西安交大一附院科研团队研发并验证使用噬菌体定向敲除肠道细菌技术

人类的胃肠道内有数以亿计的微生物，包括细菌、真菌和病毒。肠道中菌群的多样性和相互作用与宿主的肠道环境、营养物质代谢、生长发育、免疫激活等生理过程密切相关。越来越多证据证实，肠脑轴即肠道与脑之间存在双向调控作用，肠道菌群可通过多种途径影响中枢神经发育、社交行为、学习记忆和情绪反应。

目前，研究肠脑轴最常用的方法包括抗生素干预小鼠模型及无菌小鼠菌群定植技术。抗生素干预小鼠模型操作便捷但无法去除特定目标细菌，难以研究单一菌群的作用。而将目标菌株定植给无菌小鼠虽然可以研究特定菌群的作用，但无菌鼠具有先天神经发育和免疫缺陷，对于神经发育和免疫相关疾病的研究有一定限制。

临床需求牵引高水平科学研究，马现仓教授团队一直在思考未来临床上如何敲除目标细菌而达到精神神经疾病的治疗作用？为解决这一难题，西安交通大学第一附属医院刘冰、马现仓教授等不同团队交叉融合，不断探索，创新性提出了噬菌体定向敲除肠道细菌动物模型（Targeted-Bacterium-Depleted mouse model, TBD）。研究表明，TBD模型是一种强大的工具，类似于细胞生物学中基因敲除技术CRISPR，可靶向敲除目标肠道菌群，而接受噬菌体处理的动物表现出除目标细菌被敲除外几乎完整的肠道细菌谱。2022年11月4日，该研究成果以《噬菌体通过定向敲除肠道细菌建立靶向敲除肠道细菌(TBD)大鼠模型》（Bacteriophages allow selective depletion of gut bacteria to produce a Targeted-Bacterium-Depleted mouse model）为题在《细胞》（Cell）子刊《细胞通讯方法》（Cell Reports Methods）上在线发表。

既往文献报道，口服大肠杆菌可以增加健康小鼠的焦虑样行为，大肠杆菌衍生的脂多糖也被证明在抑郁类行为中发挥重要作用。该团队选取大肠杆菌特异的T7噬菌体靶向敲除小鼠肠道中的大肠杆菌。通过追踪噬菌体给药后大肠杆菌及肠道细菌数量的动态变化，发现在14天的过程中各组肠道细菌总数没有显示出明显的扰动，而噬菌体处理组的大肠杆菌数量立即下降到了处理前约10%的水平，这一结果证实了TBD模型建立方法的可行性。随后利用多种行为学实验证实大肠杆菌的敲除使小鼠获得了“勇敢无畏”的性格，而回补大肠杆菌会使这种行为改变消失。这一发现为研究肠脑轴动物模型的建立提供了一个全新的方法，并有望成为研究肠道菌群相关疾病的有力工具。

图 TBD法靶向敲除目标肠道菌群及其验证实验左：TBD小鼠模型与菌群定植小鼠模型的对比

右上：小鼠肠道大肠杆菌及总菌群变化的qPCR定量结果 右下：大肠杆菌敲除后部分小鼠行为学实验结果

《细胞通讯方法》（Cell Reports Methods）杂志发表主编述评高度赞扬“TBD模型与细胞生物学中基因敲除技术CRISPR一样，可定向敲除目标肠道菌群，其应用过程则证实了该团队在肠脑轴研究中获得的前所未有的发现及这一模型所拥有的独特优势。”

《细胞通讯方法》（Cell Reports Methods）是开放获取的多学科期刊，是CNS《细胞》《自然》《科学》子刊中除《自然-方法》（Nature Methods）外唯一方法学专刊，更侧重于生物类新方法的发现。本研究是刘冰、王亚文教授团队在《美国科学院院报》（PNAS）、《细胞-通讯》（Cell Reports2022）、《核酸研究》（Nucleic Acids Research）发表噬菌体相关成果，马现仓、朱峰教授团队在《自然-通讯》（Nature Communications）、《分子精神病学》（Molecular Psychiatry）、《电子生物医学》（EBioMedicine），李燕教授在《肠道微生物》（Gut microbes）发表肠脑轴机制相关研究的基础上，以临床需求为牵引，院内交叉合作的重要研究成果。西安交通大学博士生李琰清，西安交通大学第一附属医院朱峰教授、李燕教授为文章共同第一作者，刘冰教授、马现仓教授、王亚文教授为文章共同通讯作者。

文章链接：https://www.cell.com/cell-reports-methods/fulltext/S2667-2375(22)00214-4