Murin Fekal İzolasyonu ve Mikrobiyota Transplantasyonu
Summary
Buradaki amaç, kardiyovasküler hastalıklarda dysbiosis mekanizmalarını araştırmak için bir protokolün ana hatlarını çizmektir. Bu yazıda, murin dışkı örneklerinin aseptik olarak nasıl toplanacağı ve nakledileceği, bağırsakların nasıl izole edileceği ve “Swiss-roll” yönteminin nasıl kullanılacağı, ardından gastrointestinal sistemdeki değişiklikleri sorgulamak için immün boyama teknikleri tartışılmaktadır.
Abstract
Bağırsak mikrobiyota dysbiosis, kardiyovasküler ve metabolik bozuklukların patofizyolojisinde rol oynar, ancak mekanizmaları iyi anlaşılmamıştır. Fekal mikrobiyota transplantasyonu (FMT), hastalık patofizyolojisinde total mikrobiyota veya izole türlerin doğrudan rolünü tanımlamak için değerli bir yaklaşımdır. Tekrarlayan Clostridium difficile enfeksiyonu olan hastalar için güvenli bir tedavi seçeneğidir. Preklinik çalışmalar, bağırsak mikrobiyotasını manipüle etmenin, dysbiosis ve hastalık arasındaki mekanik bağlantıyı incelemek için yararlı bir araç olduğunu göstermektedir. Fekal mikrobiyota transplantasyonu, kardiyometabolik hastalıkların yönetimi ve tedavisi için yeni bağırsak mikrobiyota hedefli terapötiklerin aydınlatılmasına yardımcı olabilir. Kemirgenlerde yüksek başarı oranına rağmen, transplantasyonla ilişkili translasyonel değişiklikler devam etmektedir. Buradaki amaç, bağırsak mikrobiyomunun deneysel kardiyovasküler hastalıklardaki etkilerini incelemede rehberlik etmektir. Bu çalışmada, murin çalışmalarında fekal mikrobiyotanın toplanması, işlenmesi, işlenmesi ve transplantasyonu için ayrıntılı bir protokol tanımlanmıştır. Toplama ve işleme adımları hem insan hem de kemirgen donörleri için açıklanmıştır. Son olarak, kardiyovasküler hastalıklarda ve ilgili bağırsak mikrobiyota mekanizmalarında bağırsaklara özgü morfoloji ve bütünlük değişikliklerini değerlendirmek için İsviçre yuvarlanma ve immün boyama tekniklerinin bir kombinasyonunu kullanmayı tanımladık.
Introduction
Kalp hastalığı ve inme de dahil olmak üzere kardiyometabolik bozukluklar, önde gelen küresel ölüm nedenleridir1. Fiziksel hareketsizlik, yetersiz beslenme, ilerleyen yaş ve genetik bu hastalıkların patofizyolojisini modüle etmektedir. Biriken kanıtlar, bağırsak mikrobiyotasının tip 2 diyabet2, obezite3 ve hipertansiyon4 dahil olmak üzere kardiyovasküler ve metabolik bozuklukları etkilediği kavramını desteklemektedir ve bu da bu hastalıklar için yeni terapötik yaklaşımların geliştirilmesinde bir anahtar tutabilir.
Mikrobiyotanın hastalıklara neden olduğu kesin mekanizmalar hala bilinmemektedir ve mevcut çalışmalar kısmen metodolojik farklılıklar nedeniyle oldukça değişkendir. Fekal mikrobiyota transplantasyonu (FMT), hastalık patofizyolojisinde total mikrobiyota veya izole türlerin doğrudan rolünü tanımlamak için değerli bir yaklaşımdır. FMT, hayvan çalışmalarında bir fenotipi indüklemek veya bastırmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, kalori alımı ve glikoz metabolizması, dışkı maddesinin hasta bir donörden sağlıklı bir alıcıya aktarılmasıyla modüle edilebilir 5,6. İnsanlarda, FMT’nin tekrarlayan Clostridium difficile enfeksiyonu olan hastalar için güvenli bir tedavi seçeneği olduğu gösterilmiştir7. Kardiyovasküler hastalık yönetiminde kullanımını destekleyen kanıtlar ortaya çıkmaktadır; Örneğin, yağsız ve metabolik sendromlu hastalardan FMT, insülin duyarlılığını artırır8. Bağırsak dysbiosis ayrıca hem insan hem de kemirgen çalışmalarında yüksek tansiyon ile ilişkilidir 9,10,11. Mikropsuz farelere yüksek tuzlu bir diyetle beslenen farelerden elde edilen FMT, alıcıları inflamasyona ve hipertansiyona yatkınlaştırır12.
Kemirgenlerde FMT başarısının yüksek oranına rağmen, translasyonel zorluklar devam etmektedir. Obezite ve metabolik sendromu tedavi etmek için FMT kullanan klinik çalışmalar, bu bozukluklar üzerinde minimal veya hiç etki göstermemektedir13,14,15. Bu nedenle, kardiyometabolik bozuklukların tedavisi için bağırsak mikrobiyotasını hedef alan ek terapötik yolları tanımlamak için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır. Bağırsak mikrobiyotası ve kardiyovasküler hastalık ile ilgili mevcut kanıtların çoğu ilişkiseldir. Açıklanan protokol, hem hastalık hem de bağırsak mikrobiyotası arasındaki ilişkiyi göstermek ve bağırsak bağırsağının tüm bölümlerinin bütünlüğünü doğrudan değerlendirmek için FMT ve İsviçre yuvarlanma tekniğinin bir kombinasyonunun nasıl kullanılacağını tartışmaktadır16,17,18.
Bu yöntemin genel amacı, bağırsak mikrobiyomunun deneysel kardiyovasküler hastalıklardaki etkilerini incelemek için rehberlik sağlamaktır. Bu protokol, fizyolojik çeviriyi teşvik etmek ve bulguların titizliğini ve tekrarlanabilirliğini artırmak için deneysel tasarımda daha fazla ayrıntı ve önemli hususlar sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bağırsak mikrobiyotasının kardiyovasküler ve metabolik hastalıklardaki nedensel rolünü incelemek için değerli bir yaklaşım, toplam mikrobiyotayı veya ilgilenilen türleri mikropsuz farelere aktarmaktır. Burada, hipertansif bozukluklarda bağırsak mikrobiyotasının rolünü incelemek için insanlardan dışkı örnekleri toplamak için protokolleri ve geleneksel olarak barındırılan fareleri mikropsuz farelere dönüştürüyoruz.
Farelerde, aerobik bir odada işlenmiş asepti…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Translasyonel Bilimleri Geliştirme Merkezi’nden Vanderbilt Klinik ve Translasyonel Bilim Ödülü Hibesi UL1TR002243 (AK’ye) tarafından desteklenmiştir; Amerikan Kalp Derneği Hibe POST903428 (J.A.I.’ye); ve Ulusal Kalp, Akciğer ve Kan Enstitüsü Hibeleri K01HL13049, R03HL155041, R01HL144941 (AK’ye) ve NIH hibe 1P01HL116263 (V.K.’ye). Şekil 1 , Biorender kullanılarak oluşturulmuştur.
Materials
| Alexa Fluor 488 Tyamide SuperBoost | ThermoFisher | B40932 | |
| Anaerobic chamber | COY | 7150220 | |
| Apolipoprotein AI | Novus Biologicals | NBP2-52979 | |
| Artery Scissors – Ball Tip | Fine Science Tools | 14086-09 | |
| Bleach solution | Fisher Scientific | 14-412-53 | |
| Bovine Serum Albumin | Fisher Scientific | B14 | |
| CD3 antibody | ThermoFisher | 14-0032-82 | |
| CD68 monoclonal antibody | ThermoFisher | 14-0681-82 | |
| Centrifuge | Fisher Scientific | 75-004-221 | |
| CODA high throughput monitor | Kent Scientic Corporation | CODA-HT8 | |
| Cryogenic vials | Fisher Scientific | 10-500-26 | |
| Disposable graduate transfer pipettes | Fisher Scientific | 137119AM | |
| Disposable syringes | Fisher Scientific | 14-823-2A | |
| Ethanol | Fisher Scientific | AA33361M1 | |
| Feeding Needle | Fine Science Tools | 18061-38 | |
| Filter (30 µm) | Fisher Scientific | NC0922459 | |
| Filter paper sheet | Fisher Scientific | 09-802 | |
| Formalin (10%) | Fisher Scientific | 23-730-581 | |
| High salt diet | Teklad | TD.03142 | |
| OMNIgene.GUT | DNAgenotek | OM-200+ACP102 | |
| Osmotic mini-pumps | Alzet | MODEL 2002 | |
| PAP Pen | Millipore Sigma | Z377821-1EA | |
| Petri dish | Fisher Scientific | AS4050 | |
| Pipette tips | Fisher Scientific | 21-236-18C | |
| Pipettes | Fisher Scientific | 14-388-100 | |
| Serile Phosphate-buffered saline | Fisher Scientific | AAJ61196AP | |
| Smart spatula | Fisher Scientific | NC0133733 | |
| Stool collection device | Fisher Scientific | 50-203-7255 | |
| TBS Buffer | Fisher Scientific | R017R.0000 | |
| Triton X-100 | Millipore Sigma | 9036-19-5 |
|
| Varimix platform rocker | Fisher Scientific | 09047113Q | |
| Vortex mixer | Fisher Scientific | 02-215-41 | |
| Xylene | Fisher Scientific | 1330-20-7, 100-41-4 |
Referências
- Virani, S. S., et al. Heart disease and stroke statistics-2021 update: a report From the American Heart Association. Circulation. 143 (8), 254 (2021).
- Wu, H., et al. The gut microbiota in prediabetes and diabetes: a population-based cross-sectional study. Cell Metabolism. 32 (3), 379-390 (2020).
- Crovesy, L., Masterson, D., Rosado, E. L. Profile of the gut microbiota of adults with obesity: a systematic review. European Journal of Clinical Nutrition. 74 (9), 1251-1262 (2020).
- Avery, E. G., et al. The gut microbiome in hypertension: recent advances and future perspectives. Circulation Research. 128 (7), 934-950 (2021).
- Perez-Matute, P., Iniguez, M., de Toro, M., Recio-Fernandez, E., Oteo, J. A. Autologous fecal transplantation from a lean state potentiates caloric restriction effects on body weight and adiposity in obese mice. Scientific Reports. 10 (1), 9388 (2020).
- Zoll, J., et al. Fecal microbiota transplantation from high caloric-fed donors alters glucose metabolism in recipient mice, independently of adiposity or exercise status. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 319 (1), 203-216 (2020).
- Hvas, C. L., et al. Fecal microbiota transplantation is superior to fidaxomicin for treatment of recurrent Clostridium difficile infection. Gastroenterology. 156 (5), 1324-1332 (2019).
- Kootte, R. S., et al. Improvement of insulin sensitivity after lean donor feces in metabolic syndrome is driven by baseline intestinal microbiota composition. Cell Metabolism. 26 (4), 611-619 (2017).
- Li, J., et al. Gut microbiota dysbiosis contributes to the development of hypertension. Microbiome. 5 (1), 14 (2017).
- Shi, H., et al. Restructuring the gut microbiota by intermittent fasting lowers blood pressure. Circulation Research. 128 (9), 1240-1254 (2021).
- Zhong, H. J., et al. Washed microbiota transplantation lowers blood pressure in patients with hypertension. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 11, 679624 (2021).
- Ferguson, J. F., et al. High dietary salt-induced dendritic cell activation underlies microbial dysbiosis-associated hypertension. JCI Insight. 5 (13), 126241 (2019).
- Yu, E. W., et al. Fecal microbiota transplantation for the improvement of metabolism in obesity: The FMT-TRIM double-blind placebo-controlled pilot trial. PLoS Medicine. 17 (3), 1003051 (2020).
- Leong, K. S. W., et al. Effects of fecal microbiome transfer in adolescents with obesity: the gut bugs randomized controlled trial. JAMA Network Open. 3 (12), 2030415 (2020).
- Zhang, Z., et al. Impact of fecal microbiota transplantation on obesity and metabolic syndrome-a systematic review. Nutrients. 11 (10), 2291 (2019).
- Laubitz, D., et al. Dynamics of gut microbiota recovery after antibiotic exposure in young and old mice (a pilot study). Microorganisms. 9 (3), 647 (2021).
- Xiao, L., et al. High-fat feeding rather than obesity drives taxonomical and functional changes in the gut microbiota in mice. Microbiome. 5 (1), 43 (2017).
- Brunt, V. E., et al. Suppression of the gut microbiome ameliorates age-related arterial dysfunction and oxidative stress in mice. The Journal of Physiology. 597 (9), 2361-2378 (2019).
- Choo, J. M., Rogers, G. B. Gut microbiota transplantation for colonization of germ-free mice. STAR Protocols. 2 (3), 100610 (2021).
- Kim, T. T., et al. Fecal transplant from resveratrol-fed donors improves glycaemia and cardiovascular features of the metabolic syndrome in mice. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 315 (4), 511-519 (2018).
- Lu, H., et al. Subcutaneous angiotensin II infusion using osmotic pumps induces aortic aneurysms in mice. Journal of Visualized Experiments. (103), e53191 (2015).
- Wang, Y., Thatcher, S. E., Cassis, L. A. Measuring blood pressure using a noninvasive tail cuff method in mice. Methods in Molecular Biology. 1614, 69-73 (2017).
- Ishimwe, J. A., et al. The gut microbiota and short-chain fatty acids profile in postural orthostatic tachycardia syndrome. Frontiers in Physiology. 13, 879012 (2022).
- Bialkowska, A. B., Ghaleb, A. M., Nandan, M. O., Yang, V. W. Improved Swiss-rolling technique for intestinal tissue preparation for immunohistochemical and immunofluorescent analyses. Journal of Visualized Experiments. (113), e54161 (2016).
- Moolenbeek, C., Ruitenberg, E. J. The "Swiss roll": a simple technique for histological studies of the rodent intestine. Laboratory Animals. 15 (1), 57-59 (1981).
- Ishimwe, J. A., Garrett, M. R., Sasser, J. M. 1,3-Butanediol attenuates hypertension and suppresses kidney injury in female rats. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 319 (1), 106-114 (2020).
- Bokoliya, S. C., Dorsett, Y., Panier, H., Zhou, Y. Procedures for fecal microbiota transplantation in murine microbiome studies. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 11, 711055 (2021).
- Van Beusecum, J. P., Xiao, L., Barbaro, N. R., Patrick, D. M., Kirabo, A. Isolation and adoptive transfer of high salt treated antigen-presenting dendritic cells. Journal of Visualized Experiments. (145), e59124 (2019).
- Harrison, D. G., Marvar, P. J., Titze, J. M. Vascular inflammatory cells in hypertension. Frontiers in Physiology. 3, 128 (2012).
- Sylvester, M. A., et al. Splenocyte transfer from hypertensive donors eliminates premenopausal female protection from ANG II-induced hypertension. American Journal of Physiology. Renal Physiology. 322 (3), 245-257 (2022).
- Reikvam, D. H., et al. Depletion of murine intestinal microbiota: effects on gut mucosa and epithelial gene expression. PLoS One. 6 (3), 17996 (2011).
- Le Roy, T., et al. Comparative evaluation of microbiota engraftment following fecal microbiota transfer in mice models: age, kinetic and microbial status matter. Frontiers in Microbiology. 9, 3289 (2019).
- Sun, J., et al. Fecal microbiota transplantation alleviated Alzheimer’s disease-like pathogenesis in APP/PS1 transgenic mice. Translation Psychiatry. 9 (1), 189 (2019).
- Kim, M., et al. Critical role for the microbiota in CX(3)CR1(+) intestinal mononuclear phagocyte regulation of intestinal T cell responses. Immunity. 49 (3), 151-163 (2018).
- Hintze, K. J., et al. Broad scope method for creating humanized animal models for animal health and disease research through antibiotic treatment and human fecal transfer. Gut Microbes. 5 (2), 183-191 (2014).
- Wilde, E., et al. Tail-cuff technique and its influence on central blood pressure in the mouse. Journal of the American Heart Association. 6 (6), 005204 (2017).
- Liu, X., et al. High-fiber diet mitigates maternal obesity-induced cognitive and social dysfunction in the offspring via gut-brain axis. Cell Metabolism. 33 (5), 923-938 (2021).
