Гнотобиоз
Гнотобиоз (от греческих корней gnostos «известный» и bios «жизнь») относится к искусственно созданному состоянию организма , при котором все формы жизни (т. е. микроорганизмы ) внутри него или на нем, включая его микробиоту , идентифицированы. [1] Термин гнотобиотический организм или гнотобиот может относиться к модельному организму , который колонизирован определенным сообществом известных микроорганизмов (изобиотический или с определенной флорой животных) или который не содержит микроорганизмов ( без микробов ), часто для экспериментальных целей. [2] [3] [4] [5] Изучение гнотобиоза и создание различных типов гнотобиотических модельных организмов как инструментов изучения взаимодействий между организмами- хозяевами и микроорганизмами называется гнотобиологией. [2]
История
[ редактировать ]Концепция и область гнотобиологии возникли в результате дебатов между Луи Пастером и Марсели Ненки в конце 19 века, в которых Пастер утверждал, что для успеха животной жизни необходимы бактерии, в то время как Ненки утверждал, что животные были бы здоровее без бактерий. [2] но только в 1960 году была сформирована Ассоциация гнотобиотиков. [4] Ранние попытки гнотобиологии были ограничены неадекватным оборудованием и знаниями о питании, однако достижения в области диетологии , анатомии и физиологии животных , а также иммунологии позволили усовершенствовать гнотобиотические технологии. [6]
Методы
[ редактировать ]Морские свинки были первой моделью животного, лишенной микробов, описанной в 1896 году Джорджем Наттоллом и Гансом Тирфельдером , что позволило создать методы, которые до сих пор используются в гнотобиологии. [7] Ранние методы поддержания стерильной среды включали стерильные стеклянные банки и перчаточные боксы , что переросло в разговор о единообразии методов в полевых условиях на симпозиуме 1939 года по микрохирургическим и безмикробным методам в Университете Нотр-Дам. [4] Многие ранние (1930-1950-е годы) достижения в области гнотобиологии были достигнуты в Университете Нотр-Дам , Лундском университете и Университете Нагои . [7] [8] Лаборатории бактериологии Университета Нотр-Дам (известные как ЛОБУНД) были основаны Джоном Дж. Кавано и считаются одними из наиболее заметных достижений в области гнотобиотических исследований. [7] [8] Под руководством Джеймса А. Рейньерса ранние работы в LOBUND были сосредоточены на получении гнотобиотов путем стерилизации животных и содержания животных с использованием стальных изоляторов, стерилизованных паром под высоким давлением; однако более поздняя работа в институте сместила акцент на создание колоний животных, рожденных без микробов. [4] Первая свободная от микробов колония крыс была создана и поддерживалась с использованием парового изолятора в 1946 году шведским ученым Бенгтом Густафссоном. [6] Гибкие пленочные изоляторы, использующие для стерилизации пары перуксусной кислоты , начали разрабатываться в 1950-х годах. [4] Усовершенствованные методы стерилизации и изменения в производстве от LOBUND значительно сократили размер и стоимость изоляторов, сделав исследования гнотобиотиков более общедоступными. [7] [8] После многочисленных достижений в области гнотобиотических исследований и технологий основными проблемами, с которыми сегодня сталкиваются гнотобиотические исследования, являются требования к стоимости, пространству, эффективности и рабочим процедурам. [7] В 2015 году затраты на содержание клеток для гнотобиотических мышей более чем в 4 раза превышали затраты на содержание клеток для негнотобиотических мышей, что создавало проблему для создания и поддержания объектов с использованием типичных источников финансирования, таких как федеральные гранты от таких учреждений, как НИЗ . [7]
Приложения
[ редактировать ]Первоначально гнотобиология была сосредоточена на доказательстве того, что организм может жить в отсутствие микроорганизмов, что в конечном итоге привело к развитию гнотобиотических организмов как инструмента для исследований. [5] Между 1950-ми и 1970-ми годами безмикробные модели использовались для изучения влияния отсутствия бактерий на метаболизм и физиологию организма-хозяина, что позже превратилось в преднамеренное заражение свободных от микробов организмов конкретными микроорганизмами для изучения их функций и решения других вопросов, касающихся сфера биомедицинская . [9] В начале 1970-х годов гнотобиоты использовались для изучения роли микроорганизмов в усвоении питания хозяином и иммунном ответе; однако это было ограничено, поскольку животные, выращенные в гнотобиотической колонии, часто имеют плохо развитую иммунную систему, более низкий сердечный выброс и тонкие стенки кишечника, что делает их очень восприимчивыми к инфекционным патогенам. [10] [11] После начала 1970-х годов исследования гнотобиотиков сократились до середины 1980-х годов. [7] В 21 веке гнотобиотические модельные системы стали важным инструментом для изучения взаимодействий между организмами-хозяевами и их комменсальной микробиотой, поскольку они позволяют исследователям исследовать конкретные микробы в строго контролируемой системе-хозяине. [12] Исторически модели на мышах использовались для исследования влияния состава микробиоты (какие микроорганизмы присутствуют) на иммунную систему хозяина , нервную систему , обмен веществ и физиологию; однако растущий интерес к этой области привел к включению других модельных организмов для решения более широкого круга вопросов, касающихся этих тем. [3]
Животные
[ редактировать ]Гнотобиотическое животное (гнотобиот) – животное, у которого известны и контролируются все взаимодействующие с ним микроорганизмы. [13] Гнотобиотические животные обычно рождаются в асептических условиях, которые могут включать удаление от матери путем кесарева сечения с последующим немедленным переводом новорожденного в изолятор, где стерилизуется весь поступающий воздух, пища и вода. [10] Гнотобиоты обычно выращиваются в стерильной лабораторной среде и только намеренно подвергаются воздействию микроорганизмов, представляющих интерес для исследователей. [5] Мыши и крысы являются обычными животными-гнотобиотами, используемыми в исследованиях, но другие примеры важных гнотобиотов включают Caenorhabditis elegans ( C. elegans ) , Drosophila melanogaster ( D. melanogaster ) , рыбок данио и поросят. [3] Гнотобиоты используются в качестве контролируемой среды для изучения анатомии и физиологии хозяина, специфических симбиотических взаимодействий между хозяином и конкретными микроорганизмами, а также воздействия химических веществ на хозяина и его микробиоту. [9]
Млекопитающие
[ редактировать ]Грызуны (в первую очередь мыши и крысы) являются наиболее распространенными модельными системами млекопитающих , используемыми для изучения гнотобиоза, и широко используются для изучения здоровья человека, связанного с кишечником и взаимодействием между микроорганизмами и их хозяином; однако в последнее время наблюдается рост использования мышей-гнотобиотов для изучения взаимодействий между различными микроорганизмами (взаимодействия микробов) в кишечнике. [5] [14] Гуманизированные гнотобиотические мыши или гнотобиотические мыши, введенные кишечным микроорганизмам человека путем трансплантации фекальной микробиоты с человеческими фекалиями, используются в контексте изучения кишечной микробиоты и ее связи с раком хозяина , иммунной системой и питанием. [15] Некоторые преимущества гнотобиотических систем мышей и крыс включают единообразие организма, историческую распространенность и устоявшиеся методы, специфичные для системы, а также возможность коммерческого получения надежных гнотобиотических мышей и крыс. [5]
Рыба
[ редактировать ]Гнотобиотические рыбы использовались в качестве модельного организма для здоровья человека; [3] [7] однако возросший интерес к аквакультуре для устойчивого производства продуктов питания привел к увеличению распространенности исследований гнотобиотиков, направленных на максимизацию производства и поддержание здоровых популяций в неволе. [16] Большинство исследований по-прежнему проводится только на нескольких видах рыб, таких как рыба-зебра. [7] [16] Некоторые из преимуществ гнотобиотических рыбных систем включают большое количество потомства за один раз воспроизводства в сочетании с быстрым временем воспроизводства и икрой, которую можно дезинфицировать. [7] [16]
Растения
[ редактировать ]Гнотобиотические растения — это растения, которые выращиваются либо без присутствия микроорганизмов (асептические, аксенические или стерильные), либо выращиваются в присутствии одного (моноксеновые) или более чем одного (поликсеновые) известных микроорганизмов. [17] Чтобы получить гнотобиотические растения, исследователи стерилизуют семена, используя химические агенты (например, этанол , гипохлорит натрия (отбеливатель), перекись водорода ) на поверхности семян. [17] Для создания гнотобиотических систем использовались самые разные растения, такие как Arabidopsis thaliana , арахис , овес , кукуруза и многие другие. [17] Подобно животным, гнотобиотические растительные системы использовались для изучения неотъемлемых компонентов физиологии хозяина (например, фиксации азота ). [5] а также патогенные и симбиотические взаимодействия между растениями и микроорганизмами. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бейсик М., Блайх А. (июнь 2019 г.). «Гнотобиотики: прошлое, настоящее и будущее». Лабораторные животные . 53 (3): 232–243. дои : 10.1177/0023677219836715 . ПМИД 31096878 . S2CID 157056547 .
- ^ Jump up to: а б с Бейсик М., Блайх А. (2018). «Гнотобиология». Кишечный микробиом в здоровье и болезни . Чам: Международное издательство Springer. стр. 341–356. дои : 10.1007/978-3-319-90545-7_21 . ISBN 978-3-319-90544-0 .
- ^ Jump up to: а б с д Альпер А., Анестиду Л., Огилви Дж. (2018). Животные модели для исследования микробиома: развитие фундаментальной и трансляционной науки: материалы семинара . Вашингтон, округ Колумбия: Инженерное дело и медицина. Отдел исследований Земли и жизни Национальной академии наук, Институт исследований лабораторных животных. Круглый стол по науке и благополучию при использовании лабораторных животных. стр. 1–2, 7–13. ISBN 978-0-309-46389-8 . OCLC 1034579585 .
- ^ Jump up to: а б с д и Trexler PC, Orcutt RP (1999). «Глава 16: Разработка гнотобиотиков и контроль загрязнения в науке о лабораторных животных». 50 лет науке о лабораторных животных . Мемфис, Теннесси: Американская ассоциация наук о лабораторных животных. стр. 121–128. OCLC 42912592 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Гордон Х.А., Пести Л. (декабрь 1971 г.). «Гнотобиотическое животное как инструмент изучения микробных взаимоотношений хозяина» . Бактериологические обзоры . 35 (4): 390–429. дои : 10.1128/бр.35.4.390-429.1971 . ПМК 378408 . ПМИД 4945725 .
- ^ Jump up to: а б Qv L, Ян Z, Яо М, Мао С, Ли Ю, Чжан Дж, Ли Л (2020). «Методы создания и поддержания стерильных моделей крыс» . Границы микробиологии . 11 : 1148. дои : 10.3389/fmicb.2020.01148 . ПМК 7326071 . ПМИД 32670216 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Шоб Т.Р., Итон К.А. (11 августа 2017 г.). Гнотобиотики . Лондон. ISBN 978-0-12-804583-1 . OCLC 1015915010 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с Воулз С.Дж., Андерсон Н.Е., Итон К.А. (5 января 2016 г.). Технология гнотобиотических мышей: иллюстрированное руководство . Бока Ратон. ISBN 978-1-4987-3633-6 . OCLC 924714283 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Востманн Б.С. (1996). Безмикробные и гнотобиотические модели животных: предпосылки и применение . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 0-8493-4008-Х . ОСЛК 34120981 .
- ^ Jump up to: а б Фостер, Джон В.; Слончевски, Джоан Л. (2009). Микробиология, развивающаяся наука . WW Нортон. п. 871. ИСБН 978-0-393-93447-2 .
- ^ Коутс М.Э. (октябрь 1975 г.). «Гнотобиотические животные в исследованиях: их использование и ограничения». Лабораторные животные . 9 (4): 275–282. дои : 10.1258/002367775780957296 . ПМИД 1107656 . S2CID 12160836 .
- ^ Тласкалова-Хогенова Х., Кверка М., Верду Э.Ф., Уэллс Дж.М. (2015). «Гнотобиология и изучение сложных взаимодействий между кишечной микробиотой, пробиотиками и хозяином». Иммунология слизистой оболочки . Эльзевир. стр. 109–133. дои : 10.1016/b978-0-12-415847-4.00008-2 . ISBN 9780124158474 .
- ^ Уильямс СК (февраль 2014 г.). «Гнотобиотики» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (5): 1661. Бибкод : 2014PNAS..111.1661W . дои : 10.1073/pnas.1324049111 . ПМЦ 3918800 . ПМИД 24497491 .
- ^ Мартин Р., Бермудес-Умаран Л.Г., Ланджелла П. (2016). «Гнотобиотические грызуны: модель in vivo для изучения межмикробных взаимодействий» . Границы микробиологии . 7 : 409. дои : 10.3389/fmicb.2016.00409 . ПМЦ 4814450 . ПМИД 27065973 .
- ^ Пак Джей Си, Им Ш. (сентябрь 2020 г.). «О людях у мышей: разработка и применение гуманизированной модели гнотобиотической мыши для микробиомной терапии» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 52 (9): 1383–1396. дои : 10.1038/s12276-020-0473-2 . ПМК 8080820 . ПМИД 32908211 .
- ^ Jump up to: а б с Чжан М., Шань С., Тан Ф., Лимбу С.М., Чен Л., Ду Цзы (февраль 2020 г.). «Гнотобиотические модели: мощные инструменты для глубокого понимания взаимодействия кишечной микробиоты и хозяина в аквакультуре». Аквакультура . 517 : 734800. doi : 10.1016/j.aquacultural.2019.734800 . ISSN 0044-8486 . S2CID 212840256 .
- ^ Jump up to: а б с д Хейл М.Г., Линдси Д.Л., Хамид К.М. (1973). «Гнотобиотическая культура растений и сопутствующие исследования». Ботанический обзор . 39 (3): 261–273. дои : 10.1007/BF02860119 . ISSN 0006-8101 . JSTOR 4353854 . S2CID 25172204 .