从用于微生物群研究的商业生产线上生产无菌快速生长的肉鸡

摘要

在这里，我们描述了一种从商业肉鸡系的鸡蛋Ross PM3中生成无菌雏鸡的方法。这种方法可以适用于从其他家禽物种中产生无菌动物。

摘要

肠道微生物群对宿主生理学和免疫能力的贡献的研究通过无菌动物模型的可用性得到促进，这被认为是黄金标准。筑巢鸟类是生产无菌动物的理想模型，因为不需要在无菌条件下饲养亲戚。无菌鸡主要由无特异性病原体（SPF）实验品系产生，这些试验品系在商业鸡系中代表性较差。这里提出的方法允许从快速生长的肉鸡生产线Ross PM3生产无菌鸡，这是家禽业常用的。在肉鸡饲养场产卵后，迅速收集了鸡蛋。它们经历了严格的去污过程，从收集到引入无菌蛋孵化隔离器。雏鸡已经孵化并保存在这些无菌隔离器中，以控制其不育所必需的时间。该方案最初是为实验性SPF白叉角线开发的，不仅适用于Ross PM3肉鸡系，也适用于鹌鹑。因此，它代表了对其他家禽物种和具有经济，生物或生态相关性的筑巢鸟类的强大且易于适应的程序。

引言

关于肠道微生物群对动物健康的贡献的科学和大众兴趣急剧增加。微生物群由栖息在动物肠道不同生态位的细菌，病毒，真菌和古菌组成，直接或间接地与炎症，传染病和代谢性疾病的调节有关，这些疾病不仅影响哺乳动物物种，还影响牲畜，如家禽¹。开发了几种动物模型，以更好地研究肠道微生物群对健康和疾病的贡献。例如，无菌和无菌动物允许分别在感染的物理病理学上研究完全没有微生物或已知微生物群^2，3。然而，产生和维护这些动物需要专门的技术和设施，而维护它们所需的成本，劳动力和技能限制了它们与许多研究人员的联系。事实上，必须使用细菌培养方法、显微镜检查、血清学、大体形态学和基于测序的检测技术的组合，定期监测无菌动物是否存在可能的污染。类似的程序也适用于其他物种，如牲畜，其中动物通常体型较大，需要更大的设施进行繁殖和维护，这可能在一定程度上阻碍对微生物群的研究。

家禽，更具体地说是鸡，是全球畜牧业生产的基石，每年的家禽数量可能超过400亿只。它是世界上最重要的动物蛋白来源（http://www.fao.org/poultry-production-products/en/）。此外，没有与养鸡或食用鸡有关的文化或宗教禁忌。家禽肠道微生物群参与动物的生长、饲料转化率、免疫力、病原体抗性等诸多营养、生理或病理过程⁴。因此，无菌鸡的产生对于强调微生物群与其宿主^{之间的对话是必不可少的4}。即使微生物群落栖息在鸡的输卵管⁵中，健康母鸡新鲜产下的蛋的含量也大多不含微生物，蛋壳和膜具有机械屏障，以避免微生物入侵⁴。此外，雏鸡在没有亲戚的情况下很容易饲养，与哺乳动物不同，这允许在无菌条件下没有父母抚养的情况下生产无菌动物。

实验设施"农场，模型和野生动物的感染学"（PFIE，UE-1277，法国努齐利卢瓦尔河谷中心，https://doi.org/10.15454/1.5572352821559333e12）是法国国家基础设施网络EMERG'IN（https://www.emergin.fr/）的一部分。PFIE已经掌握了无菌鸡的生产，进行了40多年的各种实验研究^7，8，^9，10，11。这些动物是由自20世纪70年代以来在封闭育种中饲养的白色腿角产蛋中产生的特定无病原体（SPF）卵产生的。主要用于微生物研究^7，8，9，无菌鸟类正在经历兴趣的复苏，例如肠道微生物群对行为¹³，营养利用¹⁴，免疫发育¹⁵和内分泌活性的贡献等问题。即使一些研究已经使用无菌肉鸡系¹⁶发表，与使用实验层系的研究相比，这些研究仍然代表性不足。在家禽健康和福利中，微生物群与其宿主之间的串扰的科学问题演变促使我们调整我们的历史协议，以生产Ross PM3系列的无菌肉鸡，这是世界上使用最多的肉鸡系列。

研究方案

动物护理程序是根据欧洲共同体理事会指令（86/609/EEC）和法国动物实验条例制定的准则进行的。

1. 隔离器准备

1. 在正压下将必要的材料插入刚性隔离器:50 mL 管、5、10 和 25 mL 塑料移液器、辐照进料、高压灭菌水和无菌密封塑料容器。
2. 用2%季铵盐溶液填充转移杀菌阱。
3. 使用60 mL福尔马林（24%甲醛）加入30g高锰酸钾（m 3），用甲醛蒸气灭菌^隔离器三次。在每次灭菌之间移动隔离器内的材料，以确保所有接触面的灭菌。
4. 在引入卵子之前，将隔离器温度设置为37°C至少2天。在引入当天将湿度计设置为相对湿度（RH）的65-70%。

2. 种蛋收集和孵化

1. 根据蛋鸡的良好孵化率（在产蛋高峰期至少80%）及其良好的卫生状况（即没有常见的家禽病原体和羊群中没有疾病）从选择的农场收集鸡蛋。在跑步机上直观地选择干净无瑕的鸡蛋。
2. 通过在室温下将其浸入1.5%过氧乙酸溶液中浸渍5分钟，立即对卵表面进行去污。
3. 使用用甲醛蒸气净化的盒子将鸡蛋运输到实验设施。
4. 将鸡蛋在4°C下储存24小时。 重复步骤2.2中描述的去污过程，并将其置于孵化箱（第0天）中19天。

3. 孵化

1. 在第19天，通过在无菌条件下使用轻鸡蛋蜡烛将它们倒入来验证生育能力，活力（运动性）和胚胎发育。仅将活胚胎卵引入无菌孵化隔离器中。
2. 通过喷洒1.5%过氧乙酸溶液30秒或直到每个鸡蛋的整个表面被覆盖来对选定的鸡蛋进行净化。在转移到隔离器的过程中，卵子将与喷雾保持16分钟和30秒的接触。
3. 将卵转移到无菌孵化隔离器中，并用无菌软化水冲洗，然后将其放入孵化空间。
   注意:动物在无菌隔离器中孵化和饲养。他们 随意 喂食通过伽马辐照消毒的商业饮食，并用饮水机提供的高压灭菌的自来水浇水。

4. 细菌学状态分析

1. 孵化后一天，直接从不同雏鸡的直肠中取出粪便样本，并将其池化在灭菌玻璃管中，以使该样本代表给定隔离器内的所有动物。
2. 将粪便样品或多或少地是液体，用利沙林向9mL硫代甘氨酸盐肉汤中加入相当于1mL的粪便。将剩余的粪便样品加入9mL脑心输液（BHI）中，并将管子在37°C下孵育18至48小时而不摇动。这将允许广泛的有氧，兼性有氧和非快速厌氧物种的生长。
   注意:含有刃天青的硫代乙酸盐肉汤用于检测非快速厌氧细菌，但它也可以检测好氧细菌。该培养基符合欧洲，美国和日本药典的无菌测试^18，19，20。
3. 目视观察孵育18小时后生长培养基是否有任何修饰。48小时后，从BHI粪汤培养基中滴出一滴，将其放在载玻片上，并在显微镜下观察（40X放大倍率）是否没有或存在细菌。
4. 如果怀疑细菌的存在，请从BHI培养物中取样并将其播种到BHI琼脂平板上。在37°C下孵育18至48小时。
5. 如果存在菌落，则进行高通量技术，例如MALDI-TOF质谱法，以进行精确的微生物鉴定。
   注意:72小时后，如果细菌学分析为阴性，则宣布动物无菌。

结果

使用来自两个不同法国农场的Ross PM3卵进行了六次无菌雏鸡的生成（表1）。共收集了853枚卵，经过两个去污步骤和19天的孵化，86.40%是可行的。这些活蛋中有490个经过了第三个去污步骤，并被引入各种孵化隔离器中，平均孵化率为79.80%。这表示与收集的初始种蛋数量相比，孵化率为68.94%。

然而，孵化结果根据所进行的系列而有很大差异:与收集的种蛋数量相比，存活雏鸡的41.67%至88.16%。在同一实验中，在不同的舱口中也观察到了这些变化。由于并非所有隔离器都用于所有运行，因此很难排除隔离器相关效应。然而，这种批次效应与蛋鸡的年龄直接相关（图1），其中来自年长母鸡的鸡蛋不太可行。

六次运行是使用四种不同的孵化隔离器进行的。经过细菌学控制，16个隔离器中的14个动物被确认为无菌。这相当于87.5%的成功率。剩下的两个隔离器被一种环境和非致病性细菌污染。

所有用于科学实验的动物在孵化后至少三周内保持无菌状态，直到研究结束。

图1:母鸡年龄对孵化率的影响 本图突出显示了根据蛋鸡群的年龄观察到的孵化率，以产蛋周数表示。 请点击此处查看此图的大图。

	收集的鸡蛋	D19 活卵	D19 活卵/收集的卵子	将卵子转入隔离器 1	将卵子转入隔离器 2	将卵子转入隔离器 3	将卵子转入隔离器 4	转移的卵子总数	孵化成隔离器1的活雏鸡	孵化成隔离器2的活雏鸡	孵化成隔离器3的活雏鸡	孵化成隔离器的活雏鸡 4	存活的孵化雏鸡总数	活孵化/转移的种蛋分离器1	活体孵化/转移的种蛋隔离器2	活孵化/转移的种蛋隔离器3	活孵化/转移的种蛋隔离器4	全球可行的孵化/转移种蛋
运行 1	101	93	92.08%	23	24	-	-	47	22	23	-	-	45	95.65%	95.83%			95.74%
运行 2	130	117	90.00%	25	25	25		75	20	24	18	-	62	80.00%	96.00%	72.00%		82.67%
运行 3	132	97	73.48%	26	-	26	45	97	14	-	13	28*	27	53.85%		50.00%	62.22%	56.70%
运行 4	130	116	89.23%	36	35	-	-	71	33	34	-	-	67	91.67%	97.14%			94.37%
运行 5	180	148	82.22%	30	30	30	30	120	26*	25	17	24	66	86.67%	83.33%	56.67%	80.00%	76.67%
运行 6	180	166	92.22%	-	40	40	-	80	-	35	35	-	70	86.67%	87.50%	87.50%		87.50%
总	853	737	86.40%	140	154	121	75	490	89	141	83	24	337	82.14%	91.56%	68.60%	69.33%	79.80%

表1:不同孵化实验的技术结果。 本表突出显示了进行6系列无菌孵化的结果:收集的种蛋数量，19天胚胎的存活率以及各种隔离器中存活的孵化雏鸡。

讨论

以前已经描述了几种产生无菌鸡的方法^7，21，22。简单的方法，例如这里介绍的方法，使用不同的消毒剂来减少卵子表面和隔离器中的细菌负荷。最常用的消毒剂是氯化汞、季铵盐、碘仿、次氯酸钠和二氧化氯溶液。结果往往令人满意。然而，尽管这些方法易于获得，但很少有结构可以应用该方法并大规模饲养动物，因此使得利用无菌鸡成为一种相对罕见的方法，仅用于解决非常具体的科学问题。这里描述的方法，材料和设备允许无菌肉鸡的高效孵化比例，这些肉鸡保持健康和无菌至少3周（生产它们的科学实验的持续时间）。

结果表明，将该方案改编为从商业家禽养殖场收集的鸡蛋中生产无菌雏鸡是成功的。SPF产蛋经验表明，孵化效率主要取决于蛋鸡的年龄和收集的蛋的质量。在选择农场和收集种蛋时，这两个参数都被考虑在内。使用相同的方法，无菌肉鸡的平均孵化率远远优于我们工厂上次生产SPF蛋鸡（79%对35%），而不影响动物不育（87%对83%）。这些差异可能与鸟类的遗传背景（肉鸡与蛋鸡）以及蛋壳的质量有关，蛋壳在SPF动物的蛋中可能更脆弱，在封闭繁殖中保持了40多年。此外，我们还表明，超过2小时的运输（从养殖场到实验设施）不会影响孵化效率和质量。

虽然用于孵化隔离器的灭菌过程和鸡蛋去污方案得到了优化，但大约10%的隔离器不是无菌的。为了了解污染的来源，在引入卵子之前对孵化的隔离器进行常规的无菌控制非常重要。

关于鸟类的不育状态，我们试图应用允许粪便样品中需氧和非快速厌氧细菌生长的方法，从而确保我们检测到活的活细菌。这些方法符合国际无菌测试药典，代表了常规使用的快速，简单和降低成本的技术。然而，分子生物学技术，如16S rRNA基因测序，虽然没有提供细菌活力的信息，但可以应用于确认不可培养细菌的存在。事实上，最近的一项研究表明，母体输卵管微生物群的一些细菌似乎通过蛋清转移到胚胎上，后来构成了大部分胚胎肠道细菌种群⁵。此外，另一项研究表明，早期胚胎中携带的部分微生物定殖者是从母鸡遗传的，肠道微生物的丰度和多样性后来受到发育过程中环境因素和宿主遗传学的影响²³。然而，这些研究的结果是基于DNA序列分析，其中大量这些细菌可能在蛋清中死亡或不可复制（大量含有抗菌分子）。Thomas和¹⁶ 名合作者通过粪便滴落在BHI平板上评估可培养的需氧和兼性需氧细菌，进行了无菌测试，从而突出了标准细菌学方法在无菌无菌控制方面的效率。此外，在提出的方案中，我们使用乙酰草素在硫代乙酸盐肉汤中的生长监测，以便能够检测非快速厌氧菌的生长。

该方案已经用于生产无菌鹌鹑和鸡，可适应大多数筑巢鸟类的无菌动物的生产，并为研究微生物群对这些动物的生理学贡献提供了视角。除了使用该模型来研究家禽肠道中的宿主 - 微生物群相互相互作用外，它还可用于应用研究。例如，它可用于评估来自鸡肠道共生微生物的益生菌的安全性和有效性，以改善动物的健康和健壮性。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2 mL sterile plastic pipettes	Starsted	86.1252.001
50 mL tubes	Falcon
BHI agar plates	Thermo fisher diagnostic	PO1198A
Brain Heart Infusion broth	Thermo fisher diagnostic	CM1135
Glass tubes with 9 mL BHI broth			home made and sterilized by autoclaving
Glass tubes with 9 mL thioglycolate broth with resazurin			home made and sterilized by autoclaving
Hatching incubator	Fieme	MG 576
Incubator	Memmert		for bacteriological culture, 37 °C
Irradiated feed	Safe	U8983G10R	40 kG irradiated
Isolators			home made. 1 m3 rigid isolator under positive pressure
Microbiological safety cabinet	thermon electron corporation		model: Hera Safe
Microscope Visiscope series 300	VWR
Pipette aid	Drummond
Plastic pipettes
Sterile sealed boxes	Tuperware		diameter
Sterilized glass tube			"sovirel"
Thioglycolate Broth with Resazurin	Merck	90404-500G
Water bath	Fisher scientific		model: polystat 36, used to incubate 10 min at 100 °C the glass tubes with 9 mL thioglycolate broth with resazurin in order to regenerate the medium