人源粪菌移植（FMT）在无菌小鼠模型中的定植效果比较：直肠给药优于口服途径

《Scientific Reports》：Efficacy of oral and rectal administration of human faecal microbiota transplant (FMT) in human microbiota-associated mouse models

本研究针对人源粪菌移植（FMT）在无菌小鼠模型中不同给药途径的定植效果差异问题，通过比较口服与直肠给药两种方式，发现直肠途径具有更高的菌群移植成功率，为优化人类微生物相关（HMA）小鼠模型的构建提供了重要实验依据。

　　

在生命科学领域，肠道微生物组已成为最引人入胜的研究前沿之一。数以万亿计的微生物栖息在人体肠道内，形成一个复杂的生态系统，不仅参与消化吸收，更与免疫调节、代谢平衡甚至神经系统功能密切相关。近年来，科学家们发现肠道微生物组的紊乱与多种慢性疾病存在关联，包括自身免疫性疾病、代谢紊乱和炎症相关恶性肿瘤等。然而，要深入理解微生物与宿主之间复杂的相互作用机制，离不开合适的体内研究模型。

人类微生物相关（Human Microbiota-Associated，HMA）小鼠模型正是这样一种重要工具，它通过将人类粪便微生物移植到无菌（Germ-Free，GF）小鼠体内，创造出携带人类肠道微生物的小鼠模型。这种模型为研究微生物-宿主相互作用提供了独特平台。然而，这种模型的构建面临一个关键挑战：人类微生物在小鼠体内的定植效率存在很大变异，报道的范围从44%到88%不等。这种差异可能源于供体与受体之间解剖结构、遗传背景、行为习性和生理特征的差异。

在构建HMA小鼠模型时，给药途径的选择是一个重要但尚未得到充分研究的问题。目前常用的方法包括口服灌胃和直肠给药两种途径，但这两种方法常常被随意替换使用，缺乏系统的比较研究。口服灌胃虽然操作常见，但可能引起咽部/食管/胃部刺激或损伤，且有误吸风险；而直肠给药虽然直接将微生物移植到结肠（肠道中最早建立厌氧环境的部位），但存在结肠穿孔和直肠泄漏的风险。因此，明确哪种给药途径能更有效地实现人类微生物的定植，对于优化HMA小鼠模型的构建至关重要。

挪威奥斯陆大学医院的研究团队在《Scientific Reports》上发表的研究，正是针对这一关键问题展开了深入探索。他们设计了一项精巧的实验，比较了口服和直肠两种给药途径对人源粪菌移植（Fecal Microbiota Transplant，FMT）在C57BL/6J无菌小鼠中定植效果的影响。

研究人员采用的关键技术方法包括：使用严格厌氧条件制备的冷冻保存人源FMT样本；将12只无菌小鼠（雌雄各半）随机分为两组，分别通过口服灌胃和直肠途径进行两次FMT移植（间隔1天）；通过16S rRNA基因测序（V3-V4区域）分析微生物组成；使用硅胶板技术进行组织样本采集和病理学评估；应用Qiime2等生物信息学工具进行微生物多样性分析。实验样本包括供体FMT、小鼠粪便、盲肠内容和回肠、盲肠、结肠黏膜组织。

结果

结肠化效果评估

研究团队在细菌属（genus）和扩增子序列变异（Amplicon Sequence Variants，ASVs）两个水平上分析了定植效果。结果显示，直肠给药组显示出更高的微生物移植成功率。在供体FMT样本中检测到的84个菌属中，有17个在任何小鼠样本中均未检测到，而另有7个菌属仅在直肠给药组中出现。口服组中未检测到的ASVs比例显著高于直肠组（33%对26%，P<0.05），菌属水平也呈现相同趋势（32%对25%，P<0.05）。

值得注意的是，一些重要的人类肠道微生物在移植到小鼠后出现了丰度变化。双歧杆菌（Bifidobacterium）和柯林斯菌（Collinsella）在供体样本中相对丰度分别为10%和2%，但在任何小鼠中均未定植成功。相反，拟杆菌属（Bacteroides）在人类供体样本中丰度低于10%，但在小鼠黏膜组织样本中达到25%，在管腔样本中甚至高达60%。厚壁菌门/拟杆菌门（Firmicutes/Bacteroidota，F/B）比值在人类样本中较高，而在所有小鼠样本中均下降，特别是在管腔样本中比值低于1，表明拟杆菌门过度生长。

微生物组成的整体评估

Alpha多样性分析显示，小鼠样本的观察到的特征数量（丰富度）低于FMT样本，但香农多样性指数（反映丰富度和均匀度）在实验组与人类样本间相似。Beta多样性分析揭示了管腔样本和组织样本之间的明显分离，其中FMT样本与小鼠组织样本在Bray-Curtis相异性的主坐标分析（Principal Coordinate Analysis，PCoA）中重叠较多。

加权UniFrac分析（考虑类群间系统发育关系）显示，小鼠黏膜组织样本与FMT样本的系统发育和组成相似性高于管腔样本。差异丰度分析发现，毛螺菌科（Lachnospiraceae）的菌属在黏膜样本中富集，而理研菌科（Rikenellaceae）、巴恩斯氏菌科（Barnesiellaceae）和拟杆菌科（Bacteroidaceae）的菌属（如Alistipes、Barnesiella和Bacteroides）在管腔样本中富集。

讨论与结论

本研究系统比较了口服和直肠两种FMT给药途径在无菌小鼠中的定植效果，发现直肠途径具有轻微但显著的优势。直肠给药组显示出更高的供体微生物移植成功率，且没有观察到任何不良反应。这一发现对于优化HMA小鼠模型的构建具有重要意义。

研究结果强调了给药途径选择对微生物定植成功的影响，特别是在移植厌氧菌时。直肠给药直接将微生物置于结肠这一厌氧环境，避免了胃酸和小肠有氧条件对微生物存活的不利影响。此外，研究还揭示了组织样本与管腔样本在微生物组成上的显著差异，提示在未来研究中应同时考虑这两种样本类型，以全面评估微生物定植情况。

该研究的创新之处在于采用了严格的厌氧样本处理流程，最大限度地保留了氧敏感细菌的活性；同时通过组织样本分析，提供了比传统粪便样本更全面的微生物定植评估。然而，研究也存在一些局限性，如使用单一供体样本、相对较小的样本量以及饮食不匹配等因素可能对结果产生的影响。

总体而言，这项研究为微生物移植研究提供了重要的方法论参考，表明直肠给药可能是一种优于口服灌胃的FMT给药途径，特别是在需要最大化保留厌氧微生物的情况下。这一发现不仅对基础研究有重要意义，也为未来临床FMT治疗方案的优化提供了实验依据。随着对肠道微生物组研究的深入，这种精细化的方法学比较将有助于推动整个领域向更标准化、更可靠的方向发展。