Гнотобионты: организмы с известным микробиомом.

Введение

Гнотобиоз (от греческих корней gnostos – "известный" и bios – "жизнь") – это искусственно созданное состояние организма, при котором все формы жизни (то есть микроорганизмы) в нем или на нем, включая его микробиоту, идентифицированы. Термин "гнотобионт" может относиться к модельному организму, колонизированному определенным сообществом известных микроорганизмов (изобионт или животное с определенной флорой) или лишенному микроорганизмов (абсолютно стерильный), часто для проведения экспериментов. Однако Ассоциация гнотобиотиков была образована только в 1960 году. Ранние попытки в области гнотобиологии были ограничены недостаточным оборудованием и знаниями о питании, но достижения в области науки о питании, анатомии и физиологии животных, а также иммунологии позволили усовершенствовать гнотобиотические технологии.

Методы

Гвинейские свиньи были первой моделью животного, лишенного микроорганизмов, описанной в 1896 году Джорджем Натталом и Гансом Тирфельдером, что заложило основы техник, которые до сих пор используются в гнотобиологии. Ранние методы поддержания стерильной среды включали стерильные стеклянные банки и боксы с перчатками, что привело к обсуждению унификации методов в этой области на симпозиуме 1939 года по микрохирургическим и методам, свободным от микроорганизмов, в Университете Нотр-Дам. Лаборатории бактериологии в Университете Нотр-Дам (известные как LOBUND) были основаны Джоном Дж. Кавано и признаны за одни из наиболее значительных достижений в области гнотобиотических исследований. В период с 1950-х по 1970-е годы модели, лишенные микроорганизмов, использовались для изучения влияния отсутствия бактерий на метаболизм и физиологию организма-хозяина, что впоследствии переросло в преднамеренное заражение организмов, лишенных микроорганизмов, конкретными микроорганизмами для изучения их функций и других вопросов, связанных с биомедициной. В начале 1970-х годов гнотобиоты использовались для изучения роли микроорганизмов в усвоении питательных веществ хозяином и иммунном ответе; однако это было ограничено, поскольку животные, выращенные в гнотобиотической колонии, часто имеют слаборазвитую иммунную систему, сниженный сердечный выброс и тонкие стенки кишечника, что делает их очень восприимчивыми к инфекционным патогенам. После начала 1970-х годов исследования гнотобиотиков сократились до середины 1980-х годов. Исторически для изучения влияния состава микробиоты (какие микроорганизмы присутствуют) на иммунную систему хозяина, нервную систему, метаболизм и физиологию использовались мышиные модели; однако растущий интерес к этой области привел к включению других модельных организмов для решения более широкого круга вопросов, связанных с этими темами. Гнотобиотические животные обычно рождаются в асептических условиях, которые могут включать удаление из матери путем кесарева сечения с последующим немедленным переносом новорожденного в изолятор, где стерилизуется весь поступающий воздух, пища и вода. Гнотобиоты обычно выращиваются в стерильной лабораторной среде и подвергаются воздействию микроорганизмов, представляющих интерес для исследователей, только преднамеренно. Гуманизированные гнотобиотические мыши, или гнотобиотические мыши, которым были введены кишечные микроорганизмы человека путем трансплантации фекальной микробиоты из фекалий человека, используются для изучения кишечной микробиоты и ее связи с раком хозяина, иммунной системой и питанием. Некоторые преимущества использования гнотобиотических мышей и крыс включают однородность организма, историческую распространенность и устоявшиеся методы, специфичные для системы, а также возможность коммерческого получения надежных гнотобиотических мышей и крыс. Большинство исследований по-прежнему проводится только на нескольких видах рыб, таких как данио рерио. Для получения гнотобиотических растений исследователи стерилизуют семена, используя химические вещества (например, этанол, гипохлорит натрия (отбеливатель), перекись водорода) на поверхности семени. Для создания гнотобиотических систем использовалось большое разнообразие растений, таких как Arabidopsis thaliana, арахис, овес, кукуруза и многие другие. Подобно животным, гнотобиотические растительные системы использовались для изучения важных компонентов физиологии хозяина (например, фиксации азота), а также патогенных и симбиотических взаимодействий между растениями и микроорганизмами.

Guinea pigs were the first germ free animal model described in 1896 by George Nuttall and Hans Thierfelder, establishing techniques still used today in gnotobiology. Early methods for maintaining sterile environments involved sterile glass jars and gloveboxes, which developed into a conversation surrounding uniformity of the methods in the field at the 1939 symposium on Micrurgical and Germ free Methods at the University of Notre Dame. The Laboratories of Bacteriology at the University of Notre Dame (known as LOBUND) was founded by John J. Cavanaugh and is cited for making some of the most notable achievements in the field of gnotobiotic research. Between the 1950s and 1970s, germ free models were used to study the effects of the absence of bacteria on host organism metabolism and physiology, which later evolved into intentionally infecting germ free organisms with specific microorganisms to investigate their functions and other questions relating to the biomedical field. In the early 1970s, gnotobiotes were used to study the role of microorganisms in host nutrition acquisition and immune response; however, this was limited because animals reared in a gnotobiotic colony often have poorly developed immune systems, lower cardiac output, and thin intestinal walls, which make them highly susceptible to infectious pathogens. After the early 1970s, gnotobiotic research decreased until the mid 1980s. Historically, mouse models have been used to investigate the impacts of the microbiota composition (which microorganisms are present) on host immune system, nervous system, metabolism, and physiology; however, an increasing interest in this field has led to the incorporation of other model organisms to address a larger variety of questions relating to these topics. Gnotobiotic animals are typically born under aseptic conditions, which may include removal from the mother by Caesarean section followed by immediate transfer of the newborn to an isolator where all incoming air, food and water is sterilized. Gnotobiotes are usually raised in a sterile laboratory environment, and are only intentionally exposed to microorganisms of interest to researchers. Humanized gnotobiotic mice, or gnotobiotic mice introduced to human intestinal microorganisms by fecal microbiota transplant with human feces, are used in the context of studying gut microbiota and their relationship with host cancers, immune system, and nutrition. Some advantages of gnotobiotic mice and rat systems include the uniformity of the organism, historical prevalence, and established system specific methods, as well as the ability to obtain reliable gnotobiotic mice and rats commercially. The majority of research is still only conducted on a few species of fish, such as the zebra fish. To obtain gnotobiotic plants, researchers sterilize seeds using chemical agents (e. g., ethanol, sodium hypochlorite (bleach), hydrogen peroxide) on the surface of the seed. A wide variety of plants have been used to generate gnotobiotic systems such as Arabidopsis thaliana, peanuts, oats, corn, and many others. Similar to animals, gnotobiotic plant systems have been used to study integral components of host physiology (e. g., nitrogen fixation), as well as pathogenic and symbiotic interactions between plants and microorganisms.