一种噬菌体条件性小鼠模型揭示噬菌体在常规定植肠道菌群中的作用

A bacteriophage-conditional mouse model reveals the impact of phages within a conventionally colonized gut microbiota.

作者信息Hollyn C Franklin, Rita Makhlouf, Anh D Ha, Rogerio A Bataglioli, Zachary R Baker, Sydney A Murphy, Hannah Jirsa, Joshua Heuler, Teresa Southard, Frank O Aylward, Bryan B Hsu
PMID40300596
发布时间2025-05-14
DOI10.1016/j.chom.2025.04.002

实验完整度

高

包含体外噬菌体-细菌培养、常规定植小鼠模型、噬菌体重建及16S与病毒组测序等功能与机制验证

主要模型

体外噬菌体-细菌共培养体系 常规定植C57Bl/6小鼠BaCon模型 噬菌体清除与重建小鼠模型

重点核对

吖啶黄浓度:40、160、400 μM饮水处理12天 噬菌体重建剂量:2 × 106 VLP,第14和15天各口服灌胃一次 氨苄西林浓度:100和1000 mg/L饮水处理2天(第16–18天) 粪便VLP用epifluorescence计数,细菌用流式细胞术绝对计数 16S rRNA基因扩增子测序与VLP病毒组测序

摘要

肠道菌群中噬菌体的意义仍知之甚少,部分原因是缺乏一种动物模型,能够在保留常规定植所获得的微生物多样性的同时,对有噬菌体和无噬菌体的条件进行比较研究。我们描述了一种小鼠模型,使用一种广泛可得的化合物吖啶黄,优先从肠道中清除烈性噬菌体,而不显著影响肠道细菌。我们随后表明,肠道噬菌体密度可通过口服灌胃重建。使用这种噬菌体条件性(BaCon)小鼠模型,我们揭示:虽然噬菌体在平衡条件下影响相对很小,但它们增强了氨苄西林对共生肠道细菌的效力。总之,我们的工作提出了一个动物模型,可用于在复杂、生理相关的系统中条件性地研究噬菌体的作用,并进一步将烈性肠道噬菌体鉴定为重大扰动期间细菌变异性的潜在来源。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
能否在保留常规肠道菌群多样性的前提下建立可选择性地有或无烈性噬菌体的动物模型,并研究噬菌体对肠道菌群及抗生素扰动的影响。
核心机制
吖啶黄优先抑制烈性噬菌体的感染与增殖,而对宿主细菌影响较小;在体内清除肠道烈性噬菌体后可通过口服灌胃重建,噬菌体存在可增强氨苄西林对部分共生肠道细菌的抑制。
主要证据
体外多种噬菌体-细菌培养显示吖啶黄降低噬菌体滴度并保护细菌密度;常规定植小鼠饮水给予吖啶黄12天降低粪便VLP而不显著改变细菌密度和α多样性;口服灌胃cecal VLP可重建噬菌体;氨苄西林处理中噬菌体重建小鼠的部分细菌属绝对丰度下降更显著。
研究意义
提供了一种可在复杂、生理相关系统中条件性研究噬菌体作用的BaCon小鼠模型,并提示烈性肠道噬菌体可能是重大扰动期间细菌变异性的来源。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

筛选抑制噬菌体的吖啶化合物

比较不同吖啶对烈性噬菌体PP01及其宿主E. coli NC101的影响。

将PP01单独或与E. coli NC101共培养,加入acriflavine、ethacridine、proflavine、acridine orange或9-aminoacridine,4小时后用噬菌斑试验测噬菌体浓度并用OD测细菌密度。

2

评估吖啶黄对不同基因组类型噬菌体的广谱抑制作用

检验吖啶黄对dsDNA、ssDNA、dsRNA和ssRNA噬菌体及其宿主细菌的影响。

将代表性噬菌体单独或与对应宿主共培养,加入40 μM acriflavine,4小时后测噬菌体滴度和细菌OD。

3

解析吖啶黄对温和噬菌体生活史的影响

区分吖啶黄抑制游离噬菌体感染还是影响溶原及质粒维持。

用携带卡那霉素抗性盒的λ噬菌体感染E. coli,加入acriflavine后测总细菌、溶原菌比例、游离噬菌体及prophage和pUC19质粒保留率。

4

在常规定植小鼠中建立噬菌体清除模型

检验吖啶黄能否在体内优先清除肠道噬菌体而不显著改变细菌群落。

给常规定植C57Bl/6小鼠饮水中加入不同浓度acriflavine 12天,每4天收集粪便,用epifluorescence计数VLP、流式计数细菌,第12天取粪便和盲肠做16S rRNA基因扩增子测序。

5

通过口服灌胃重建肠道噬菌体

检验清除后的肠道噬菌体能否通过口服cecal VLP恢复,并比较重建与清除状态。

acriflavine处理12天后,于第14和15天口服100 μL 1M NaHCO3后10分钟灌胃100 μL活性或热灭活纯化cecal噬菌体。

6

分析噬菌体对氨苄西林作用于肠道细菌的影响

检验内源性噬菌体是否使肠道共生细菌对氨苄西林更敏感。

在BaCon小鼠第16–18天饮水中给予氨苄西林,比较噬菌体清除与重建小鼠粪便细菌绝对浓度,并用Spearman相关分析细菌属变化。

7

体外验证噬菌体-氨苄西林协同杀伤人源共生菌

检验代表性人肠道共生菌是否也表现噬菌体增强氨苄西林杀伤。

对Clostridium sporogenes与F1噬菌体、Lactobacillus paracasei与PL-1噬菌体滴定噬菌体和氨苄西林浓度,检测细菌密度热图。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
溶菌肉汤ThermoFisher ScientificBP1426-2
脑心浸液CriterionC5141
MRS培养基CriterionC5931
DNeasy血液与组织试剂盒Qiagen69504
粪便/土壤微生物DNA快速提取试剂盒Zymo ResearchD6010
粪便/土壤微生物DNA快速提取96孔试剂盒Zymo ResearchD6011
Turbo DNaseThermoFisher ScientificAM2238
RNase 1ThermoFisher ScientificEN0601
蛋白酶KVWRE195
聚乙二醇8000Fisher ScientificBP233
硫氰酸胍溶液Sigma-Aldrich50983
N-月桂酰肌氨酸钠盐Sigma-Aldrich61747
氯仿Sigma-Aldrich319988
二水氯化钙Fisher ScientificBP510
六水氯化镁Fisher ScientificM35
氯化钠Fisher ScientificBP358
柠檬酸三钠二水合物Sigma-AldrichC8532
十二烷基硫酸钠Fisher ScientificBP166
七水硫酸镁Fisher ScientificBP213
SuperScript IV第一链合成试剂盒ThermoFisher Scientific18091050
Invitrogen Qubit Flex荧光定量仪Fisher ScientificQ33327
M220聚焦超声仪Covaris500295
xGen单链DNA与低输入DNA文库制备试剂盒Integrated DNA Technologies10009859
xGen UDI引物Integrated DNA Technologies10005975
4200 TapeStation系统AgilentG2991BA

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
吖啶黄体外抑制噬菌体
acriflavine浓度(40 μM,部分80 μM)、MOI(0.1)、培养时间(4小时)、重复数(n=6或n=3)
阅读提示:Results中Acridines inhibit virulent phages及Fig. 1图注;Methods中Acridine in vitro assays
吖啶黄体内清除肠道噬菌体
acriflavine浓度(0、40、160、400 μM)、饮水含4%蔗糖且pH约7、处理12天、每组n=4
阅读提示:Methods中Acriflavine titration in vivo及Fig. 3图注
肠道噬菌体口服重建
acriflavine预处理400 μM 12天、cecal phage剂量2 × 106 VLP、第14和15天灌胃、活性与热灭活对照、每组n=7
阅读提示:Methods中Reconstitution of the gut virome in vivo及Fig. 4图注
氨苄西林处理BaCon小鼠
氨苄西林浓度100和1000 mg/L、处理时间第16–18天、噬菌体重建与清除分组、样本量n=10至11或n=9或11
阅读提示:Results中Gut phages alter gut bacterial response to antibiotics及Fig. 6图注;Methods中Reconstitution of the gut virome in vivo末段
病毒组测序分析
cecal VLP提取方法、测序深度、vOTU聚类阈值(95% identity、0.85 coverage)、RPKM定量
阅读提示:Methods中Viral Extraction、Viral Sequencing
16S rRNA基因扩增子测序
V4-V5区域引物515F/926R、测序平台MiSeq 300PE、DADA2与Silva138分类
阅读提示:Methods中16S rRNA Gene Amplicon Sequencing及Bioinformatic Analyses