De gemiddelde muis herbergt, net als de gemiddelde mens, triljoenen bacteriën en virussen. De gemiddelde muis in een gnotobiotische faciliteit, echter, is de gastheer van nul. Er leven geen ziektekiemen op zijn huid, in zijn neusgaten, of in zijn darmen. Zijn voedsel en water, zelfs zijn beddengoed, wordt verwarmd tot meer dan 100 °C om bacteriën en virussen te doden voordat het via een steriel, fail-safe systeem van dubbele deuren in zijn kooi wordt afgeleverd. Dit is gnotobiotica; de studie van organismen waarvan elke kiem zorgvuldig wordt gecontroleerd.
In kiemvrije behuizingen worden muizen ondergebracht voor gnotobiotisch onderzoek. Afbeelding met dank aan het National Institute of Allergy and Infectious Diseases.
In de biologie is een gebruikelijke manier om een deel van een systeem te bestuderen het verwijderen ervan. Wetenschappers vergelijken vaak knock-out varianten met wild-type dieren om de effecten van het verwijderen van specifieke genen te bestuderen. Voor wetenschappers die de effecten van bacteriën op gezondheid en ziekte bestuderen, was het een logische stap – meer dan een halve eeuw geleden – om zich af te vragen wat er zou gebeuren als een dier zijn leven lang niet aan micro-organismen zou worden blootgesteld. Tegen 1959 kweekten onderzoekers kiemvrije muizen, ratten, cavia’s en kuikens in steriele roestvrijstalen en plastic behuizingen (1).
In de meeste opzichten zijn de huidige methoden voor het houden van gnotobiotische dieren niet veel veranderd sinds de jaren 1950. Om een kiemvrije kolonie te beginnen, moet een jong dier via een zorgvuldige chirurgische ingreep uit de baarmoeder van de moeder worden verwijderd om te voorkomen dat het wordt blootgesteld aan de micro-organismen in de vagina en de huid van de moeder. Vervolgens wordt het dier grootgebracht in een steriele kooi en alleen blootgesteld aan voedsel, water en ander materiaal dat eveneens is gesteriliseerd. Wekelijks – of vaker – worden de kooien en de uitwerpselen van de dieren door een technicus onderzocht om na te gaan of de steriele behuizing niet door bacteriën is besmet. Wanneer de kolonie eenmaal is opgericht, wordt het gemakkelijker om nieuwe kiemvrije dieren groot te brengen; een kiemvrije moeder kan op natuurlijke wijze bevallen zonder haar pasgeborenen aan enige bacterie bloot te stellen.
Het hebben van kiemvrije dieren geeft onderzoekers niet alleen de mogelijkheid om kiemvrije individuen te vergelijken met normaal grootgebrachte exemplaren. Kiemvrije dieren geven een laboratorium ook de mogelijkheid om één of enkele micro-organismen tegelijk te introduceren en ze te bekijken in een eenvoudiger omgeving dan de bruisende metropool van het microbioom. In het midden van de jaren zestig begon Russell Schaedler van de Rockefeller University met deze experimenten: hij creëerde verschillende mengsels van bacteriën, bestudeerde hoe deze de ingewanden van kiemvrije muizen koloniseerden (2), en verspreidde de zogenaamde “Schaedler Flora” onder laboratoria over de hele wereld.
Dat het microbioom van een organisme niet alleen helpt bij het verteren van voedsel, hebben onderzoekers zich tegenwoordig gerealiseerd – deels dankzij de vele vroege studies van kiemvrije dieren. Muizen die kiemvrij zijn opgevoed, hebben een veranderd immuunsysteem, hart, longen, lymfeklieren, metabolisme en zelfs voortplantingsvermogen. In 2011 bleek uit een studie dat kiemvrije muizen veranderde patronen van hersenontwikkeling en gedrag vertoonden: als de muizen werden blootgesteld aan een mengsel van bacteriën, keerden de veranderingen terug naar normaal (3). In 2013 ontdekte een team van onderzoekers dat als een monster van de darmmicrobiota van een zwaarlijvig mens in een kiemvrije muis werd gestopt – zonder veranderingen in het dieet van de muis – de muis zou aankomen. Als het microbiota monster in plaats daarvan afkomstig was van een mager mens, trad de gewichtstoename niet op (4).
Nadat het belang van commensale bacteriën en virussen – d.w.z. bacteriën en virussen die hun gastheer geen schade berokkenen – steeds duidelijker wordt, blijven gnotobiotische dieren een belangrijk instrument om de interacties tussen de microbiota en het lichaam te bestuderen. Hoewel mensen niet kiemvrij kunnen worden grootgebracht, kunnen monsters van het microbioom van de menselijke darm worden overgebracht op muizen om op de mens gelijkende darmcondities te creëren (5). Onderzoekers beschikken nu over een overvloed aan technologieën die hen helpen de moleculaire grondslagen van de verbanden tussen microbiome en fysiologie te begrijpen. Zij kunnen high-throughput genetische en moleculaire screeningtechnieken gebruiken om kiemvrije muizen te vergelijken met muizen met alleen bepaalde, geïntroduceerde bacteriën in hun darmen of muizen met een volledige menagerie van microbiota (6). Ook kunnen muizen met gewenste genen of genmutaties kiemvrij worden grootgebracht om te testen hoe een gen betrokken kan zijn bij het tot stand brengen of controleren van het microbioom.
De grootste vragen bij de studie van het microbioom – hoe kolonies van micro-organismen tot stand komen en in stand worden gehouden, hoe zij hun gastheer beïnvloeden, en hoe de gastheer de populaties van kiemen vormt – zijn allemaal afhankelijk van gnotobiotische dieren als een instrument om het veld vooruit te helpen.