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Die vorliegende Studie beschreibt ein Zebrafish Embryos Modell zur in-vivo Visualisierung und intravitalen Analyse von Biomaterial-assoziierten Infektionen im Laufe der Zeit anhand der Fluoreszenz-Mikroskopie. Dieses Modell ist ein viel versprechende Ergänzung Säugetier-Tiermodellen wie Maus-Modellen für das Studium Biomaterial-Infektionen in-vivo.
Biomaterial-assoziierten Infektionen (BAI) ist eine der Hauptursachen für das Scheitern der Biomaterialien/medizinische Geräte. Staphylococcus Aureus ist einer der wichtigsten Erreger in BAI. Aktuelle Tiermodelle experimentelle BAI Säugetier-wie Maus-Modellen sind kostspielig und zeitaufwendig und daher nicht geeignet für Hochdurchsatz-Analyse. Somit sind neuartige Tiermodellen als ergänzende Systeme für die Untersuchung von BAI in-vivo erwünscht. In der vorliegenden Studie, wir wollten ein Zebrafish Embryos Modell zur in-vivo Visualisierung und intravitalen Analyse der bakteriellen Infektion in Anwesenheit von Biomaterialien, die anhand der Fluoreszenz-Mikroskopie zu entwickeln. Darüber hinaus wurde die Antwort provoziert Makrophagen untersucht. Zu diesem Zweck wir fluoreszierende Protein exprimierenden S. Aureus und transgenen Zebrafisch-Embryonen auszudrücken fluoreszierende Proteine in ihre Makrophagen verwendet und entwickelt ein Verfahren um Bakterien alleine oder zusammen mit Mikrosphären in den Muskel injizieren Gewebe von Embryonen. Um bakterielle Infektion Fortschreiten in live Embryonen im Laufe der Zeit zu überwachen, entwickelten wir eine einfache, aber zuverlässige Methode der mikroskopischen Punktwertung von fluoreszierenden Bakterien. Die Ergebnisse von mikroskopischen scoring hat gezeigt, dass alle Embryonen mit mehr als 20 Koloniebildenden Einheiten (KBE) von Bakterien eine positive Fluoreszenzsignal von Bakterien ergab. Um die potenziellen Auswirkungen der Biomaterialien auf Infektion zu untersuchen, haben wir die KBE Zahlen von S. Aureus mit und ohne 10 µm-Mikrokügelchen aus Polystyrol (PS10) als Modell Biomaterialien in den Embryonen festgestellt. Darüber hinaus haben wir ObjectJ-Projektdatei "Zebrafisch-Immunotest" im ImageJ um der Fluoreszenzintensität der S. Aureus -Infektion mit und ohne PS10 im Laufe der Zeit zu quantifizieren. Beide Methoden die Ergebnisse zeigten höhere Zahlen von S. Aureus in infizierten Embryonen mit Mikrosphären als bei Embryonen ohne Mikrosphären, zeigt eine Infektion erhöhte Anfälligkeit im Beisein der Biomaterial. So zeigt die vorliegende Studie das Potenzial des Modells Zebrafish Embryos, BAI mit den hier entwickelten Methoden zu studieren.
Eine Vielzahl von medizinischen Geräten (bezeichnet als "Biomaterialien") werden zunehmend in der modernen Medizin verwendet, um wiederherstellen oder ersetzen menschlichen Körper Teile1. Die Implantation von Biomaterialien prädisponiert jedoch ein Patient zu Infektion, genannt ein Biomaterial-assoziierten Infektionen (BAI), ist eine schwere Komplikation der Implantate in der Chirurgie. Staphylococcus Aureus und Staphylococcus Epidermidis sind zwei am weitesten verbreitete Bakterienarten verantwortlich für BAI2,,3,4,5,6. Implantiert Biomaterialien Form eine Oberfläche anfällig für bakterielle Biofilmbildung. Darüber hinaus können lokale Immunantwort durch die implantierten Biomaterialien, verursachen Effizienzverluste bakterielle Clearance gestört werden. Die anfängliche Clearance von Bakterien infizieren erfolgt hauptsächlich durch die Infiltration von Neutrophilen, die stark reduzierte bakterizide Kapazitäten im Beisein eines eingefügten oder Biomaterialien7implantiert. Außerdem töten Makrophagen das Gewebe infiltrieren, nachdem der erste Zustrom von Neutrophilen die verbleibenden Bakterien phagozytieren werden aber nicht effektiv intrazellulär, durch gestörte immunen signalisieren, die eine Folge der kombinierten Anwesenheit ist Das Biomaterial und Bakterien8. So, das Vorhandensein von Biomaterialien intrazelluläre Überleben der Bakterien9,10,11,12,13 und Biofilm Formation auf den implantierten ermöglichen Biomaterialien4,14. Infolgedessen kann BAI führen zum Ausfall und müssen für den Austausch von implantierten Biomaterialien verursacht erhöhte Morbidität und Mortalität und längeren Krankenhausaufenthalt mit zusätzlichen Kosten2,15.
Eine wachsende Zahl von Anti-BAI-Strategien werden entwickelt,2,16,17. In-vivo Bewertung der Wirksamkeit dieser Strategien in relevanten Tiermodellen ist unerlässlich. Traditionelle experimentelle BAI Tiermodellen (z. B., -Maus-Modellen) sind jedoch in der Regel teuer, zeitaufwendig und daher nicht geeignet für hohen Durchsatz testen mehrere Strategien18. Aktuelle Entwicklung der Bio-optische bildgebende Verfahren basierend auf Biolumineszenz/fluoreszierend Etikettierung von Wirtszellen und Bakterien können sich für die kontinuierliche Überwachung der BAI Progression und Wirt-Pathogen/Host-Material Interaktionen in einzelne kleine Tiere wie Mäuse18,19,20,21. Aber diese Technik ist relativ komplex und noch in den Kinderschuhen, und mehrere Fragen zur quantitativen Analyse von BAI18. Zum Beispiel ist eine hohe Herausforderung-Dosis erforderlich, um bakterielle Besiedlung zu visualisieren. Darüber hinaus Licht Streuung und Adsorption von Biolumineszenz/Fluoreszenz-Signale in Geweben von Säugetieren Test, die Tiere müssen auch sein angesprochen18,19,21. Daher sind neuartige, kostengünstige Tiermodellen zulassend intravitalen Visualisierung und Quantitative Analyse im Laufe der Zeit wertvolle ergänzende Systeme für das Studium BAI in-vivo.
Zebrafisch (Embryonen) dienten als ein vielseitiges in-vivo Werkzeug für sezieren Wirt-Pathogen Interaktionen und Pathogenese der Infektion mehrere Bakterienarten wie Mykobakterien22, Pseudomonas Aeruginosa23, Escherichia coli24, Enterococcus Faecalis25und Staphylokokken26,27. Zebrafisch-Embryonen haben viele Vorteile wie optische Transparenz, eine relativ niedrige Instandhaltungskosten und Besitz des immunen Systems sehr ähnlich dem in Säugetieren28,29. Zebrafisch-Embryonen wird dadurch eine hohe Wirtschaftlichkeit, lebendigen Modellorganismus für intravitalen Visualisierung und Analyse der Infektion Fortschreiten und damit verbundenen Host Antworten28,29. Visualisierung der Zelle Verhalten in vivo, transgenen Zebrafisch Linien mit verschiedenen Arten von Immunzellen (z.B., Makrophagen und Neutrophile) und sogar mit Gewebekulturen tagged subzellulären Strukturen wurden entwickelt28 ,29. Darüber hinaus bietet die hohe Reproduktionsrate der Zebrafisch die Möglichkeit der Entwicklung von Hochdurchsatz-Testsysteme mit automatisierten Roboter-Injektion, automatisierte Fluoreszenz Quantifizierung und RNA Sequenz Analyse27, 30.
In der vorliegenden Studie hatten wir vor, ein Zebrafish Embryos Modell für Biomaterial-assoziierten Infektionen mit Fluoreszenz bildgebende Verfahren entwickeln. Zu diesem Zweck haben wir ein Verfahren um Bakterien (S. Aureus) injizieren in Anwesenheit von Biomaterial Mikrosphären in das Muskelgewebe von Zebrafisch-Embryonen entwickelt. Wir verwendeten S. Aureus RN4220 mit dem Ausdruck ihrer mCherry fluoreszierendes Protein (S. Aureus- mCherry), die gebaut wurde, wie an anderer Stelle für ein anderes S. Aureus -Stamm10,31beschrieben. Die transgenen Zebrafisch-Linie (mpeg1: FH/Kaede) Kaede grünes fluoreszierendes Protein in der Makrophagen32 und blau fluoreszierenden Polystyrol-Mikrokügelchen dienten zum Ausdruck zu bringen. In einer früheren Studie haben wir gezeigt, dass intramuskuläre Injektion von Mikrosphären in Zebrafisch-Embryonen, Biomaterial Implantation zu imitieren machbar33. Um das Fortschreiten der BAI und damit verbundenen Zelle eindringen in einzelnen Embryonen im Laufe der Zeit quantitativ zu analysieren, haben wir die "Zebrafisch-Immunotest" Projektdatei, die in "ObjectJ" (ein Plug-in für ImageJ) betrieben wird, die Fluoreszenzintensität der Quantifizierung Bakterien, die ihren Wohnsitz und Makrophagen in der Nähe der Injektionsstelle der Mikrosphären33infiltrieren. Darüber hinaus bestimmen wir die Zahl der Koloniebildenden Einheiten (KBE) von Bakterien in an- und Abwesenheit von Mikrosphären in den Embryonen, mögliche Auswirkungen von Biomaterialien auf Infektion zu studieren. Unsere Studie zeigt, dass mit den hier entwickelten Methoden Zebrafish Embryos eine vielversprechende, Roman vertebrate Tiermodell für das Studium Biomaterial-Infektionen in-vivo.
In diesem Protokoll ist Pflege von Erwachsenen Zebrafisch in Übereinstimmung mit den lokalen Tierschutzbestimmungen wie von der lokalen Tierschutz-Ausschuss genehmigt. Experimente mit Embryonen wurden nach der Richtlinie 2010/63/EG durchgeführt.
1. Vorbereitung des "Nur-Bakterien" und Bakterien-Mikrosphären Suspensionen
Hinweis: Der S. Aureus RN4220 Stamm mit dem Ausdruck mCherry fluoreszierendes Protein (S. Aureus- mCherry) wird verwendet. S. Aureus RN4220 Belastung in der Virulenz Regulator-gen AgrA (Zubehör gen Regler A)34mutiert und kann daher relativ geringer Virulenz im Zebrafish Embryos Modell haben. Andere S. Aureus -Stämme oder andere Bakterienarten für BAI können verwendet werden.
(2) Zucht, Ernte und Pflege von Zebrafish Embryos
3. Vorbereitung der Injektionsnadeln
4. Injektion von "Bakterien-Only" oder Bakterien-Mikrosphären Aussetzung in Zebrafish Embryos
(5) Zerkleinerung von Embryonen, mikroskopische Scoring und quantitativen Kultur von Bakterien
(6) Fluoreszenzmikroskopie Infektion Fortschreiten und provoziert Cell Infiltration in den Zebrafish Embryos
(7) Quantitative Analyse der Fluoreszenzintensität der Infektion Fortschreiten und provoziert Cell Infiltration mit Objekt J Projektdatei "Zebrafisch-Immunotest"
Die vorliegende Studie untersucht die Anwendbarkeit der Zebrafisch-Embryonen als eine neuartige vertebrate Tiermodell für die Untersuchung von Biomaterial-assoziierten Infektionen. Mikroinjektion Technik ist häufig verwendet worden, um verschiedene Bakterienarten in Zebrafisch-Embryonen verursachen Infektion22,26,27,30,36zu i...
Biomaterial-assoziierten Infektionen (BAI) ist eine schwerwiegende klinische Komplikation. Ein besseres Verständnis der Pathogenese der BAI in-vivo böte neue Erkenntnisse zur Verbesserung der Prävention und Behandlung von BAI. Jedoch aktuelle experimentelle BAI Tiermodellen wie murinen Modelle sind teuer, arbeitsintensiv und erfordern spezialisiertes Personal in komplexe chirurgische Techniken geschult. Daher eignen sich diese Modelle nicht für Hochdurchsatz-Analyse. Da Anforderungen Zebrafish Embryos Modelle weniger...
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch das IBIZA-Projekt des Programms biomedizinischen Material (BMM) und mitfinanziert vom niederländischen Ministerium für Wirtschaft und Währung. Die Autoren möchten Prof. Dr. Graham Lieschke Monash University in Australien danken für die Bereitstellung der Zebrafisch transgenen Linie (Mpeg1:Gal4 / UAS:Kaede).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Tryptic soya agar | BD Difco | 236950 | Media preparation unit at AMC |
Tryptic soya broth | BD Difco | 211825 | |
Polyvinylpyrrolidone40 | Applichem | A2259.0250 | |
10 µm diameter polystyrene microspheres (blue fluorescent) | Life technology/ThemoFisher | F8829 | |
Glass microcapilary (1 mm O.D. x 0.78 mm I.D.) | Harvard Apparatus | 30-0038 | |
Micropipette puller instrument | Sutter Instrument Inc | Flaming p-97 | |
Light microscope LM 20 | Leica | MDG33 10450123 | |
3-aminobenzoic acid (Tricaine) | Sigma-Aldrich | E10521-50G | |
Agarose MP | Roche | 11388991001 | |
Stereo fluorescent microscope LM80 | Leica | MDG3610450126 | |
Microloader pipette tips | Eppendorf | 5242956.003 | |
Micromanipulator M3301 with M10 stand | World Precision Instruments | 00-42-101-0000 | |
FemtoJet express micro-injector | Eppendorf | 5248ZO100329 | |
Microtrube 2ml pp | Sarstedt | 72.693.005 | |
Zirconia beads | Bio-connect | 11079124ZX | |
MagNA lyser | Roche | 41416401 | |
MSA-2 plates (Mannitol Salt Agar-2) | Biomerieux | 43671 | Chapmon 2 medium |
Methyl cellulose 4000cp | Sigma-Aldrich | MO512-250G | |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C0378 | |
Gyrotory shaker (for bacterial growth) | New Brunswick Scientific | G10 | |
Zebrafish incubator | VWR | Incu-line | |
Cuvettes | BRAND | 759015 | |
Centrifuge | Hettich-Zentrifugen | ROTANTA 460R | |
Spectrometer | Pharmacia biotech | Ultrospec®2000 | |
Forceps | Sigma-Aldrich | F6521-1EA | |
48 well-plates | Greiner bio-one | 677180 | |
96 well-plates | Greiner bio-one | 655161 | |
Petri-dish | Falcon | 353003 | |
Petri-dish | Biomerieux | NL-132 | |
ImageJ | Not applicable | Not applicable | link: https://imagej.nih.gov/ij/download.html |
GraphPad 7.0 | Prism | Not applicable |
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