无菌动物我家强,高分论文很平常
魏泓 | 热心肠智库专家 2018-06-01
时长:19:52 审校:蓝灿辉
肠道菌群研究为什么一定需要无菌动物模型?可靠的无菌动物平台到底有多给力?
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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由G30资助
本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

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各位观众、同道,大家晚上好!我是陆军军医大学实验动物学教研室的魏泓,今天我演讲的题目是:无菌动物成就您的菌群研究。

前面有讲者介绍了高血压和糖尿病,我想问在座各位一个问题,像糖尿病和高血压这样的疾病在发生过程当中,究竟是遗传因素作用大,还是环境和饮食因素作用大?

现在我们都知道环境因素内化为我们所说的菌群和菌群的变化,因此换句话来说,这些疾病的发生和发展究竟是基因的作用大,还是菌群变化的作用大呢?

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不同的病因,我们将会采取不同的治疗办法:如果是基因出了问题,就要做基因治疗;如果是菌群出了问题,就会沿用现在所说到的很多办法去进行纠正,其中之一的办法是让肠道菌群发生变化。

因此回答这个问题的前提条件是我们必须要解析在疾病发生过程当中,是基因的作用,还是菌群的作用。

针对这两个问题的解析,在实验动物模型上有两个与其对应的技术:一个是遗传工程动物技术,另一个就是无菌动物技术。

这两个技术的核心就是将基因或者菌群拿掉,或者叫敲除,使它失去基因或者失去菌群,从而看它的表型会发生什么样的变化。我们就利用这样的方式来解析基因的功能和菌群的功能。

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大家都很清楚地知道,如果没有基因工程、遗传工程、基因敲除、转基因、基因敲低动物等技术,我们人类的功能基因组研究不会有今天的发展。

但是大家可能没有意识到,如果没有菌群敲除的无菌动物,没有在无菌动物基础上的菌群移植动物模型,也不会有今天菌群与疾病研究的飞速发展。所以,我们说遗传工程动物和无菌动物同样重要。

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我的课题组重点就做这两个方向。我今天主要给大家报告两个内容:一是什么是无菌动物,另一个就是无菌动物工作的相关情况。

无菌动物是自然界原本不存在的动物,是一种特殊动物,它是一种体内不存在任何细菌的动物或者现有的检测手段在其体内不能检测出任何细菌的动物。

巴斯德原本认为无菌动物是不可能存在于社会或大自然的,然而我们通过人工的方法获得,证实了没有细菌的动物同样是可以生存的。

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但是无菌动物是怎么获得呢?它们是基于这样一个基本的理论:

假设就是动物胚胎或者人体的胚胎在进入产程以前,即它的整个胎膜没有破裂之前,这个时候动物的胚胎是处于无菌状态的,就在它产程以前无菌取出,进行人工无菌培养。

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比如,小鼠的妊娠期是21天,我们就在20天半或者在20天的时候,以无菌的剖腹产技术获得无菌的仔鼠,然后给花生米大的无菌仔鼠人工哺乳。

对于人工哺乳的配方,首先要达到它的乳汁的营养标准且必须是无菌的;其次得采取比较精准的方法,每两个小时进行人工哺乳,以保证它能够获得足够量的营养。

过了哺乳期以后,所喂的饲料也是经过辐照灭菌且也要达到营养要求。它的饲料、饮水、垫料及其所接触的一切,其中包括空气,都是无菌的。同时动物和它的环境是否无菌,要严格地进行培养检测。

最终才是获得我们所需要的无菌动物,这就是无菌动物的来源。它是世界上目前最干净的动物,背景最清楚的动物。

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那么无菌动物有什么作用呢?首先从文献上看得出来,无菌动物的文献是呈直线增长,大概2017年的时候,整个无菌动物的相关文献大概120篇。

从总量来说很少,这不是由于它的研究应用本身不热,而是由于它受到资源的限制、受到无菌动物供应量的限制,导致无菌动物仍然是一个稀缺资源,限制了它的研究或应用,因此尽管需求很猛、上升很快,但是它的总量和规模仍然面临瓶颈。

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那么关于无菌动物的作用,我们可以从以下几个方面来体现。

第一个是从我们国家或者全世界的微生物组研究方面来看,需要什么样的支撑和技术,来保证它能够健康地发展。我们认为需要四个平台或者四类技术:

一,是菌种资源——国家的微生物菌种资源库,菌种资源是研究的根本,是整个产业的根本。

二,是宏基因组测序技术的平台,包括相关的组学的平台。

三,是动物实验平台,其中无菌动物的实验平台是动物实验平台的核心,也是微生物组研究的动物实验平台的根本。

四,是临床平台、临床转化平台。

有了这四个平台的支撑,才能保证微生物组的研究健康地持续地发展。

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第二个最重要的方面就是无菌动物是菌群和疾病因果关系验证必不可少的核心工具。大家都知道微生态的概念、理论以及产品,包括微生态的技术,几十年来取得了积极的成果,但是从全球总体来看,我们的微生态研究几十年来相对停滞,没有取得突破。

根本原因是我们弄不清楚菌群和疾病之间很明确、很直接且符合现代医学理念的模式。主要原因是我们缺乏直接的工具,无法回答,甚至无法发表论文,尤其是好的论文。

但是在2006年,华盛顿大学的 Jeffrey I. Gordon 教授在 Nature 发表了一篇文章。他把肥胖病人的菌群移植给了无菌小鼠,而无菌小鼠毫无疑义地出现了肥胖。

这标志着人体微生物组研究出现一个新的开端,也标志着宏基因组技术和无菌动物技术的组合驱动了菌群相关病因的解析和因果关系的确立。

这样一种符合科赫研究模式和疾病病因研究模式的理论体系,在人体微生物组研究方面得以形成。从此以后我们看到每年有大批的文章涌现,把病因和结果直接做了联系,这是无菌动物最重要的作用。

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无菌动物的第二个作用就是由于它的背景干净,是一张白纸,它是菌株或者菌群体内研究必不可少的工具。

我们用体内模型来筛选功效菌株,因为没有体内功效的筛选,我们的益生菌无法说是有功能的。尤其是当我们的益生菌来源于土壤或饮水等等,甚至是来源于植物,其作用的体现一定经过动物实验乃至人体相应的安全性、有效性的验证。

另外由于无菌动物体内的干净度,便于做一对一的菌和菌之间的相互关系的研究,也便于做菌株和宿主的相互关系的研究。

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第三个作用也是一个有效的模型。我们把人的菌群移植给无菌老鼠,让无菌老鼠携带人的肠道菌群,成为我们所说的人源化菌群小鼠模型,用这种小鼠模型饲喂食品。

如果食品当中有化学物质或者抗生素,会引起人源化的菌群发生波动,根据它的波动程度,反过来推测食品当中的抗生素的量,从而检测它的残留量。这也是一个安全性、有效性评价的很好的模型。

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那么伴随着无菌动物广泛的应用,无菌动物的研究已经形成了基本的四种研究模式:

第一种模式是对有菌动物和无菌动物的比较,通过相关性分析来证明它和细菌及它和肠道菌群的作用。

第二种模式就是我们用的最多的菌株或菌群移植的模型,通过菌株或菌群的移植直接呈现相应的表型,来建立菌株或者菌群和表型的相关性或者因果关系。

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第三种模式就是我们提到的,把不同的遗传工程老鼠或者说不同的基因敲除小鼠无菌化,来观察基因和微生物的相互作用。这两类模型模式组合是目前研究菌群和基因功能的最佳的一个模型组合,这也是我们现在国内、外广泛采用的一种研究的模式。

第四种模式就是从动态的角度,即从生命的整个生老病死过程,从发育的角度来观察菌群的变化和表型的变化之间的关系,当然这种模式逐步地发展,衍生出很多丰富的具体的形式。

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比如,菌群的移植有同种的,也有异种的,还有菌群和菌株参与的比较,可以是直接的表型,也可以是诱导的表型。

我们的无菌动物体系值得欣慰,这项体系已经成为国内规模比较大,乃至最大的体系,也是最稳定的,服务单位最多的,最具影响力的体系。

这样一个平台从2006年开始,经过十多年的努力才逐渐形成的。现在我们不仅形成了规模化生产的供应体系,同时随时可以把不同的遗传工程老鼠做无菌化来方便研究者的不同的应用。

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比如,我们配合重庆医科大学的谢鹏教授,证实肠道菌群的变化和抑郁的关系,我们比较无菌老鼠和有菌老鼠,发现无菌老鼠的神经行为学跟有菌老鼠是有差异的,我们把抑郁病人的菌群移植给无菌老鼠,无菌老鼠发生了抑郁的行为。

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我们配合香港中文大学的于君教授,把结肠癌病人的菌群移植给无菌小鼠,促进了无菌小鼠的结肠癌的发生,同时用比较的方法,证实肠道肥大细胞的溶菌酶的释放,只有在微生物的存在下才能发生。

如果没有肠道微生物,肥大细胞将不能够正常地分泌溶菌酶,也就不能够发挥它的天然免疫的作用。

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我们配合印遇龙院士证实像褪黑素这样一种饲料添加剂,它控制或者改善猪的断奶应激的作用,也必须有肠道微生物的存在。

也就是说褪黑素的作用是通过肠道微生物的调节来发挥作用,这为开发饲料中以肠道微生物为靶点的一个研究途径形成了基础。

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我们配合华南农业大学食品学院的方祥教授,证实茶叶里面的茶多酚的降脂和降脂肪肝的作用也是通过肠道菌群来调节的,也就是说茶多酚是以肠道菌群为靶点来发挥降脂的作用的。

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我们国家的无菌动物的研究和应用相对于国际上的水平,目前研究情况怎么样,有什么差距?我觉得主要有这样几个问题:

第一是自身研究缺乏,尤其是原创性的无菌动物本身的基础研究。

第二是效率低,规模总体小,不能够满足日益发展的需求。

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第三是它的供应平台、生产平台和应用平台与医学生物学的研究应用是分离的。

第四是总体来讲没有形成一个整体的研究推进的规模和效率。

所以说我们未来的要加强研究和努力的方向,首先要加强原创性研究,其次要上规模,最后要建整合的平台。

在这些基础上,我们要整体推进我们国家的无菌动物应用研究,来推动我们国家的微生物组的研究。

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比如,要加强无菌动物的原创性的研究。我们养了十多年的无菌动物,发现有一个非常奇怪的现象——在不存在微生物的情况下,无菌动物的生老病死跟普通动物是一样的,没有显著的差异。

原因是我们认为机体在没有微生物存在的情况下,它一定开启了一个特殊的通道或者是开启了一个特殊的补偿机制,让它在没有微生物的情况下,采用了一条完全跟它有菌状态下不一样的生命代谢的基本通道。

我相信这些现象的解析不仅对无菌动物的研究是大有裨益的,对我们研究生命代谢的基础研究也是大有裨益的。

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再比如,我们希望建立规模化的无菌动物研究体系。要建立规模化的生产供应体系,首先是模式要转变,要从封闭的自给自足的模式转变成一种专业化、社会化的开放的模式。

这种模式转变有可能在中国首先做到了,从而使我们无菌动物的整体的运用量以及运用规模提升,带动整体的微生物组的研究。

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其次就是要建整合的研发平台。实际上这个整合的研发平台包含了两个内容,其一是无菌动物技术和宏基因组技术的整合,这个方面成功的例子就是 Jeffrey I. Gordon,他就是靠这两个技术的组合,引领我们国际微生物组的发展。

其二就是我们希望把无菌动物这个体系和医学生物学的专业研究体系,包括表型检测体系进行结合。

我一直希望能够在全国各地根据各个学科的需要,建立像无菌动物精神病学研究平台、无菌动物心血管系统疾病研究平台这样的一些专业化研究平台,我相信会推动这些领域的发展。

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我觉得如果有这样一个高效的、规模化的、集成的研究体系,我们在临床的问题、产业的问题、科学问题的牵引下,就能够不断地创新。

尤其是在目前人类微生物组研究处于现象的发现和知识的积累阶段,我们就有可能在这个领域跟大家以及全世界站在一个起跑线上去争夺,使中国在这个领域里面处于一个领先的地位。

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我们希望中国的人类微生物组研究能够在全世界领先,也希望无菌动物在其中发挥重要的作用。

作为实验动物的科技工作者,我们的文化或者理念就是创一流技术成就他人,发展自己。我希望和我们一样应用动物模型,应用无菌动物的人,一起共同努力和成长。非常感谢大家的倾听!

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(全文结束)

 

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