上一期我們解析了無菌小鼠的生理特點，比較了SPF級小鼠與無菌小鼠在腸道等方面的區(qū)別。這期我們重點闡述小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上的差異，以及為什么存在差異，但應(yīng)用無菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型仍然是進(jìn)行人類疾病研究的有效方法？

 

一、小鼠和人胃腸道解剖結(jié)構(gòu)上的異同

 

小鼠和人在生理解剖結(jié)構(gòu)上有較大的相似性，這也是為什么小鼠模型被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥等研究領(lǐng)域的原因之一。雖然小鼠和人的胃腸道在解剖結(jié)構(gòu)上也更加相似，但還是存在一定的差異，這可能是由消化的食物、飲食方式、體型大小以及代謝等造成的。

 

小鼠和人小腸的整體表面積的平均比相似，但在腸道不同部位的比例兩者卻相差較大。比如，小鼠小腸與大腸的平均長度比是2.5，而人則是7。小鼠小腸與大腸平均表面比是18，而人是400。相對于整個胃腸腔而言，小鼠盲腸明顯較大。小鼠盲腸是植物類食品發(fā)酵、食糞重新吸收產(chǎn)生維生素K和維生素B的重要的地方。相反，人盲腸相對較小，其解剖結(jié)構(gòu)與結(jié)腸相似，也無明確功能。這種形態(tài)上的差異性反映了小鼠為適應(yīng)擴(kuò)充的結(jié)腸和盲腸能力形成的功能區(qū)域，使該特殊的結(jié)構(gòu)部位能從大量相對不容易消化的食物中，獲取更多營養(yǎng)物質(zhì)。人有闌尾，小鼠卻沒有。闌尾被認(rèn)為是食物選擇壓力下的盲腸殘余部分。闌尾也有被認(rèn)為是腸道微生物紊亂后，可作為有益細(xì)菌在此處儲存復(fù)蘇的地方。

 

圖1. 小鼠和人胃腸道解剖結(jié)構(gòu)上的異同

 

小鼠的小腸絨毛較人的要長，這種形態(tài)特征增加了小鼠小腸的表面積，被認(rèn)為是對小鼠小腸缺乏粘膜皺襞的補償機制。小鼠結(jié)腸無分節(jié)而比較光滑，而人大腸則有小鼠結(jié)腸沒有的區(qū)域小袋結(jié)構(gòu)。在人體，食物碳水化物的發(fā)酵是在大腸進(jìn)行的，而非在盲腸或者闌尾。

 

圖2. 小鼠和人類腸壁的解剖結(jié)構(gòu)

 

小鼠和人在腸道組成結(jié)構(gòu)方面的不同，特別是小鼠盲腸表現(xiàn)出的更大發(fā)酵能力的特征，有可能影響到腸道微生物在結(jié)腸的多樣性與構(gòu)成。腸道微生物不僅參與難以消化的食物成分的發(fā)酵過程，還有助于宿主產(chǎn)生必需營養(yǎng)物（如維生素K和B）及短鏈脂肪酸(SCFAs)。

 

另外，除了肉眼可見的形態(tài)上不同，在顯微鏡下小鼠和人小腸也能看到結(jié)構(gòu)上的不同。 小鼠結(jié)腸由薄薄的粘膜肌組成，沒有明顯的粘膜下層，而人結(jié)腸則覆蓋有較厚的粘膜層。而且，人結(jié)腸粘膜存在橫向褶皺結(jié)構(gòu)（這種結(jié)構(gòu)只存在于小鼠盲腸與近端結(jié)腸處）。這些在結(jié)腸部位的微小組成與結(jié)構(gòu)上的不同也可能間接反映了不同宿主之間出現(xiàn)的不同腸道微生物群組成和多樣性的生態(tài)特征。

 

在細(xì)胞水平上，小鼠和人也存在許多不同之處。首先，表現(xiàn)為生產(chǎn)黏蛋白的goblet細(xì)胞。小鼠的goblet細(xì)胞主要存在于小腸底層和結(jié)腸近端的表面，相反，人的該類細(xì)胞在盲腸到直腸都非常多。其次，小鼠的Paneth細(xì)胞主要集中在盲腸，而人的Paneth細(xì)胞卻多見于盲腸和結(jié)腸。另外，小鼠和人的Paneth細(xì)胞在分泌防御肽（defensin) 的數(shù)量與儲存方面也有差異，提示小鼠和人在局部免疫反應(yīng)上可能存在的差異，有可能影響到其腸道微生物組成與多樣性。

 

表1. 小鼠與人胃腸道的異同

 

總之，哺乳動物的消化道是非常保守的，不同種系間的主要差異可能與飲食結(jié)構(gòu)等生活方式有關(guān)。如果按雜食動物特性分析，小鼠和人還是有許多共性。但是，相對于小鼠，人在進(jìn)化過程中形成了較小的盲腸與相對較長的小腸。這些組成結(jié)構(gòu)上的不同并不是說明小鼠模型在研究宿主與微生物間相互作用方面沒有價值，只是我們在對小鼠和人的腸道微生物組成方面研究結(jié)果進(jìn)行直接對比的時候，需要慎重小心，因為宿主和微生物間的共生與進(jìn)化狀態(tài)，可能會受到這些解剖結(jié)構(gòu)上差異的影響。

 

綜上所述，小鼠與人腸道結(jié)構(gòu)組成上存在不少差異，但為什么說應(yīng)用無菌小鼠構(gòu)建腸道微生物人源化小鼠模型仍然是進(jìn)行人類疾病研究的有效方法？小鼠與人健康腸道微生物群組成上有哪些特征？

 

二、小鼠和人腸道微生物的異同

 

一般而言，小鼠和人腸道微生物主要可分為兩大菌門，即擬桿菌門（革蘭氏陰性，非芽孢厭氧菌）和厚壁菌門（革蘭氏陽性，芽孢厭氧菌）。如果進(jìn)一步分類，小鼠腸道微生物與人腸道微生物在細(xì)菌菌屬的相似性只有約15%。當(dāng)然，研究技術(shù)與分析方面等的差異也影響了小鼠和人腸道微生物組成的比較。通常小鼠腸道微生物研究是分析盲腸內(nèi)容物，而多數(shù)人相關(guān)的微生物研究則是分析糞便樣本，且多數(shù)分析人腸道微生物構(gòu)成是來自16S rDNA和宏基因組兩種測序技術(shù)的研究結(jié)果， 而應(yīng)用16S rDNA測序技術(shù)分析小鼠樣品則通常被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)選擇方法。

 

如果排除以上可能的影響因素，應(yīng)用16S rDNA測序技術(shù)研究方法對五個小鼠糞便樣本與四個公開的成年健康人數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有79個菌屬可以在小鼠和人腸道微生物中找到，但在主要菌屬的數(shù)量豐度上卻存在較大不同。

圖3. 基于已發(fā)表的16S rDNA測序數(shù)據(jù)的小鼠和人類糞便微生物群的薈萃分析

 

在腸道微生物組成比較研究中，對于出現(xiàn)的主要種屬間差異變化的研究報道，人們需要非常清醒地意識到，許多因素都可能影響到研究結(jié)果的可靠性，比如研究分析技術(shù)上的差異性、人群構(gòu)成不同、小鼠飼養(yǎng)環(huán)境、小鼠品系、樣品處理操作、處理技術(shù)和分析方法等。

 

關(guān)于小鼠腸道核心微生物的定義, 即每個小鼠個體腸道微生物都可能包含的分類群。通過對來自六個小鼠腸道微生物數(shù)據(jù)的比較分析發(fā)現(xiàn)，小鼠的腸道的核心微生物為4個菌屬。而來自124個歐洲人群的研究表明，有90%的研究人群中都包含9個菌屬。這些研究結(jié)果提示，小鼠腸道核心微生物菌屬可能較人的要少，但如此結(jié)論還需要更多的研究證實，以排除可能因為測序不夠完全造成的誤差因素。

 

腸道菌集群（即腸型）的存在，是人腸道微生物個體多樣性研究中的一個重要發(fā)現(xiàn)。雖然關(guān)于人群中這些所謂腸型的識別程度仍有爭議，但將腸道微生物的腸型作為有用的區(qū)分工具逐漸達(dá)成了共識。對實驗室小鼠的腸道微生物群進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)有所謂的腸型存在。目前還不清楚是什么原因造成了小鼠和人群個體具有這種腸型特征，但如果平行比較小鼠和人群間腸型，可以較容易地找到相對應(yīng)的腸型。比如，一個小鼠的腸型是由 Lachnospiraceae/Ruminococcaceae 菌種主導(dǎo)，與人的 Ruminococcaceae腸型（也被稱之為腸型3）相似。另外一個小鼠的腸型是由Bacteroidaceae/Enterobacteriaceae主導(dǎo)，這與人的 Bacteroides enterotype腸型（或腸型1）相似。研究已發(fā)現(xiàn)，菌種豐度和炎癥與實驗室小鼠的腸型相關(guān)，比如，Bacteroidaceae/ Enterobacteriaceae菌低豐度腸型的小鼠，多表現(xiàn)為炎癥標(biāo)記物鈣結(jié)合蛋白的升高。這與近來的人群肥胖研究中的結(jié)果也是一致的， 即Bacteroidetes and Proteobacteria主導(dǎo)菌種（與小鼠個體中所謂“炎癥”腸型相似）的低豐度的個體更容易發(fā)生炎癥。

 

目前的研究結(jié)果表明，小鼠和人的腸道微生物中，特殊菌屬/菌種豐富性組成和程度是有一定差異的。這些本質(zhì)上的明顯不同，可能是由兩種哺乳動物系統(tǒng)造成的，也許與其他的包括從飲食到致病菌的暴露等各種復(fù)雜影響因素有關(guān)。

 

總體而言，小鼠和人腸道微生物群組成及相關(guān)影響因素可能是相似的（比如腸型）。因此，雖然在他們之間進(jìn)行絕對比較是較為困難的，但小鼠模型還是可以作為研究微生物變化以及破壞改變過程的相關(guān)影響因素的可行選擇。另外，這也間接提示了應(yīng)用人腸道微生物移植無菌小鼠，建立腸道微生物人源化小鼠模型在開展人相關(guān)疾病研究的必要性與現(xiàn)實意義。

 

參考資料：

1. 【專訪】俞曉峰博士：無菌小鼠及腸道微生物移植小鼠模型在人相關(guān)疾病研究中的應(yīng)用

2. Nguyen, T. L., Vieira-Silva, S., Liston, A. & Raes, J. How informative is the mouse for human gut microbiota research? Dis. Model. Mech. 8, 1–16 (2015).