无菌（germ-free，GF）小鼠在微生物组的研究中扮演着重要角色。在动物无菌实验中，研究人员在没有任何微生物体存在的情况下观察某种疾病受微生物影响的程度，从而充分解释微生物群落的作用。Bäckhed等人很早就发现，无菌小鼠在高脂、高糖的西式饲料喂养下并没有患上肥胖症（Bäckhed et al，2007）。同样地，Wen等人利用无特异病原体（specific pathogen-free）小鼠首次证明了不表达MyD88蛋白的小鼠不会患上T1D，但是如果小鼠生长在完全无菌环境中，那么它们就可能患T1D（Wen et al，2008）。无菌小鼠模型实验为研究微生物组和人类的多种疾病的关系提供了一个重要工具。
通过在无菌小鼠植入单一菌株（如特定益生菌）、复合菌株（Schaedler菌群）或进行粪便移植是研究特定微生物作用的有力手段。可通过不同途径将外源性细菌植入无菌动物体内，如将外源性细菌混在饲料或水中、灌入直肠或鼻内饲喂。最常用的是直接灌胃。和无菌小鼠类似，定菌（gnotobiotic）小鼠免疫系统的功能不完整。(www.xing528.com)
通过异种移植（xenografting）的方法，将人类宿主肠道中的微生物组植入到无菌小鼠体内，可将一些疾病的表型转至无菌小鼠，从而建立相应的动物模型，用于人类相应疾病的研究。近年来，人源化的小鼠模型已被广泛应用于各种研究中，包括肠道疾病，抗生素治疗和粪便移植，麸质诱导的免疫病理学特征和肥胖症等研究，还用于研究肠道与微生物组的相互作用、肠道中的基因表达谱或代谢组学特征。供体的大部分代谢组学谱在相应的人源化小鼠模型体内复制。但是人源化小鼠并不能完全复制人类的微生物组的成分，一方面可能是因为小鼠与人的肠道解剖学、表面分子、免疫细胞和遗传背景等具有差别；但另一方面是因为宿主对特定菌株具有天然的偏好。如将供体的回肠内容物移植到无菌小鼠体内期间，只有当供体为小鼠时，其丝状分段细菌才能黏附到受体小鼠的上皮细胞，大鼠亦是如此，若供受体的品种不同，那么供体的丝状分段细菌则不能黏附到受体的上皮细胞（Tannock et al，1984）。众所周知，宿主的特定菌株和其他物种的菌株的差异是益生菌跨物种应用的一个障碍，因为益生菌只对它们的源宿主有益处，而对其他物种的宿主没有任何作用（Oh et al，2010）。这可能就是人源小鼠的免疫系统不够成熟的原因之一，因为人源微生物组可能不含有小鼠的特异性免疫调节微生物或人源菌株对小鼠可能没有相同的调节效果。
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