A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
إن المسالك الهوائية الموصولة بالمخاط من التليف الكيسي (سف) هي بيئة مثالية لمسببات الأمراض الميكروبية لتزدهر. تصف المخطوطة طريقة جديدة لدراسة ميكروبيوم الرئة سف في بيئة تحاكي حيث تسبب المرض وكيف أن التغيرات في الظروف الكيميائية يمكن أن تدفع الديناميات الميكروبية.
العديد من أمراض مجرى الهواء المزمن تؤدي إلى انسداد المخاط من الشعب الهوائية. الرئتين من فرد مع التليف الكيسي هي حالة مثالية حيث القصيبات متصلة المخاط خلق الموئل مواتية للاستعمار الميكروبي. العديد من مسببات الأمراض تزدهر في هذه البيئة تتفاعل مع بعضها البعض، والقيادة العديد من الأعراض المرتبطة مرض سف. ومثل أي مجتمع ميكروبي، فإن الظروف الكيميائية لموئلها لها تأثير كبير على هيكل المجتمع ودينامياته. على سبيل المثال، الكائنات الحية الدقيقة المختلفة تزدهر في مستويات مختلفة من الأوكسجين أو غيرها من تركيزات المذاب. هذا صحيح أيضا في الرئة سف، حيث يعتقد أن تركيزات الأكسجين لدفع علم وظائف الأعضاء المجتمع وهيكل. الطرق الموصوفة هنا مصممة لتقليد بيئة الرئة وتنمو مسببات الأمراض بطريقة أكثر مماثلة لتلك التي تسبب المرض. ثم يستخدم التلاعب بالمحيط الكيميائي لهذه الميكروبات لدراسة كيفية كيميستري من التهابات الرئة يحكم البيئة الميكروبية. ويستند هذا الأسلوب، ودعا نظام وينف، على البلغم الاصطناعي وأنابيب الشعرية الضيقة التي تهدف إلى توفير التدرج الأكسجين مماثلة لتلك التي توجد في القصيبات توصيل المخاط. يسمح التعامل مع الظروف الكيميائية، مثل درجة الحموضة لوسائل الإعلام من البلغم أو ضغط المضادات الحيوية، لتصور الاختلافات الميكروبيولوجية في تلك العينات باستخدام مؤشرات ملونة، ومشاهدة لإنتاج الغاز أو بيوفيلم، أو استخراج وتسلسل محتويات الحمض النووي من كل عينة.
وتسمى الطريقة الموصوفة في هذه المخطوطة نظام وينف 1 . الهدف العام من وينف هو توفير الإعداد التجريبية قادرة على محاكاة البيئة من الشعب الهوائية الرئة مليئة المخاط المخاط. هذا سوف يسمح لنظام قابل للدراسة لدراسة مسببات الأمراض الميكروبية من أمراض الرئة مع النمط الظاهري فرط المخاط بما في ذلك التليف الكيسي (سف)، مرض الانسداد الرئوي المزمن (كوبد)، والربو وغيرها. تم تصميم هذا الإجراء خصيصا لدراسة سف، والتي تتميز الطفرات التي تسبب إفرازات الرئة لتصبح سميكة وصعبة واضحة، في نهاية المطاف ملء القصبات وغيرها من الممرات الصغيرة مع المخاط 2 . هذا الانسداد في الرئة تمنع تبادل الغاز لأن الهواء المستنشق لم يعد قادرا على الوصول إلى العديد من الحويصلات الهوائية وأيضا توفير موطن للاستعمار الجرثومي 3 ، 4 . عدم القدرة على منع نمو الميكروبات فيالإفراط في مخاط رئة يؤدي في النهاية إلى تطور العدوى المزمنة المعقدة لمجرى الهواء. هذه المجتمعات تحتوي على مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، بما في ذلك الفيروسات والفطريات والبكتيريا مثل الزائفة الزنجارية، وكلها تتفاعل مع بعضها البعض 5 و 6 و 7 و 8. ويعتقد أن نشاط microbiome CF الرئة أن تشارك في مشاعل الأعراض تسمى التفاقم الرئوية 1 و 9 و 10 و 11. WinCF يمكن دراسة سلوك المجتمع الميكروبي حول هذه التفاقم ويجري الآن توسيعها لتكون بمثابة نظام تجريبي قاعدة لدراسة الرئة الميكروبية البيئة. تقليديا، وقد تم دراسة التفاقم من خلال التحليل المباشر للعينات المأخوذة من الرئة. العديد من العوامل المربكة تجعل التحليل المباشر للب الميكروبيةehavior في الرئتين الصعبة، مع نظام WinCF، وكثير من هذه العوامل يتم إزالتها وسلوك microbiome الرئة يمكن دراستها بصورة مباشرة، مما يسمح للتحليل أدق النشاط الجرثومي في قصيبة-توصيل المخاط.
ويوفر النظام WinCF طريقة لتنمو وتحليل البكتيريا بطريقة يحاكي البيئة بشكل فعال الرئة. الطرق التقليدية لزراعة البكتيريا الرئة عينات زراعة في كثير من الأحيان المعنية على لوحات أجار التقليدية. هذه الأساليب تترك العينات مفتوحة للأكسجين في الغلاف الجوي، إهمال لحساب ميتة وغالبا الظروف الأكسجين الموجود في القصيبات الرئوية توصيله مع مخاط 12 و 13. زراعة على أجار تحت الظروف الهوائية شيء مثل بيئة CF الرئة ويمكن تضليل الأطباء والباحثين بشأن سلوك مسببات الأمراض التي يحاولون علاج. بالإضافة إلى ذلك، العناصر الغذائية المتاحة للبكتيريا على لوحات أجارلا يختلف عن تلك المتوفرة في البلغم الفعلي، الذي استأثرت في WinCF من خلال الاستفادة من وسائل الإعلام البلغم الاصطناعي (ASM). كما يتضح من الثقافات الزائفة في Sriramulu وآخرون. 14، ويشمل ASM مجموعة محددة من المكونات التي يحاكي الموارد المتاحة للميكروبات البلغم ويعيد التناسق البدني من البلغم أيضا. لأن الرئة المريضة لديها microbiome معين، يجب دراسة هذه الكائنات الدقيقة من الناحية المثالية أن تتم في الظروف المحددة في الرئة كذلك.
النظام WinCF يمكن تحليل سريع والتلاعب سهل من الظروف التجريبية لمراقبة التغيرات الميكروبية مماثلة إلى الكيفية التي يمكن أن تحدث في قصيبة الرئة الفعلية. هذا الأسلوب يسمح للتلقيح عدد لا يحصى من أنواع عينة ذات الصلة بما في ذلك البلغم واللعاب وغيرها من إفرازات الجسم والثقافات البكتيرية نقية أو مختلطة. طبيعة الإعداد التجريبية تسمح التفسير البصري المباشر للتم تصميم سلوك المجتمع الميكروبي ولتمكين التطبيق المصب سهل من العديد من الإجراءات الميكروبيولوجية وOMICS. مثل هذه الدراسات مهمة لتغيير تركيبة المجتمع البكتيرية بناء على الظروف الفيزيائية بيئتهم. مع WinCF الظروف الكيميائية وسائل الإعلام يمكن التلاعب بها لتحليل الآثار المترتبة على النشاط البكتيري. على سبيل المثال، الحموضة وسائل الإعلام يمكن أن تتغير قبل التلقيح مع عينة. بعد مرور فترة الحضانة، والنشاط الجرثومي في كل من هذه الشروط يمكن مقارنة مباشرة، ويمكن استخلاص استنتاجات حول كيف تتصرف البكتيريا في تلك العينات البلغم ردا على تفاوت درجة الحموضة. هنا، ونحن الخطوط العريضة لإجراءات تطبيق نظام WinCF وأمثلة لكيفية الكيمياء وسائل الاعلام يمكن التلاعب بها لدراسة الآثار المترتبة على microbiome الرئة.
1. إعداد الأسهم للالبلغم الاصطناعي وسائل الإعلام
2. إعداد الاصطناعي البلغم المتوسطة
3. إعداد تشغيل السيطرة على شعري أنابيب
الشكل 1: الرقم الهيدروجيني التدرج، ملء أنبوب شعري مع البلغم الاصطناعي متوسطة. ويضاف الوسيط عن طريق إدراج طرف واحد من الأنبوب في السائل والإمالة لتسهيل العمل الشعري. التلوين المتوسط في هذا المثال يرجع إلى مؤشر الرقم الهيدروجيني المضافة للمساعدة في الشيطانسترات التغييرات المحتملة في الحموضة بعد الحضانة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مثال درجة الحموضة التدرج، شعرية أنابيب جاهزة للحضانة. وبمجرد أن يتم شغل ثلاثة أنابيب الشعرية ومختومة، يتم وضعها في أنبوب الطرد المركزي مع منشفة ورقية رطبة في القاع. ثم توج هذا الأنبوب ووضعها في رف. يجب أن يكون موجها رف جانبية أثناء الحضانة، كما في الصورة هنا، حتى أن إنتاج الغاز يمكن ملاحظتها مرة واحدة اكتمال الحضانة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
4. التصوير من التحكم شعري أنابيب بعد الحضانة
الشكل 3: مثال درجة الحموضة التدرج، تشغيل التحكم، قبل الحضانة، لا البلغم المضافة. البلغم الاصطناعي المتوسطة بعد أن تضاف إلى أنابيب الشعرية في مجموعات من ثلاثة، وزيادة في درجة الحموضة من اليسار إلى اليمين. مزيج من المؤشرات المضافة إلى نتيجة متوسطة في أنابيب أكثر حمضية تظهر أكثر الأصفر، في حين أن أنابيب أقل حمضية تصبح أكثر الأرجواني. يتم ترتيب الأنابيب أفقيا وتضيء من أسفل، وتصويرها من أعلاه. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
5. التلقيح وWinCF شعري أنابيب مع عينة بصاق
6. التصوير من عينة شعري أنابيب بعد الحضانة
7. إزالة وسائل الإعلام لتطبيقات المصب
8. نظام وينف فلود
ملاحظة: نظام وينكف لوادينغ لوادينغ وتيليتي (فلود) نظام هو مجموعة اختيارية من الأجهزة التكميلية المصممة لتحسين الإنتاجية من نظام وينف. يتكون نظام وينف فلود في المقام الأول من المواد القابلة للطباعة 3D. يسمح التصنيع المطبوع ثلاثي الأبعاد باستبدال المواد بسرعة وسهولة لضمان الحد الأدنى من وقت التوقف عن العمل للباحثين وكذلك الحد الأدنى من متطلبات التصنيع. تصاميم، ملفات ستل، تعليمات الطباعة 3D ودليل وينف فلود متوفرة في سوبليم على الانترنتالإقليم الشمالي.
الشكل 4: نظام فلود محملة بالكامل مع أنابيب الشعرية المضمونة من قبل ممسكة المطاط خلال منجزاتها. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: نظام FLUD مع أنابيب المتوسطة المنتشرة على التوجيه الأفقي، على استعداد لاجراء اتصالات مع شعري أنابيب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: نظام FLUD مع شعري أنابيب تحميل مع وسائل الإعلام عن طريق عمل شعري. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: ختم أنابيب الشعرية شغل على نظام فلود مجموعة ثلاثية واحدة في وقت واحد باستخدام كتلة تسرب. وكان هذا البلاستيك تسرب على طول الحواف التي قطعت لمنع الاتصال مع مجموعات الثلاثية المجاورة أثناء الختم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8: شعري أنابيب المطاط في مهد المحول من نظام FLUD إلى حامل التصوير، التي وضعت في الحضانة صندوق واضح إلى جانب مناشف ورقية رطبة لتوفير الرطوبة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من الهو الرقم.
النمو الميكروبيولوجي في مختلف الظروف الكيميائية التي يسببها داخل عينات تختلف بشكل كبير في بعض الحالات وأكثر بمهارة في مناطق أخرى. وكانت العديد من التغيرات في النشاط المرئية في الطبيعة، ويجري بادية للعيان فور انتهاء فترة الحضانة. في المثال التلاعب ...
تحتوي التركيبة الميكروبيولوجية للرئة مع سف على مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات الحية، ولكن الظروف داخل الرئة على الأرجح لها تأثير كبير على أنواع الميكروبات التي يمكن أن تعيش وتزدهر 13 ، 15 . آليات محددة من خلالها تغير هذه الظروف والآثا...
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
ويود المؤلفون أن يعترفوا بجائزة فيرتكس فارماسيوتيكالز وجائزة الابتكار في مجال التليف الكيسي للتمويل R. كوين والمعاهد الوطنية للصحة / نييد لمنحة التمويل 1 U01 AI124316-01، وهو نهج بيولوجيا النظم لمعالجة مسببات الأمراض المقاومة للأدوية المتعددة. ونود أيضا أن نشكر قسم الهندسة الميكانيكية والفضاء في جامعة كاليفورنيا أوسسد في الهندسة المعمارية العليا دورة التصميم لتسهيل التعاون مع الجوانب الهندسية لهذا العمل.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Color-Coded Capillary Tubes | Fisher Scientific | 22-260943 | |
Cha-seal Tube Sealing Compound | Kimble-Chase | 43510 | |
Mucin from porcine stomach | Sigma | M1778 | |
Ferritin, cationized from horse spleen | Sigma | F7879 | |
Salmon sperm DNA Sodium salt (sonified) | AppliChem Panreac | A2159 | |
MEM Nonessential Amino Acids | Corning cellgro | 25-025-CI | |
MEM Amino Acids | Cellgro | 25-030-CI | |
Egg Yolk Emulsion, 50% | Dalynn Biologicals | VE30-100 | |
Potassium Chloride | Fisher Scientific | P2157500 | |
Sodium Chloride | Fisher Scientific | S271500 | |
15 mL centriguge tubes with Printed Graduations and Flat Caps | VWR | 89039-666 | |
50 mL centrifuge tubes with Printed Graduations and Flat Caps | VWR | 89039-656 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Corning | MCT-150-R | |
2.0 mL microcentrifuge tubes | Corning | MCT-200-C |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved