实验小鼠肠道微生物的研究现状

景亚星, 白　鹭, 高焕云, 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）

实验小鼠肠道微生物的研究现状

景亚星1, 白鹭2, 高焕云2, 郑振宇1,2

（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）

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。

肠道微生物； 现代生物技术； 无菌（GF）小鼠

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［1］。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。

1　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［2,3］。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菌群失调［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［5-7］。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［8］，Backhed等［9］利用无菌（GF）小鼠进行试验，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，体内脂肪竟增加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-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）小鼠模型，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［13］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（GOD）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［14,15］，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［16］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日龄的平均超过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［17］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［18］，不同个体和性别间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］。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［23］，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等［24］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等［25］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，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等［26］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间的调节和传递。

3　GF小鼠与肠道微生物

近年来，相继有研究报道［27-30］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IgG、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［9］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。

4　小结

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。

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The Current Research Status of Gut Microbes in Mice

JING Ya-xing1, BAI Lu2, GAO Huan-yun2, ZHENG Zhen-yu1,2
（1. College of Life Science； 2. College of Husbandry and Veterinary，Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China）

The current research status on factors influencing gut microflora in mice and gut microflora by using germ free mice were reviewed. Those may be provide

for futurestudy on gut microbiota in human andanimals.

Gut microbes； Modern biotechnology； Germ free mice

Q95-33

A

1674-5817（2015）05-0421-04

10.3969/j.issn.1674-5817.2015.05.017

2014-12-30

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： 358142889@qq.com［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