正常人体肠道寄居微生物菌群多达1014,相当于人体细胞数的10倍。正常情况下,这些微生物不但对人体无害,而且对于维持机体多种生理功能是至关重要的,因而也被称为肠道正常菌群。近年来,越来越多研究证实肠道正常菌群与机体生理状态的维持关系紧密,而肠道菌群失衡可导致多种疾病的发生。但由于肠道菌群组成和作用网络的复杂,其具体作用机理仍缺乏深入研究。因而,需要一种理想的模型来探索肠道中某些重要菌群对宿主的作用及相关机制。而无菌动物的出现使之成为可能。无菌动物(Germfree animal,GF),由于其体内不存在任何包括细菌、病毒、真菌、原虫、支原体、衣原体、螺旋体、立克次体在内的活的生命体的干扰,为研究和验证肠道微生态和宿主正常生理及病理感染状态下的相互关系提供了行之有效的动物模型。1945年,美国NOTRE DAME大学lobund实验室的Reynier等人首次成功培育出无菌大鼠并随后成功繁殖和建群,证实了动物可以在无菌环境下生存。然而,无菌动物模型的建立并不容易。其技术要求高、需要特殊环境及专门仪器(隔离器)、成本高、污染率高、成功率低。因而,目前国内尚无无菌大鼠规模化培育成功及应用的报道。在国外,自从Reyniers成功培育无菌大鼠后,简单的无菌大鼠生物学特性研究有零星报道。但鉴于当时实验条件、实验方法的局限、无菌动物模型异常珍贵,系统全面的生物学特性资料并不充分。特别是利用UPLC-MS方法对无菌大鼠粪样、尿样代谢组学全面的轮廓分析尚未见报道。因而建立无菌大鼠生物学特性的基础数据信息是有必要的。本研究首先利用改良的方法建立无菌大鼠(GF)模型,并使其成功传代。并应用该模型及无特定病原体(SPF)级同类大鼠模型,采用透射电子显微镜(TEM)观察其形态学表达差异；采用超高效液相色谱-质谱技术(UPLC-MS)研究GF及SPF级大鼠的代谢谱表达轮廓,筛选出多种与菌群相关的生物标志物；采用流式细胞学技术(FCM)研究GF及SPF级大鼠主要器官和外周血中淋巴细胞的差异性表达,建立了较完善的无菌大鼠生物学特性的基础数据。第一部分无菌大鼠模型建立及传代目的：建立第一代人工哺乳的无菌大鼠模型并使其繁殖传代。方法：将临产的SPF级SD孕鼠在无菌环境下行剖腹产术,将剖出乳鼠传入无菌隔离器内,利用改良的人工乳配方及强饲灌胃法哺乳乳鼠21天离乳后,在隔离器内继续饲养乳鼠,2.5月左右将雌雄无菌大鼠合笼交配。结果：离乳时,无菌乳鼠存活率达85%,3.5月左右无菌大鼠繁殖出下一代,并能自行哺乳。实验过程中多次无菌检测均为阴性。结论：通过改良人工乳及强饲灌胃法可成功哺育无菌大鼠,该批大鼠有正常的繁殖能力及哺乳能力。第二部分无菌大鼠生物学特性研究目的：探索无菌大鼠形态学特征、代谢组学特征、主要脏器及外周血中免疫细胞表达情况,初步建立无菌大鼠生物学特性基础实验数据。方法：利用TEM观察GF大鼠及SPF大鼠肠、阑尾、胸腺形态学表现；利用UPLC-MS观察GF大鼠(8只)及SPF大鼠(20只)粪便及尿液标本在正负离子模式下代谢谱表达轮廓,并筛选出表达差异明显的生物标志物；利用FCM分析GF大鼠(6只)及SPF大鼠(20只)外周血、结肠、小肠、脾脏、肝脏淋巴细胞差异性表达。结果：在形态学方面,GF大鼠盲肠(湿重)是SPF级大鼠5倍。TEM显示：与SPF级大鼠相比较,GF大鼠肠道微绒毛更加细长、规则,隐窝细胞更浅；盲肠肌壁变薄；胸腺内淋巴细胞更少。在代谢组学方面,UPLC-MS检测发现：GF及SPF级大鼠的粪便,尿液的代谢轮廓表达差异明显,筛选出包括氨基酸、胆汁酸及糖类等十七种小分子物质,并对其意义进行分析。在免疫学方面,FCM检测发现：GF大鼠外周血表达CD3+CD4+T细胞小于SPF级大鼠(P<0.001),大肠肠粘膜固有层(LP)表达CD3+CD4+T细胞小于SPF级大鼠(P=0.013),表达CD3+CD8+T细胞大于SPF级大鼠(P=0.024)；小肠LP表达CD3+CD4+T、CD3+CD8+T细胞、Treg (CD4+CD25+Foxp3)细胞小于SPF级大鼠(P<0.001,P<0.001,P=0.002)；肝脏表达NKT(CD161a+TCRαβ)细胞小于SPF级大鼠(P=0.012),CD3+CD8+T细胞大于SPF级大鼠(P<0.001)。结论：GF大鼠与SPF级大鼠在形态学、代谢组学及免疫学方面差异明显,初步建立无菌大鼠生物学特性的基础数据。从而可根据无菌大鼠独特的生物学特性将其应用于肠道微生态、免疫缺陷疾病(如艾滋病)及代谢性疾病的研究。