魏泓:23分钟详解“无菌动物”最新动向
热心肠小伙伴们 2021-09-02
时长:23:39 字幕:热心肠小伙伴们 审校:李丹宜
在功能微生物组时代,如何挖掘和发挥无菌动物模型的研究和应用价值?

编者按:

中国肠道大会是由南京医科大学第二附属医院张发明教授、热心肠生物技术研究院蓝灿辉院长在 4 届“中国整合肠病学学术会议”基础上,共同发起并于 2018 年创立的跨学科、跨专业的大型学术交流平台。

今年 5 月 28-30 日,2021中国肠道大会在南京国际展览中心隆重召开。本届大会设立了 20+ 个学术分会场,邀请包含 13 位两院院士、20 位国外顶尖专家在内的国内外肠道领域学术专家作了 200 余场学术报告。

今天,我们特别整理了中国肠道大会联合发起人、陆军军医大学魏泓教授的开幕式演讲视频及图文实录,以飨读者。

 各位老师好,我的报告题目是《基于无菌动物的功能微生物组的研究》。

大家都知道无菌动物是体内外不能检测出任何细菌的动物。

2006 年 Jeffrey Gordon 在 Nature 上发表了标志性的文献,把肥胖病人的菌群移植给无菌小鼠,导致了无菌小鼠的肥胖,形成了菌群和表型的因果关系。

这篇论文开启了我们目前这 15 年来如火如荼的现代微生物组的研究,也推动、牵引了无菌动物,进入了应用的黄金时代,不断发现我们的生老病死、各种各样的生理病理表型和菌群的关系。

在这个过程当中,以宏基因组技术为代表的组学技术,让我们知道了“菌群是什么”,而无菌动物建立了因果关系,这两类技术是微生物组目前以原创性科学发现为标志、不断地发展的一个重要现象。

所以说,在过去 15 年的微生物组研究当中,无菌动物功不可没。但是未来如何?我们很关心。无菌动物毕竟是一类动物模型,它能不能够继续发挥独特的作用?能不能够从现在的基础研究转为应用研发?能不能够实现规模化的应用?无菌动物在未来的微生物组研究,包括功能微生物组的研究当中,能够担当一个什么样的基础工具作用?这是我们值得关注的问题。

这样一些问题,我们课题组也在积极地探索,在《中国科学:生命科学》的 Insight 上,也发表了一系列的观点。我们也是希望积极地去探索,怎么用无菌动物支持功能微生物组的研究。

所以说我们提出来,要建立规模化的无菌动物体系,要去发展基因工程动物和无菌动物的整合体系,把基因工程动物转化为无菌动物,去研究基因和微生物的互作关系。

我们也提出来,要把无菌动物作为一个基础模型,要变成一个筛选模型。比如说,我们要利用三重人源化的小鼠,去筛选微生物对肿瘤辅助生物治疗的影响,希望能够建立这样一些高通量的与肿瘤生物治疗相关的模型。

当然我们也希望,无菌动物这样的微生物组相关技术,能够去支持不同领域的功能微生物组研究,包括中医药微生物组研究,比如说帮助和协助发现中医药菌群的靶点,以及用于证候的物质基础的研究等等。

因此我们认为,我们现在的微生物组时代,正在从基础转向应用,进入功能微生物组的时代。这样一个大局的变化,这样一个格局的变化,一定会使无菌动物领域,呈现新的特点,形成新的发展趋势。

我们总结了这样一个趋势,它有三个特点:第一是规模化,第二是多元化,第三是功能化。

规模化——我们已经看到,无菌小鼠不再是一个数量很小的动物模型群体,它已经在向规模化发展,而且由于它的规模化,必然会促使它的标准化,促使它的商品化。

第二个是多样化。我们不仅看到,常规野生型的无菌小鼠转化为更多地去呈现不同基因工程小鼠的重要疾病模型的无菌小鼠,而且也看到除了无菌小鼠以外,已经有了无菌大鼠、果蝇、线虫乃至无菌猪等不同模式动物和实验动物的无菌动物。

另外我们已经看到,它不仅是一个因果和机制研究的工具,更重要的它有可能发展为工业化应用,或者应用研发过程当中的筛选工具和评价工具。所以说,它正在从微生物组的上游转入到下游,在维持上游基础研究的态势下,不断地去发展它的下游应用,在呈现功能化的特点。

我们分析了国内外的文献,以及我们课题组服务于国内相关的科研合作单位的无菌动物的构成情况,我们也发现了这样一个趋势——无菌动物正在处于一个变革时期和一个转型时期。

我们从文献上看到,近 20 年来,无菌动物在持续地发展,发表的文献在持续地增加,而且不但有小鼠,也开始出现其他类的无菌动物,如果蝇、线虫、猪以及斑马鱼的不同品系。

但是也看到另外一个趋势,近两年来,无菌动物的使用在文献方面的增速趋于放缓,这说明作为一个基础研究工具的无菌动物,它的发展是一定有天花板的。

原来在我们那儿做无菌动物实验,一鼠难求,可能要排一年队、一年半的队,但是现在的情况已经开始出现无菌小鼠的积压。这反映单靠基础研究科研用户,来拉动我们无菌动物的需求,是不够的。

从功能微生物组、从产业应用研发的角度,需要无菌动物更多地去适应发展的需求。

所以说在功能微生物组的形势下,在刚才我们所说的规模化、多样化、功能化的特点的情况下,无菌动物将会发挥新的作用,有新的功能。

这个功能就是我们所说的因果、筛选、评价。原创性的疾病和微生物组的因果关系建立,包括机制解析的基础上,一定要走入下游,把它变成药物筛选、功能食品的筛选、靶标筛选的工具,要把它变成一个安全性、有效性,包括临床技术和产品的安全性、有效性评价的工具。这个趋势我们已经看到。

这个趋势实际上也是我们功能微生物组的一个研发流程,我们这个流程大概经历了从相关到因果,到筛选,到评价,最终再回到临床,这样一个流程。

我们通过多组学的方法,从临床病例中发现相关性;然后通过菌群移植,建立因果关系;在因果关系确立的情况下,在动物体内通过动物的富集作用、功能的富集的作用,分离获得微生物;再做单菌株和单基因的互作研究,去解析它的机制;最终发现单一微生物或单一微生物的特定代谢产物,与宿主的某个特定基因的相互互作。

这样,我们就会对微生物“看得到、拿得到、用得到、搞得清”,不但能够发表原创性的论文,同时也能够研发功效显著、机制清楚、安全可控的产品。

在基础研究上面,我们讲无菌动物也是有共性技术的,我们重点讲四类研究方法。

在筛选评价应用层面,我们简单汇报一下,活体生物药以及精准的营养评价体系和人源化动物模型在筛选评价当中的应用。

比较、移植、互作和发育,是我们基于无菌动物的功能微生物组基础研究的重要技术手段和措施。

通过比较发现相关关系,通过移植建立因果关系,通过把基因工程动物转化为无菌动物去建立互作关系,通过发育的研究去了解微生物和宿主的共生关系,以及它们发育上的相互的促进。

我们都说:微生物是无处不在,无所不能。无菌动物没有任何细菌,它依然能够生存、能够繁衍、能够维持它的基本寿命,但是它一定发生了深刻的变化。这个深刻的变化,使得我们基于无菌动物和有菌动物的研究,能够不断地去解析微生物和表型的关系,另外,可能去发现没有微生物的情况下的独特科学现象。

我们在 Nature 上看到一篇文章,就是无菌动物和有菌动物的比较,发现了新的胆汁酸代谢路径。

同样我们可以相信,利用有菌动物和无菌动物的比较,我们也有可能发现新的色氨酸、蛋氨酸的代谢路径,会发现短链脂肪酸的代谢路径,因为这些物质的产生和代谢,在正常有菌动物的体内,都是离不开微生物的。

我们也利用有菌动物和无菌动物的比较,包括和刘志华教授的合作,证实了溶酶体的释放离不开细菌,肠道菌群的信号可以调节胰岛素的囊泡化和成熟。

我们也用菌群移植的方法,证明了一系列疾病和微生物的因果关系、微生物和这些疾病发生发展的因果关系,包括抑郁症、精神分裂,包括跟于君教授合作的结肠癌,包括重症肌无力。

也包括骨关节炎,甚至我们最近也在研究睡眠和微生物的关系。睡不着这个问题,一定程度上可以通过微生物来改变。我们也在和北京六院加强合作,第一篇论文已经发表,这老鼠你叫它 24 小时睡不着觉,一直骚扰它,不让它睡觉,它就会发生内源性的炎症、肠道屏障功能受损,它的行为学也会发生异常。

在畜牧业微生物组方面,我们和张和平教授合作,也证实把奶牛乳腺炎的菌群,移植到无菌小鼠可以发生乳腺炎。把猪不同肠段的菌群,移植到小鼠,发现不同肠段的菌群有不同肠段的定植特性等等。

这些都是用无菌小鼠来解析人、解析猪、解析奶牛,它的肠道微生物组和它的性状的关系。

我们也提出来,把临床上发现的和某些疾病有关系的点突变 SNP(单核苷酸多态性),制备成基因工程动物,再转化为无菌动物,再结合微生物的干预,来研究基因和微生物的互作对重要疾病发生发展的影响。

我们都知道,所有的疾病都是遗传和环境所决定的。所以说理论上来讲,所有疾病的解析都应该按照功能模型来解析,都应该制备基因工程动物,再转化为无菌动物,再去研究它的因果,再去发现、验证基因的靶点和微生物的靶点。

所以我们提出来,要把这两个技术通过“一步法”和“两步法”来进行整合。

所谓的“一步法”,就是直接把基因编辑的胚胎,一步到位移植给无菌小鼠,形成基因工程小鼠的无菌鼠。

另外一类,“两步法”就是对现有的基因工程小鼠,通过剖腹产、生物净化转化为无菌小鼠。

针对研究的需求,我们近两三年来致力于把不同的重要疾病的基因工程小鼠转化为无菌小鼠,包括糖尿病的 db 小鼠、肥胖的 ob 小鼠、动脉粥样硬化的 ApoE 小鼠、精神疾病的模型小鼠、用于 IBD(炎症性肠病)研究的白介素 10 的敲除小鼠等等一系列的疾病模型的无菌小鼠。

目的就是想推动研究基因和微生物互作对疾病发生发展的影响的研究,也用这样一些疾病模型的无菌小鼠来验证微生物的功能。

我们也利用这个手法,把它转化为一个分子网络研究的微生物和基因的研究工具。

无菌动物的互作模型,除了我们说的基因和微生物的互作,微生物在体内的定性、定量、定位的研究,是一个互作的最重要的关系。人源化菌群的无菌小鼠,结合成像技术、标记技术、基因组的定性定量技术,我觉得将会是解析人的菌群和宿主的关系的一个有效技术方法和手段。

在发育方面,有两方面的研究:一个方面就是不同发育阶段的比较,第二个方面就是把不同发育阶段的菌群做交互移植,来了解菌群和宿主的共生关系。

关于筛选、评价、应用研发评价的领域,我想重点介绍三个方面内容:一个是活体生物药,第二个就是精准营养评价,第三个就是人源化动物模型。

现在有 100 多种活体生物药(LBP)在研发,有些已经进入临床阶段。FDA 很明确地提出,这一类药物要优先以无菌动物来评价它的潜在安全性,所以说无菌动物有可能成为 LBP 安全性评价的常规动物。

刚才也提到了药物和微生物的互作。我们都知道药物的药代过程,有一个很著名的过程的研究,叫 ADME——吸收、分布、代谢和排泄。这个过程尤其是代谢过程,一定是肠代谢或肝代谢。所以说利用无菌动物,包括人源化动物模型,来研究药物和微生物的互作,一定是药物研发的一个重要措施和手段。

我们配合澳门科大的梁教授,利用菌群移植的基本手段,证实了人参多糖干预肠道菌群以提高 PD-L1 治疗抗体疗效的这样一个基本逻辑和因果关系。

我们认为,无菌动物的一个很大的优势现在还没有发挥出来。我们往往做菌群移植,很少做单菌移植实验,恰恰单菌的实验,正是无菌动物的优势,因为单菌的作用,在无菌动物能够得到充分的验证。所以说我们配合做了一个相关实验,证实了产酒精的单株菌能够诱导脂肪性的肝损伤,这就是单菌的实验。

这就是刚才说的药物和微生物的相互作用,其一是以微生物、以菌群为靶点,二是它的相互作用。比如说我们以糖尿病药物 DPP-4 的抑制剂为例,这个药上市的时候,没有考虑微生物的因素,但是我们发现,它是会改变微生物的。反过来讲,微生物对它有没有代谢和转化,也值得去深入地研究。

另外 FMT(粪菌移植)的问题,我觉得实际上跟无菌动物的关系是三个问题:一个是安全性评价,第二个是有效性评价,第三个就是选择性 FMT。

评价除了用常规动物,能不能够用高敏感的比如用重度免疫缺陷的无菌小鼠,来做评价,提高它的敏感性。

在筛选方面,我们可以用疾病模型的无菌小鼠,来做 FMT 供体物的筛选,选择新的配方移植。

我们可以利用因果关系确立、治疗疗效确定的体内模型,来进行选择性的、优势性的筛选,最终组合成配方菌群移植,发展安全、有效、可控的FMT。

另外在食品这个方面,我觉得无菌动物,包括微生物组研究和食品这个领域有三个连接。

第一个就是跟药物一样的食物功效成分,包括中药这些保健食品,它跟微生物一定是有互作的,因为它是大分子物质。这是第一个,微生物和我们的功效成分的互作。

第二个就是它的有效性评价,基于疾病模型的无菌动物,来做食品、功效食品或者以菌群为靶点的有效性评价。

第三个,解析机制。把大量的比如说胆汁酸代谢路径、短链脂肪酸代谢路径,保健食品、功效食品通用的这些研究路径相应的基因工程小鼠,转化为无菌小鼠,再去做相关的机制研究。

因此我们认为,基因工程动物和无菌动物体系的整合,是有利于推动相关的功能食品研究,推动食品的微生物组的研究。

在这个方面,包括我们配合赵立平教授,去阐明膳食纤维改变菌群、改变糖尿病的作用,去阐明茶多酚以菌群为靶点的降脂作用,去阐明没有菌群的作用,花色苷将不能发挥降脂作用。这些都体现了这类模型的重要性。

另外一个就是刚才说的人源化模型。现在肿瘤生物治疗的抗体产品层出不穷,大家也认为微生物能够帮助病人改善菌群,辅助治疗,那能不能有一个体内的筛选系统,去筛选辅助用的微生物。

所以我们提出来,要基于重度免疫缺陷,在这个基础上,进行人源免疫系统重建、肿瘤的人源化,再在这个基础上,做人源化菌株的三重人源化小鼠,作为肿瘤生物治疗抗体的辅助筛选系统。我相信这个系统一定会引起肿瘤辅助生物治疗、肿瘤用药的辅助微生物筛选的相关重视。

另外,我们绝大部分细菌是不能够培养的,或者难以培养的,其中的关键是培养基。我们能不能在这种重度免疫缺陷的小鼠的基础上,培育人源化的肠道类器官,把肠道类器官作为培养基,这样就有可能把大量不能培养的细菌,变成可以培养的细菌,去大量地、批量地发现新菌种。

另外大家都知道,给免疫缺陷的无菌猪移植人的干细胞,能够在猪体内培育人的器官,但是这个猪一定要在无菌条件下才能生存,因为它重度免疫缺陷,没有无菌的条件,它不能够生存,更不能做器官培育。

因此,无菌动物不仅是一个模型,它也是个技术,它也会和再生医学、干细胞技术发生交叉和重组。

我们用人源化的菌群动物模型,去评价食品安全,通过对菌群影响和波动,来反映食品当中残留的抗生素。

同样,这个方法也可以评价菌群对生物材料的扰动反应,通过菌群来反映肠道以及其他器官所用的生物材料的生物安全性。我觉得这个也是无菌动物评价领域的一个新的增长点。

总之我们相信,目前的微生物组已经进入到功能微生物组时代,会衍生出疾病微生物组、药物微生物组、中药微生物组、食品微生物组、畜禽微生物组等等。

这些一定会使得无菌动物的作用发生变化,产生新的功能,就是我们所说的因果、筛选、评价,而这三个功能一定会推动无菌动物的规模化、多样化、功能化。

所以,我们相信无菌动物一定会不断焕发它的青春,不断产生它的新作用,去配合我们的功能微生物组的研究,去配合如火如荼的微生物组的研发。

谢谢!

专家简介
魏泓
第三军医大学基础医学院教授
中国实验动物学会无菌动物专业委员会主任委员
以遗传工程与无菌动物技术为核心,以解析机体自身基因组功能和肠道菌群宏基因组功能及其相互关系为学术目标,形成了模型动物制备与应用创新研究体系。建立国内最具影响力无菌动物平台,形成了无菌与有菌动物比较、菌群(菌株)移植、遗传工程动物无菌化、无菌动物发育的四种基本研究模式,为抑郁、精神分裂症、结肠癌、乳腺炎、肠道肥大细胞溶菌酶释放等重大疾病发生发展、重要生理病理表型与肠道菌群因果关系确立发挥了重要作用,有效支撑了国内医学、食品、畜牧等领域微生物组动物实验研究。
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