD. في هذه الطريقة ، قمنا بتطبيق FMT من الفئران C57BL / 6J من النوع البري على الفئران الناقصة IL-10 ، وهو نموذج فأر يستخدم على نطاق واسع من التهاب القولون. وتفصل الدراسة في جمع الكريات البرازية من الفئران المانحة، وصنع محلول / تعليق البراز، وإدارة محلول البراز، ومراقبة المرض. وجدنا أن FMT خفف بشكل كبير من ضعف القلب في الفئران القاضية IL-10 ، مما يؤكد إمكاناتها العلاجية لإدارة IBD.
Introduction
النظام البيئي الصغير المعوي البشري معقد للغاية ، مع أكثر من 1000 نوع من البكتيريا في أمعاء الشخص السليم1. تشارك النباتات المعوية في الحفاظ على الوظائف الفسيولوجية الطبيعية للأمعاء والاستجابة المناعية ولها علاقة لا تنفصل عن جسم الإنسان. تشير الأدلة المتراكمة إلى أن الميكروبيوم المعوي يشكل آخر عضو بشري ، وهو جزء من جسم الإنسان ، وليس مجرد مجموعة من الطفيليات2. إن العلاقة التكافلية “الصحية” بين ميكروبات الأمعاء ومستقلباتها ونظام المناعة المضيف الذي تم إنشاؤه في وقت مبكر من الحياة أمر بالغ الأهمية للحفاظ على توازن الأمعاء. في بعض الحالات غير الطبيعية مثل الالتهاب المزمن ، تؤدي التغيرات في البيئة الداخلية والخارجية للجسم إلى تعطيل توازن الأمعاء بشكل خطير ، مما يؤدي إلى اختلال مستمر في المجتمع الميكروبي للأمعاء ، المسمى dysbiosis3. في الواقع ، يمكن أن يؤدي التعرض لعوامل بيئية متعددة ، بما في ذلك النظام الغذائي والأدوية ومسببات الأمراض ، إلى تغييرات في الميكروبات.
يرتبط Dysbiosis بالتسبب في مجموعة متنوعة من الأمراض المعوية ، مثل مرض التهاب الأمعاء (IBD) ، ومتلازمة القولون العصبي (IBS) ، والتهاب الأمعاء الغشائي الكاذب ، بالإضافة إلى قائمة متزايدة من الاضطرابات خارج الأمعاء ، بما في ذلك أمراض القلب والأوعية الدموية والسمنة والحساسية4. كشف تنميط الميكروبات أن المرضى الذين يعانون من مرض الأمعاء الالتهابي لديهم انخفاض كبير في التنوع البكتيري ، فضلا عن التغيرات الملحوظة في مجموعات بعض السلالات البكتيرية المحددة 5,6. أظهرت هذه الدراسات أقل Lachnospiraceae و Bacteroidetes ولكن المزيد من البروتيوباكتيريا والأكتينوباكتيريا في مرضى IBD. ويعتقد أن التسبب في مرض الأمعاء الالتهابي يرتبط بعوامل ممرضة مختلفة ، بما في ذلك النباتات المعوية غير الطبيعية ، والاستجابة المناعية غير المنظمة ، والتحديات البيئية ، والمتغيرات الجينية7. تشير الأدلة الوفيرة إلى أن البكتيريا المعوية تلعب دورا في مراحل بدء وتطبيق IBD 8,9 ، مما يشير إلى أن تصحيح dysbiosis الأمعاء قد يمثل نهجا جديدا لعلاج و / أو علاج صيانة IBD.
بدأ النموذج الأولي لزرع الميكروبات البرازية (FMT) في الصين القديمة10. في عام 1958 ، نجح الدكتور إيسمان وزملاؤه في علاج أربع حالات من التهاب الأمعاء الغشائي الكاذب الحاد مع البراز من متبرعين أصحاء عن طريق حقنة شرجية ، مما فتح فصلا جديدا في الطب الغربي الحديث باستخدام البراز البشري لعلاج الأمراض البشرية11. تم العثور على عدوى المطثية العسيرة (CDI) لتكون السبب الرئيسي لالتهاب الأمعاء الغشائي الكاذب12 وFMT فعال للغاية في علاج CDI. في السنوات الثماني الماضية ، أصبح FMT علاجا قياسيا للرعاية لعلاج CDI13 المتكرر ، مما دفع إلى إجراء مزيد من الدراسات التي تبحث في دور FMT في اضطرابات أخرى ، مثل IBD. على مدى السنوات العشرين الماضية ، وثقت العديد من تقارير الحالات والدراسات الأترابية استخدام FMT في المرضى الذين يعانون من IBD14. أظهر التحليل التلوي ، بما في ذلك 12 تجربة ، أن 62٪ من المرضى الذين يعانون من مرض كرون (CD) حققوا مغفرة سريرية بعد FMT ، و 69٪ من مرضى CD لديهم استجابة سريرية15. على الرغم من هذه النتائج المشجعة ، لا يزال دور FMT في إدارة مرض الأمعاء الالتهابي غير مؤكد ، والآليات التي يخفف بها FMT من التهاب الأمعاء غير مفهومة بشكل جيد. من الضروري إجراء مزيد من التحقيقات قبل أن تتمكن FMT من الانضمام إلى التسلح الحالي لخيارات العلاج ل IBD في العيادات.
في هذا البروتوكول ، قمنا بتطبيق FMT على الفئران IL-10-/- ، التي تتطور إلى التهاب القولون تلقائيا بعد الفطام وكانت بمثابة معيار ذهبي لتعكس الطبيعة متعددة العوامل ل IBD16,17,18. تم استخدام الفئران IL-10−/− على نطاق واسع لتشريح مسببات مرض الأمعاء الالتهابي لأنها تقدم ميزات جزيئية ونسيجية مماثلة لمرضى IBD ، ومثل المرضى ، يمكن تخفيف المرض باستخدام العلاج المضاد ل TNFα16. الفئران المتقدمة في السن IL10−/− (>9 أشهر من العمر) لديها زيادة في حجم القلب وضعف وظائف القلب مقارنة بالفئران البرية المتطابقة مع العمر19 ، مما يجعلها نموذجا ممتازا لدراسة أمراض القلب الناجمة عن التهاب القولون. ومع ذلك ، يمكن استخدام نماذج الفئران الأخرى من التهاب القولون ، مثل نموذج كبريتات الصوديوم ديكستران ونموذج التهاب القولون الناجم عن الخلايا التائية ، أيضا. لقد قمنا بإدارة تعليق البراز عن طريق الفم ، وثبت أنه طريق فعال وأفضل من حقنة شرجية في البشر20.
Protocol
Representative Results
Discussion
كعلاج بحثي مبتكر ، أصبح FMT موضوعا ساخنا في علاج الاضطرابات المختلفة في السنوات الأخيرة منذ أن تورط dysbiosis من الميكروبات المصاحبة في التسبب في أمراض بشرية متعددة ، بما في ذلك IBD والسمنة وداء السكري والتوحد وأمراض القلب والسرطان26. على الرغم من أن الآلية لم يتم تحديدها ، إلا أنه يع?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل ، جزئيا ، من خلال المنح المقدمة من المعاهد الوطنية للصحة (R01 HL152683 و R21 AI126097 إلى Q. Li) ومن قبل جمعية القلب الأمريكية Grant-in-Aid 17GRNT33460395 (إلى Q. Li) (heart.org).
Materials
| BD Syringe, 1 mL | Fisher Scientific | 14-829-10F | |
| Blunt end forceps | Knipex | 926443 | |
| Brain natriuretic peptide EIA kit | Sigma | RAB0386 | |
| C57BL/6J mice | Jackson Lab | 000664 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5415R | |
| Conical tubes | ThermoFisher | 339650 | |
| Curved feeding Needles | Kent Scientific | FNC-20-1.5-2 | |
| GLH-115 homogenizer | Omni International | GLH-115 | |
| Glycerol | MilliporeSigma | G5516 | |
| IL-10 knockout mice | Jackson Lab | 004366 | |
| Isoflurane | Piramal Critical care | NDC66794-017-10 | |
| USP normal saline | Grainger | 6280 | |
| Vaporizer | Euthanex Corp. | EZ-108SA |
References
- D’Argenio, V., Salvatore, F. The role of the gut microbiome in the healthy adult status. Clinica Chimica Acta. 451, 97-102 (2015).
- Baquero, F., Nombela, C. The microbiome as a human organ. Clinical Microbiology and Infection. 18, 2-4 (2012).
- Hawrelak, J. A., Myers, S. P. The causes of intestinal dysbiosis: a review. Alternative Medcine Review. 9 (2), 180-197 (2004).
- Carding, S., Verbeke, K., Vipond, D. T., Corfe, B. M., Owen, L. J. Dysbiosis of the gut microbiota in disease. Microbial Ecology in Health and Disease. 26 (1), 26191 (2015).
- Ma, H. Q., Yu, T. T., Zhao, X. J., Zhang, Y., Zhang, H. J. Fecal microbial dysbiosis in Chinese patients with inflammatory bowel disease. World Journal of Gastroenterology. 24 (13), 1464-1477 (2018).
- Chu, Y., et al. Specific changes of enteric mycobiota and virome in inflammatory bowel disease. Journal of Digestive Diseases. 19 (1), 2-7 (2018).
- Manichanh, C., Borruel, N., Casellas, F., Guarner, F. The gut microbiota in IBD. Nature reviews Gastroenterology and Hepatology. 9 (10), 599-608 (2012).
- Podolsky, D. K. Inflammatory bowel disease. The New England Journal of Medicine. 347 (6), 417-429 (2002).
- Tamboli, C. P., Neut, C., Desreumaux, P., Colombel, J. F. Dysbiosis in inflammatory bowel disease. Gut. 53 (1), 1-4 (2004).
- Shi, Y. C., Yang, Y. S. Fecal microbiota transplantation: Current status and challenges in China. JGH Open: An Open Access Journal of Gastroenterology and Hepatology. 2 (4), 114-116 (2018).
- Markley, J. C., Carson, R. P., Holzer, C. E. Pseudomembranous enterocolitis: A clinico pathologic study of fourteen cases with a common etiologic factor. AMA Archives of Surgery. 77 (3), 452-461 (1958).
- Wilcox, M. H. Clostridium difficile infection and pseudomembranous colitis. Best Practice and Research Clinical Gastroenterology. 17 (3), 475-493 (2003).
- Kelly, C. R., de Leon, L., Jasutkar, N. Fecal microbiota transplantation for relapsing Clostridium difficile infection in 26 patients: methodology and results. Journal of Clinical Gastroenterology. 46 (2), 145-149 (2012).
- Borody, T. J., Warren, E. F., Leis, S., Surace, R., Ashman, O. Treatment of ulcerative colitis using fecal bacteriotherapy. Journal of Clinical Gastroenterology. 37 (1), 42-47 (2003).
- Cheng, F., Huang, Z., Wei, W., Li, Z. Fecal microbiota transplantation for Crohn’s disease: a systematic review and meta-analysis. Techniques in Coloproctology. 25 (5), 495-504 (2021).
- Scheinin, T., Butler, D. M., Salway, F., Scallon, B., Feldmann, M. Validation of the interleukin-10 knockout mouse model of colitis: antitumour necrosis factor-antibodies suppress the progression of colitis. Clinical and Experimental Immunology. 133 (1), 38-43 (2003).
- Keubler, L. M., Buettner, M., Hager, C., Bleich, A. A multihit model: Colitis lessons from the interleukin-10-deficient mouse. Inflammatory Bowel Diseases. 21 (8), 1967-1975 (2015).
- Kiesler, P., Fuss, I. J., Strober, W. Experimental models of inflammatory bowel diseases. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 1 (2), 154-170 (2015).
- Sikka, G., et al. Interleukin 10 knockout frail mice develop cardiac and vascular dysfunction with increased age. Experimental Gerontology. 48 (2), 128-135 (2013).
- Fecal microbiota transplantation-standardization study group. Nanjing consensus on methodology of washed microbiota transplantation. Chinese Medical Journal (Engl). 133 (19), 2330-2332 (2020).
- Kodani, T., et al. Flexible colonoscopy in mice to evaluate the severity of colitis and colorectal tumors using a validated endoscopic scoring system). Journal of Visualized Experiments: JoVE. (80), e50843 (2013).
- Cheng, H. -. W., et al. Assessment of right ventricular structure and function in mouse model of pulmonary artery constriction by transthoracic echocardiography. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (84), e51041 (2014).
- Tang, Y., et al. Chronic colitis upregulates microRNAs suppressing brain-derived neurotrophic factor in the adult heart. PLoS One. 16 (9), 0257280 (2021).
- Orner, G. A., et al. Suppression of tumorigenesis in the Apc(min) mouse: down-regulation of beta-catenin signaling by a combination of tea plus sulindac. Carcinogenesis. 24 (2), 263-267 (2003).
- Kline, K. T., et al. Neonatal injury increases gut permeability by epigenetically suppressing E-Cadherin in adulthood. The Journal of Immunology. 204 (4), 980-989 (2020).
- DeGruttola, A. K., Low, D., Mizoguchi, A., Mizoguchi, E. Current understanding of dysbiosis in disease in human and animal models. Inflammatory Bowel Diseases. 22 (5), 1137-1150 (2016).
- Chevalier, G., et al. Effect of gut microbiota on depressive-like behaviors in mice is mediated by the endocannabinoid system. Nature Communications. 11 (1), 6363 (2020).
- Kao, D., et al. Effect of oral capsule- vs colonoscopy-delivered fecal microbiota transplantation on recurrent clostridium difficile infection: A randomized clinical trial. JAMA. 318 (20), 1985-1993 (2017).
- Cammarota, G., et al. International consensus conference on stool banking for faecal microbiota transplantation in clinical practice. Gut. 68 (12), 2111-2121 (2019).
- Vemuri, R., et al. The microgenderome revealed: sex differences in bidirectional interactions between the microbiota, hormones, immunity and disease susceptibility. Seminar Immunopathology. 41 (2), 265-275 (2019).
- Wilkinson, N. M., Chen, H. -. C., Lechner, M. G., Su, M. A. Sex differences in immunity. Annual Review of Immunology. , (2022).
- Lee, C. H., et al. Frozen vs fresh fecal microbiota transplantation and clinical resolution of diarrhea in patients with recurrent clostridium difficile infection: A randomized clinical trial. JAMA. 315 (2), 142-149 (2016).
- Hamilton, M. J., Weingarden, A. R., Sadowsky, M. J., Khoruts, A. Standardized frozen preparation for transplantation of fecal microbiota for recurrent clostridium difficile infection. American Journal of Gastroenterology. 107 (5), 761-767 (2012).
- Tang, G., Yin, W., Liu, W. Is frozen fecal microbiota transplantation as effective as fresh fecal microbiota transplantation in patients with recurrent or refractory Clostridium difficile infection: A meta-analysis. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease. 88 (4), 322-329 (2017).
- Cui, B., et al. Fecal microbiota transplantation through mid-gut for refractory Crohn’s disease: safety, feasibility, and efficacy trial results. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 30 (1), 51-58 (2015).
- Li, P., et al. Timing for the second fecal microbiota transplantation to maintain the long-term benefit from the first treatment for Crohn’s disease. Applied Microbiology and Biotechnology. 103 (1), 349-360 (2019).
- Moayyedi, P. Update on fecal microbiota transplantation in patients with inflammatory bowel disease. Gastroenterology and Hepatology. 14 (5), 319 (2018).
- Saha, S., Mara, K., Pardi, D. S., Khanna, S. Long-term safety of fecal microbiota transplantation for recurrent clostridioides difficile infection. Gastroenterology. 160 (6), 1961-1969 (2021).
- Perler, B. K., et al. Long-term efficacy and safety of fecal microbiota transplantation for treatment of recurrent clostridioides difficile infection. Journal of Clinical Gastroenterology. 54 (8), 701-706 (2020).
- Safety alert regarding use of fecal microbiota for transplantation and risk of serious adverse events likely due to transmission of pathogenic organisms. FDA Available from: https://www.fda.gov/vaccines-blood-biologics/safety-availability-biologics/safety-alert-regarding-use-fecal-microbiota-tramsplantation-and-risk-serious-adverse-events-likely (2020)
