Establishment and analysis of a mouse stomach model transplanted from human gastric microbiota

Abstract

Background and aim: A humanized mouse stomach model provides a well-controlled system to understand the biology and effect of gastric microbiota. This study aimed to characterize gastric microbiomes and develop a humanized mouse model as a research tool for stomach cancer development based on the host-microorganism interactions. Methods: Gastric mucosal tissue was obtained from 15 patients (chronic superficial gastritis (CSG; n=5), intestinal metaplasia (IM; n=5), and gastric cancer (n=5)). The obtained gastric antral and body mucosal tissues were independently inoculated into different germ-free mice. Microbial community analysis of gastric tissues from patients and mice was performed using 16S rRNA gene amplicon sequencing. Results: Helicobacter were the most dominant bacteria in all three groups. Lachnospiraceae, Lactobacillus, and Streptococcus were the second relatively abundant genera in the 3 human groups (CSG, IM, and gastric cancer group, respectively). However, Firmicutes dominated the relative abundance ratio of mouse samples. Alpha diversity showed significantly decreased number of OTUs in mouse gastric samples than in humans. Community evenness was also much lower in mouse samples. A weighted UniFrac-based comparison demonstrated that distance between samples did not depend on relationships between the donor and recipient. Turicibacter and Hungatella were the most successful taxa forming the majority of the mouse gastric mucosa although they constitute a very small percentage of human microbiota. Conclusion: Human gastric microbiota exhibited selective colonization in mouse gastric tissue. Our data may form the basis of a system allowing improved understanding of human gastric microbiota and the microbial population in a germ-free mouse model. 배경: 위암과 인간 위 미생물 균총의 생물학적 역할과 상호관계를 이해하려면 인간화된 마우스 위 모델을 만드는 것이 통 제된 시스템을 구축하기 위한 가장 좋은 방법 중 하나이다. 이 연구는 미생물과 숙주 간의 상호 작용을 기반으로 위암 개 발을 위한 연구 도구로서 위 미생물 균총을 이용한 인간화 마우스 모델 개발을 목표로 하였다. 방법: 위 점막 조직을 얻기 위해 15 명의 환자 (만성 표재성 위염; n = 5, 장상피화생; n = 5 및 위암 n = 5)를 등록하였 다. 획득 된 인간 위의 전정부와 위체부 점막 조직을 서로 다른 무균 마우스에 독립적으로 이식하였다. 이식 30일 이후 인 간과 마우스의 위 조직의 미생물 균총을 16S rRNA 유전자 시퀀싱을 이용하여 분석하여 비교하였다. 결과: 미생물 분석을 통해 인간 3 그룹 모두에서 Helicobacter 균주가 가장 우세한 박테리아임을 확인할 수 있었으며, Lachnospiraceae, Lactobacillus, Streptococcus들이 두번째로 상대적으로 풍부하게 분포하고 있었다. 알파 다양성 분석에 의하면 미생물 Operational Taxonomic Unit이 인간의것보다 무균마우스 위의 조직에서 현저히 감소하였으며, 무균 마우스 위 조직에서 미생물 균일성이 더 낮은 것으로 관찰되었다. Weighted UniFrac 비교분석에서도 샘플 간의 거리가 인간과 마우스 그룹에서 확연히 차이가 있음을 보여주었다. 특히, 무균마우스 위점막 미생물 균총분석에서는 Turicibacter와 Hungatella 두 균종이 대부분을 형성하는 우점종으로 확인 되었다. 무균 마우스로부터의 확인된 조직 병리학적 결과에서는 인간 위암 조직 이식 후 H/K ATPase가 유의하게 감소되었음이 확인되었다. 결론: 인간 위 미생물 균총은 무균마우스 위 조직에서 선택적 집락 능력을 나타냈으며 인간 위암 조직을 이식 받은 무균 마 우스에서 조직 병리학적 변화는 위 점막 손상의 초기 단계를 보여주었다.