脊柱植入物感染的体内小鼠模型

摘要

该协议描述了一种新型的脊柱植入物感染体内小鼠模型，其中不锈钢 k 线植入物感染生物发光 金黄色葡萄球 菌 Xen36。通过生物发光成像纵向监测细菌负荷，并在安乐死后通过菌落形成单位计数确认。

摘要

脊柱植入物感染预示着不良结果，因为诊断具有挑战性，并且手术根除与机械脊柱稳定性不一致。该方法的目的是描述一种新型的脊柱植入物感染 （SII） 小鼠模型，该模型旨在提供一种廉价、快速和准确的体内工具来测试脊柱植入物感染的潜在治疗方法和治疗策略。

在这种方法中，我们提出了一种后入路脊柱手术模型，其中将不锈钢 k 线固定到 12 周龄 C57BL/6J 野生型小鼠的 L4 棘突中，并接种 1 x 10³ CFU 金黄色葡萄球菌 Xen36 细菌的生物发光菌株。然后在术后第0,1,3,5,7,10,14,18,21,25,28和35天纵向成像小鼠体内生物发光。对来自标准化视野的生物发光成像 （BLI） 信号进行量化，以测量体内细菌负荷。

为了量化粘附在植入物和植入物周围组织的细菌，将小鼠安乐死并收获植入物和周围的软组织。通过超声处理将细菌从植入物中分离出来，培养过夜，然后计数菌落形成单位（CFU）。从该方法获得的结果包括通过体内 金黄色葡萄球 菌生物发光（平均最大通量）测量的纵向细菌计数和安乐死后的 CFU 计数。

虽然先前的器械性脊柱感染动物模型涉及侵入性、离体组织分析，但本文提出的 SII 小鼠模型利用生物发光细菌的非侵入性实时体内光学成像来取代静态组织研究。该模型的应用范围很广，可能包括利用替代的生物发光细菌菌株，结合其他类型的基因工程小鼠来同时研究宿主免疫反应，以及评估当前或研究新的诊断和治疗方式，如抗生素或植入物涂层。

引言

该方法的目的是描述一种新的脊柱植入物感染（SII）小鼠模型。该模型旨在提供一种廉价且准确的工具，以灵活评估宿主、病原体和/或植入物变量在体内的影响。在该模型中测试脊柱植入物感染的潜在疗法和治疗策略旨在指导在应用于大型动物模型和临床试验之前的研究开发。

脊柱手术后植入物相关感染是一种毁灭性的并发症，不幸的是，大约 3-8% 的择期脊柱手术患者¹、²、³、^4、5 和高达 65% 的接受多节段或翻修手术的患者⁶。脊柱植入物感染的治疗通常需要多次住院、多次手术和长期抗生素治疗。SII 预示着不良的患者预后，包括神经功能受损、残疾和死亡风险增加。SII 的管理非常昂贵，每位患者的费用超过 900,000 美元⁷。

金黄色葡萄球菌是 SII⁸、^9、10、11 最常见的致病病原体。细菌可以在手术过程中直接播种硬件，在术后期间通过伤口播种，或者以后通过血行播散。在金属植入物存在的情况下，金黄色葡萄球菌形成生物膜，保护细菌免受抗生素治疗和免疫细胞的侵害。虽然移除受感染的硬件可能有助于有效根除感染，但这在脊柱中通常不可行，否则会导致不稳定并有神经系统损害的风险¹².

在没有移植受感染的硬件的情况下，需要新的方法来预防、检测和治疗 SII。从历史上看，SII的动物模型有限，无法有效评估新疗法的安全性和有效性。以前的SII动物模型需要大量的动物和需要安乐死的数据点的收集，包括菌落计数，组织学和培养^13,14,15。由于缺乏纵向体内监测，这些模型仅为每只动物提供一个数据点，因此成本高昂且效率低下。

先前研究膝关节置换术感染小鼠模型的工作确定了无创活体光学成像在纵向监测感染负担方面的价值和准确性¹⁶。生物发光的检测允许在单个动物的纵向时间过程中以人道、准确和高效的方式量化细菌负荷。此外，先前的研究表明，体内生物发光与粘附在植入物上的CFUs之间存在高度相关性¹⁷。随着时间的推移跟踪感染的能力，使人们对植入物相关感染有了更细致入微的理解。此外，以这种方式监测纵向感染，可以准确评估抗生素治疗和新型抗菌剂的有效性^16,17,18。

利用这些工具，我们开发并验证了术后脊柱植入物感染的模型。在所提出的方法中，我们利用生物发光金黄色葡萄球菌 Xen36 的接种物来建立 SII 的体内小鼠模型，以纵向监测细菌负荷¹⁶、^17、18。这种新颖的模型提供了一种有价值的工具，可以在将其应用于大型动物模型和临床试验之前有效地测试SII的潜在检测、预防和治疗策略。

研究方案

所有动物均严格按照《动物福利法》（AWA）、1996 年《实验动物护理和使用指南》、《PHS 实验动物人道护理和使用政策》以及《动物护理和使用培训手册》中规定的机构政策和程序中规定的良好动物规范进行处理， 所有动物工作均获得加州大学洛杉矶分校校长动物研究委员会（ARC）的批准。

1. 金黄色葡萄球 菌生物发光菌株选择

1. 使用生物发光 金黄色葡萄球菌菌 株 Xen36 作为感兴趣的接种物。
   注意:该菌株来源于 亲本金黄色葡萄球菌 ATCC-49525，它是来自脓毒症患者的临床分离物。 金黄色葡萄球菌 Xen36 独特地利用 了 luxABCDE 操纵子，该操纵子经过优化并集成到宿主的天然质粒中。¹⁹ 因此，Xen36 菌株能够产生峰值波长发射为 490 nm 的蓝绿色生物发光光。这种发射信号仅由具有代谢活性的活细菌生物产生。

2. S. 的制备接种用金黄色葡萄球菌

1. 将 200 μg/mL 卡那霉素加入 Luria 肉汤中，加上 1.5% 琼脂，利用与 lux 操纵子¹⁹ 相连的卡那霉素抗性基因，从潜在污染物中分离金黄色葡萄球菌 Xen36。
2. 将 金黄色葡萄球 菌Xen36细菌条纹到胰蛋白酶大豆琼脂平板（胰蛋白酶大豆肉汤[TSB]加1.5%琼脂）上，并在37°C下孵育12-16小时。
3. 分离 金黄色葡萄球 菌Xen36的单个菌落，并在37°C下在振荡培养箱（200rpm）中在TSB中单独培养12-16小时。
4. 以 1:50 的比例稀释所得培养物。
5. 在37°C下再培养2小时以分离中对数期细菌。
6. 在磷酸盐缓冲盐水 （PBS） 中沉淀、重悬和洗涤细菌 3 次。
7. 测量600nm处的吸光度。理想的 OD600 介于 0.700 和 0.750 之间，相当于 4x10⁵ CFU/mL。进行连续稀释以获得所需的细菌接种物（1 x 10³ CFU / 2μL）。
   注:发现用于建立慢性感染的Xen36的最佳浓度为1 x 10³ CFU。较低剂量的细菌被宿主免疫系统清除，较高剂量导致伤口破裂。伤口破损不区分深部植入物感染和浅表伤口感染，因此在此模型中避免了（图 1）²⁰。

3. 老鼠

1. 使用12周龄雄性C57BL / 6J野生型小鼠。
2. 将老鼠饲养在笼子里，一次最多4只。
3. 随时保持水的供应。保持 12 小时的明/暗循环，不要在循环的暗阶段进行实验。
4. 使用不含苜蓿的食物进行喂养，因为可能会干扰荧光信号。
5. 让研究人员或兽医人员每天评估小鼠，以确保动物在整个实验过程中的健康。

4. 小鼠外科手术

1. 通过将小鼠置于异氟醚（2%）腔室中约5分钟来诱导麻醉。通过监测呼吸以保持有节奏且比清醒时慢，并且不会因有害刺激（例如，手术操作、脚趾捏）而改变，从而确认适当的麻醉深度。
2. 将麻醉的小鼠转移到准备站，并用啮齿动物剪将毛发从骶骨去除到上胸椎。
3. 用交替的倍他丁溶液和异丙醇进行三次洗涤清洁和消毒。
4. 将俯卧位的麻醉和灭菌小鼠转移到无菌手术床上，通过鼻锥给予吸入异氟醚（2%）维持麻醉。
5. 最大限度地弯曲臀部并确定膝盖在脊柱水平的位置，以接近腰椎 4 椎体。
6. 用 15 刀片手术刀在皮肤上做一个 2 厘米的纵向切口。
7. 触诊棘突以确认中线，并继续切口直至骨骼。
8. 在L4棘突右侧的骨膜下解剖，向外侧延伸至横突。
9. 将 5-0 头侧和尾部大小的可吸收编织缝合线通过筋膜传递到 L4 体并保持开放状态，为将来的闭合做准备。
10. 使用 25 G 脊髓针，使用 25 G 脊髓针铰接 L4 的棘突，并沿椎板插入直径为 0.1 毫米、长 1 厘米的"L 形"手术级不锈钢植入物，长臂铺设头侧。
11. 用 1 x 10³ CFU/2 μL 生物发光 金黄色葡萄球 菌 Xen36 接种植入物，注意确保所有溶液都接触植入物。
12. 在接种后将先前通过的可吸收缝合线绑扎起来约10秒钟，以确保接种物包含在植入物上。
13. 用可吸收的缝合线以跑步的方式紧贴皮肤。
14. 立即皮下注射丁丙诺啡 （0.1 mg/kg），然后每 12 小时注射一次止痛药，持续 3 天。
15. 在加热垫上恢复小鼠并监测恢复正常活动。
16. 获取术后 X 光片以确认植入物的正确放置。

5. 纵向活体生物发光成像测量细菌负荷

1. 用吸入异氟醚（2%）麻醉小鼠。通过监测呼吸以保持有节奏且比清醒时慢，并且不会因有害刺激（例如，手术操作、脚趾捏）而改变，从而确认适当的麻醉深度。
2. 用啮齿动物剪去除从骶骨到上胸椎的毛发。
3. 将小鼠加载到生物发光成像平台的视野中，以进行体内生物发光成像（BLI）¹⁹。
4. 在 5 分钟的采集时间内捕获生物发光信号。利用具有 15 厘米视野 （B） 的大型像素合并设置。
5. 在术后第 0、1、3、5、7、10、14、18、21、25、28 和 35 天（或基于特定实验设计的其他天数）重复步骤 5.1-5.4 以监测细菌负荷。
6. 通过色阶和叠加在灰度照片上呈现BLI数据。使用 BLI 软件分离标准卵形感兴趣区域 （ROI），以量化总通量（光子/秒/秒）或平均最大通量（光子/秒/厘米²/球面度）的 BLI。

6. 量化粘附在植入物和周围组织的细菌

1. 根据 AVMA 指南，在 POD 35 或选择的替代术后日期暴露于二氧化碳的情况下对小鼠实施安乐死。确认安乐死伴继发性颈椎脱位。
2. 根据步骤4.3对背部皮肤进行消毒，并将小鼠俯卧在无菌手术区域上。
3. 使用 15 刀片手术刀锐利切开先前的切口。
4. 使用无菌剪刀钝性解剖 L4 棘突并识别手术植入物。
5. 使用针头轻轻扭转植入物并将其从 L4 棘突中的位置移开。
6. 使用无菌镊子和剪刀，收获紧邻手术植入物周围的约 0.1 g 棘突骨和软组织，并将 1 mL PBS 放入带有 4 个锋利均质珠的小锥形犀牛管中。
7. 通过称量锥形管在收获前后记录软组织的重量。
8. 将植入物置于 TSB 中的 0.5 mL 0.3% 吐温-80 中并超声处理 15 分钟。
9. 涡旋所得植入物悬浮液2分钟，培养过夜12-16小时。
10. 使用均质器将先前放置在植入物周围的1ml PBS中的软组织和棘突均质化。
11. 涡旋所得软组织悬浮液5分钟，培养过夜12-16小时。
12. 过夜培养后，分别从植入物和周围组织中计数CFU。表示为软组织的总 CFU/g 和超声植入物的总 CFU/mL。

结果

本文介绍的程序用于评估抗生素方案在SII体内小鼠模型中的疗效。具体而言，将万古霉素和利福平联合抗生素治疗与万古霉素单药治疗和未经治疗的感染对照组的疗效进行比较。

手术前，小鼠被随机分配到联合治疗组、单药治疗组或感染对照组。进行统计功效分析以计算样本量。平均最大通量 1 x 10 5 ± 3.2 x 10 4 和^1.4 x 10⁵ 的预期平均值用于确定样本量，每组计...

讨论

脊柱植入物相关感染预示着患者¹、^2、3、^4、5 的不良预后。与身体的许多其他部位不同，脊柱中受感染的硬件通常无法切除，因为存在不稳定和神经系统受损的风险。在对全身抗生素治疗耐药的生物膜细菌的情况下，这种独特的挑战需要新的治疗方法¹².先?...

材料

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