Housing of laboratory mice in a natural habitat : influence on immune system, gut microbiota, and colorectal cancer development

Abstract

The natural habitat for the house mouse is on the ground, typically close to humans and their livestock and hence surrounded by a rich microbial diversity that throughout evolutionary history has driven the adaptation of the house mouse. It is thus paradoxical that almost without exception, experimental disease studies using this mammalian model take place in perfect isolation from the outer microbial world. The end goal for preclinical research, humans, rarely live in microbial isolation, although lifestyles can arguably be said to vary on a scale. To develop a preclinical model that better resemble realistic lifestyles of mammals, we have established a system where laboratory mice are raised under a full set of environmental conditions present in a typical farmyard habitat for the house mouse. We call the process feralization, and the first paper covered by this thesis show the resulting mammal display more functionally mature states of immune cells and a diverse gut microbiota, likely surpassing conventional laboratory mice in resembling responses of free-living mice.

Furthermore, we demonstrated the use of this animal modelling approach that recapitulates realistic disease responses in a naturalized mammal. We first established a protocol of the AOM/DSS model for colorectal cancer (CRC) induction in mice using a lower-than-usual dose of DSS that is presented in paper II. In paper III, we employed the AOM/DSS model, as well as a previously established genetic Min/+ model of CRC, in a feralization system. We showed that the mice feralized in a farmyard-type habitat were protected against colorectal carcinogenesis compared to conventionally reared laboratory mice. Moreover, our feralization model allows for full control of the timing of microbial exposure. We took advantage of this by including groups of mice that were either born in the farmyard habitat or introduced to it in later life, demonstrating that neonatal microbial exposure was not essential for the CRC protection. The findings were supported by changes in gut microbiota profiles, as well as immunophenotypes indicative of antigenic experience in the feralized mice.

In currently unpublished work, we aimed to narrow in on mechanisms for the protective effects conveyed by feralization in the intestines. Assays investigating mucus layer properties showed no differences following feralization, yet a few genes in the colon mucosa related to barrier function were found to be significantly upregulated between feralized and conventional laboratory mice. Further assessments are needed to elaborate on the mechanisms underlying the beneficial effects of feralization.

Det naturlige habitatet for husmus er typisk nær mennesker og deres husdyr, og husmusa er gjennom evolusjon tilpasset et slikt rikt mikrobielt levemiljø. Det er derfor paradoksalt at eksperimentelle studier der mus brukes for å studere sykdomsmekanismer, omtrent uten unntak foregår i perfekt isolasjon fra den ytre, mikrobielle verden. Målet for prekliniske studier ved bruk av forsøksmus er typisk å overføre funnene til relevans for mennesker, men mennesker lever sjeldent i mikrobiell isolasjon, selv om individuelle livsstiler varierer stort. For å utvikle en preklinisk musemodell som mer realistisk representerer naturlige livstiler hos pattedyr, har vi etablert et system der laboratoriemus fostres opp i en mer naturlig situasjon, der habitatet deres er beriket med elementer som er tilstede i et typisk gårdsmiljø. Vi har kalt denne prosessen «feralisering», og den første artikkelen som omfattes av denne avhandlingen demonstrerer at de «feraliserte» musene viser tegn til mer funksjonelt modne immunceller og en rikere tarmmikrobiota sammenliknet med laboratoriemus oppstallet under tradisjonelle, rene forhold. Videre har vi demonstrert bruken av feraliserings-systemet som kan benyttes til å studere realistiske sykdomsresponser i et naturalisert pattedyr. Først etablerte vi en protokoll for kjemisk induksjon av kolorektalkreft hos mus, ved å bruke en lavere-enn-normal dose av DSS i en AOM/DSS modell. Dette arbeidet er presentert i artikkel II. I artikkel III benyttet vi AOM/DSS modellen, så vel som en tidligere etablert genetisk Min/+ musemodell for kolorektalkreft, i feraliseringssystemet. Vi demonstrerte at musene som ble feralisert i et naturalistisk gårdsmiljø var beskyttet mot tykktarmskreft, sammenliknet med laboratoriemus oppstallet under tradisjonelle, rene forhold. Videre tillater feraliserings-systemet full kontroll av timingen for mikrobiell eksponering. Vi utnyttet dette ved å inkludere en gruppe av mus som enten var født i gårdsmiljøet, eller introdusert dit senere i livet. Med dette viste vi at neonatal mikrobiell eksponering ikke var essensiell for beskyttelse mot kolorektal kreft. Funnene ble støttet av endringer i tarmmikrobiotaprofiler, samt immunofenotyper som kan indikere at de har blitt eksponert for antigener. I nåværende upublisert arbeid hadde vi som mål å undersøke mulige mekanismer for hvordan feralisering i et gårdsmiljø kunne gi beskyttelse mot kolorektal kreft. Undersøkelser av slimlaget i tarm viste ingen forskjeller etter feralisering. Likevel var det none få gener i tykktarmsslimhinnen relatert til barrierefunksjon som var oppregulert i feraliserte mus sammenliknet med konvensjonelt oppstallede laboratoriemus. Videre undersøkelser er nødvendig for å kunne utdype mer når det gjelder mekanismene bak feraliserings beskyttende effekt.