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Method Article
Dieses Protokoll beschreibt ein lungenrelevantes Polymikrobien-Biofilmmodell für Mukoviszidose (CF) mit vier Spezies, mit dem die Auswirkungen bakterieller Wechselwirkungen zwischen den Spezies untersucht werden können.
Den meisten In-vitro-Modellen fehlt die Fähigkeit, bakterielle Phänotypen, die sich aus den komplexen Wechselwirkungen ergeben, die in realen Umgebungen beobachtet werden, vollständig zu untersuchen. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit schwer zu behandelnden, chronischen und polymikrobiellen Biofilm-basierten Infektionen, die in den Atemwegen von Personen mit Mukoviszidose (CF), einer genetischen Multiorganerkrankung, nachgewiesen werden. Während mehrere Mikrobiomstudien die mikrobiellen Zusammensetzungen definiert haben, die in den Atemwegen von Menschen mit CF (pwCF) nachgewiesen wurden, haben bisher keine In-vitro-Modelle kritische CF-relevante Lungenmerkmale vollständig integriert. Daher besteht eine erhebliche Wissenslücke bei der Untersuchung der Mechanismen, die die Pathogenese von gemischten CF-Lungeninfektionen antreiben. Hier beschreiben wir ein kürzlich entwickeltes mikrobielles Gemeinschaftsmodell mit vier Spezies, darunter Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis und Prevotella melaninogenica , die unter CF-ähnlichen Bedingungen gezüchtet wurden. Durch die Nutzung dieses Systems wurden klinisch relevante Phänotypen wie die antimikrobielle Widerspenstigkeit verschiedener Krankheitserreger beobachtet und auf molekularer Ebene untersucht. Der Nutzen dieses In-vitro-Modells liegt in seinem standardisierten Arbeitsablauf, der die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen den Spezies im Zusammenhang mit chronischen CF-Lungeninfektionen erleichtern kann.
Strategien, die darauf abzielen, krankheitserregende Mikroben auszurotten, wie sie in den Atemwegen der Mukoviszidose (CF), einer genetischen Multiorganerkrankung, nachgewiesen wurden, scheitern oft1. Das heißt, das Vorhandensein von widerstandsfähigen biofilmartigen mikrobiellen Gemeinschaften, die in der schleimreichen CF-Lungenumgebung wachsen, kann chronische Infektionen verursachen, die sich über mehrere Jahrzehnte erstrecken2. Obwohl der Einsatz von antimikrobiellen Mitteln (Abx) und Modulatoren zu verbesserten Ergebnissen bei Patienten mit Mukoviszidose (pwCF) geführt hat, war der klinische Ansatz "ein Bug, eine Infektion", der typischerweise gegen kanonische CF-Erreger wie Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus eingesetzt wird, unwirksam bei der Lösung schwer zu behandelnder Infektionen, die in der Lunge dieser Personen festgestellt wurden 3,4. 5,6,7.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben mehrere Studien unser Verständnis der chronischen CF-Lungenerkrankung verändert8. Das heißt, Berichte deuten darauf hin, dass Infektionen, die in den Atemwegen von pwCF nachgewiesen werden, nicht nur durch einen einzigen Erreger verursacht werden, sondern von Natur aus polymikrobiell sind8. Obwohl die Pathogenese von CF-Lungeninfektionen gemischter Spezies noch wenig verstanden ist, zeigen klinische Beweise, dass pwCF, die sowohl mit S. aureus als auch mit P. aeruginosa in ihren Atemwegen koinfiziert sind, die Lungenfunktion verschlechtert haben als Personen, die von einem dieser beiden Krankheitserreger besiedelt sind9.
Es wird angenommen, dass Wechselwirkungen zwischen CF-Erregern ein Grund dafür sind, dass polymikrobielle Biofilm-basierte Infektionen durch den Einsatz von CF-Therapeutika nicht ohne weiteres ausgerottet werden, was sich letztendlich auf die Patientenergebnisse auswirkt3. In-vitro-Studien haben gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Mikroben wie P. aeruginosa, S. aureus und anderen klinisch relevante Phänotypen wie die Abx-Reaktionsfähigkeit auf CF-Medikamente der Erstlinien, einschließlich Vancomycin und Tobramycin, beeinflussen können 6,10,11. Daher steht es noch aus, die derzeitigen Behandlungsstrategien zur Ausrottung von CF-Erregern im Zusammenhang mit Mischinfektionen zu überdenken.
Der Goldstandard bei der Behandlung von mikrobiellen CF-Lungeninfektionen beruht stark auf dem Einsatz von antimikrobiellen Empfindlichkeitstests (AST) als Leitfaden für klinische Interventionen12. Die AST wird jedoch in der Regel unter Verwendung von bakteriellen Monokulturen durchgeführt, die in reichhaltigen und gut gemischten Kulturen gezüchtet werden, was nicht die mikrobiellen Wachstumsbedingungen widerspiegelt, die in den CF-Atemwegen nachgewiesen wurden 3,13. Angesichts der signifikanten Diskrepanz zwischen Patientenergebnissen und Behandlungserfolg befürworten klinische Berichte nun die Entwicklung neuartiger Ansätze, die kritische Merkmale der CF-Lunge integrieren12,14.
Nur wenige Studien haben CF-relevante bakterielle Multispezies-In-vitro-Systeme entwickelt, die mehr als zwei Erreger enthalten 15,16. Diese Modelle (1) spiegeln jedoch nicht vollständig die polymikrobielle und biofilmartige Natur der CF-Lunge wider und (2) verwenden keine Ernährungs- und Umweltbedingungen, die denen in den CF-Atemwegen entsprechen15,16. Durch die Auswertung großer von CF-Lungen abgeleiteter 16S rRNA-Gendatensätze und -berechnungen haben Jean-Pierre und Kollegen kürzlich ein In-vitro-Co-Kulturmodell entwickelt, das die oben genannten Merkmaleintegriert 10. Dieses System umfasst P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. und Prevotella spp., die unter CF-Atemwegs-ähnlichen Bedingungen gezüchtet und bis zu 14 Tage lang stabil sind. Die Autoren berichteten auch über ein gemeinschaftsspezifisches Wachstum von Prevotella spp. und mehrere Veränderungen in der Abx-Reaktionsfähigkeit dieser CF-Erreger durch Mechanismen, die noch identifiziert werden müssen10. Dieses handhabbare in vitro System bot auch die Möglichkeit, sich mit mechanistisch fokussierten Fragen im Zusammenhang mit der Abx-Widerspenstigkeit einer häufigen Variante von P. aeruginosa zu befassen, die häufig in den Atemwegen von pwCFnachgewiesen wurde 10. Daher ist es das Ziel dieses Protokolls, der CF-Forschungsgemeinschaft einen standardisierten experimentellen Arbeitsablauf zur Verfügung zu stellen, um einen In-vitro-Biofilm zu züchten, der das Potenzial hat, weiter ausgebaut zu werden, um eine Reihe von CF-relevanten Fragen zu beantworten.
Die Details zu allen Reagenzien und Geräten sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Herstellung von künstlichem Sputummedium
HINWEIS: In diesem Protokoll wird künstliches Sputummedium (ASM) definiert als das CF-relevante Medium, das von SCFM2 modifiziert wurde und zuvor von Turner und Kollegenveröffentlicht wurde 17. Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung der Schritte zur Vorbereitung dieses Mediums. Siehe Materialtabelle zur Herstellung von Stammlösungen und Lagerbedingungen. Diese Version von ASM unterscheidet sich von Turner et al.,17 dadurch, dass die Pufferkapazität in der Originalversion keinen stabilen pH-Wert über die Zeit zulässt. Das heißt, die Fermentationsaktivität von Streptococcus spp. und Anaerobiern wie Prevotella spp. führt zu einer Versauerung des Wachstumsmediums (unveröffentlichte Beobachtungen). Daher wurde die Konzentration von 3-Morpholinopropan-1-sulfonsäure (MOPS) von 10 mM auf 100 mM angepasst.
HINWEIS: Die Herstellung einer 2x ASM Base (ASMb) Stammlösung erleichtert die Zugabe von Komponenten wie Mucin, Agar, Wasser usw., ohne die Endkonzentration der in ASM10,18 enthaltenen Moleküle zu beeinflussen. Der 2x ASMb kann vorab zubereitet und bei 4 °C bis zu zwei Wochen dunkel gelagert werden. Wenn das Medium gelb wird, verwerfen.
2. Vorbereitung von selektiven Medien für die polymikrobielle Gemeinschaft
HINWEIS: Nachfolgend sind die Mengen aufgeführt, die zur Vorbereitung eines Volumens von 1 l Medium erforderlich sind.
3. Vorbereitung und Wachstumsbedingungen für bakterielle flüssige Medien
4. Vorbereitung des Co-Kultur-Experiments
HINWEIS: Abbildung 1 zeigt einen zusammengefassten experimentellen Arbeitsablauf. Der Aufbau des Experiments kann unter oxischen Bedingungen erfolgen, wenn die Vorbereitungszeit weniger als 1 h beträgt. Wenn zu erwarten ist, dass es länger dauert, wird dringend empfohlen, den Versuch in einer anaeroben Kammer (mit 10 % CO2, 10 % H2 und 80 % N2 Mischgas) durchzuführen. Anaerobe Gläser können auch zur Inkubation der Versuchsproben verwendet werden.
5. Entnahme und Beschichtung der Proben
6. Inkubation der selektiven Platten und Zählung der koloniebildenden Einheit (KBE)
Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurden mehrere Phänotypen berichtet, darunter (1) eine Verringerung der Anzahl lebensfähiger Zellen von P. aeruginosa und S. aureus , wenn sie in gemischten Planktongemeinschaften im Vergleich zu Monokulturen gezüchtet wurden, (2) eine Zunahme des polymikrobiellen Wachstums von S. sanguinis-Zellen und (3) das Wachstum von P. melaninogenica in gemischten Gemeinschaften, wie zuvor von Jean-...
Der Nutzen dieses klinisch informierten In-vitro-Co-Kultursystems liegt in seiner Fähigkeit, polymikrobiell spezifische bakterielle Funktionen zu erkennen. Das heißt, durch die Verwendung dieses Modells haben wir mikrobielle Phänotypen berichtet, die vom gemeinschaftsspezifischen Wachstum von Prevotella spp. (Abbildung 2) bis hin zu Veränderungen in der Anfälligkeit für CF Abx in der Frontlinie von P. aeruginosa, S. aureu...
Die Autoren erklären keine Offenlegungen.
Wir danken Dr. George A. O'Toole und Dr. Thomas H. Hampton für ihre bedeutende Rolle bei der Gestaltung und Entwicklung des in vitro polymikrobiellen Gemeinschaftsmodells. Wir danken Dr. Sophie Robitaille für ihre hilfreichen Kommentare zum Manuskript. Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss der Cystic Fibrosis Foundation unterstützt, der an F.J-P JEAN21F0 wurde. Abbildung 1 des Manuskripts wurde mit BioRender erstellt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) | Fisher Scientific | NC0387928 | Prepare a 250 mg/mL stock in chloroform directly in the bottle. Keep at -20°C. Final concentration 200 μg/mL in 2x ASM base. |
3-morpholinopropane-1-sulfonic acid (MOPS) | Sigma | M1254 | Final concentration 200 mM in 2X ASM base. |
96-pin replicator | Fisher Scientific | 05-450-9 | Disposable replicators can also be used. Cat #NC1567338. |
96-well sterile standard plate with lid | Fisher Scientific | 62406-081 | |
Agar | Fisher Scientific | DF0145-17-0 | |
AnaeroPack 2.5 L Rectangular Jar | Fisher Scientific | 23-246-385 | |
CaCl2*2H2O | Fisher Scientific | C79-500 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 3.5 mM in 2x ASM base. |
Defribrinated sheep's blood | To prepare growth plates for Streptococcus and Prevotella. | ||
Deoxyribonucleic acid from herring sperm | Sigma | D7290 | Final concentration 1.2 mg/mL in 2x ASM base. |
FeSO4*7H2O | Fisher Scientific | AA1449830 | Prepare a 1 mg/mL stock (3.6 mM) in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep wrapped in aluminum foil. Final concentration 0.0072 mM in 2x ASM base. |
GasPaks | Fisher Scientific | B260678 | |
Glucose | Fisher Scientific | D16-3 | Prepare as a 20% stock (1.1 M) in water and sterilize by autoclave. Final concentration 6 mM in 2x ASM base. |
Hemin | Sigma | 51280 | Dissolve 100 mg of hemin in 2 mL of 1 M NaOH and then bring up volume to 200 mL with water. Store in an amber bottle or a regular bottle wrapped with aluminum foil at 4 °C. |
K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | Prepare a 0.25 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 0.54 mM in 2x ASM base. |
Kanamycin | Prepare a 50 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
KCl | Fisher Scientific | P217-500 | Final concentration 30.0 mM in 2x ASM base. |
KNO3 | Fisher Scientific | P263-500 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 0.70 mM in 2x ASM base. |
L-cysteine hydrochloride | Fisher Scientific | AAA1038922 | |
L-Lactic acid | Sigma | L1750 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. pH adjust to 7.0. Final concentration 18.6 mM in 2x ASM base. |
L-Tryptophan | Sigma | T0254 | Prepare a 0.1 M stock in 0.2 M NaOH and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep refrigerated at 4 °C wrapped in aluminum foil. Final concentration 0.132 mM in 2x ASM base. |
Mannitol Salt Agar | Fisher Scientific | B11407 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Menadione | Sigma | M5625 | Prepare a 10 mg/mL stock solution dissolved in 96-100% ethanol. Conserve at 4 °C wrapped in aluminium foil. Vortex before use. |
MgCl2*6H2O | Fisher Scientific | AA12288A9 | Prepare a 1 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 1.21 mM in 2x ASM base. |
Mucin from porcine stomach - Type II | Sigma | M2378 | Prepare a 10 mg/mL (2x) stock in water; mix thoroughly before autoclaving. Keep at 4 °C. |
Na2HPO4 | Fisher Scientific | S375-500 | Prepare a 0.2 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 2.5 mM in 2x ASM base. |
N-acetylglucosamine | Sigma | A8625 | Prepare a 0.25 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Keep stock refrigerated at 4 °C. Final concentration 0.6 mM in 2x ASM base. |
NaCl | Fisher Scientific | S271-500 | Final concentration 103.7 mM in 2x ASM base. |
NaH2PO4*H2O | Fisher Scientific | S369-500 | Prepare a 0.2 M stock in water and filter sterilize with a 0.22 μm filter. Final concentration 2.6 mM in 2x ASM base. |
NaOH | Fisher Scientific | S318-500 | Prepare a 5 M stock solution. Use to adjust pH of 2x ASM base stock. |
NH4Cl | Fisher Scientific | A661-500 | Final concentration 4.6 mM in 2x ASM base. |
Oxolinic acid | Prepare a 10 mg/mL stock solution 0.5 M NaOH. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Polymixin B | Prepare a 10 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Pseudomonas Isolation Agar | Fisher Scientific | DF0927-17-1 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Todd Hewitt Broth | Fisher Scientific | DF0492-17-6 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Tryptic Soy Broth | Fisher Scientific | DF0370-17-3 | Prepare using manufacturer's recommendations. |
Vancomycin | Prepare a 50 mg/mL stock solution in water. Filter sterilize with a 0.22 μm filter and store at 4 °C. | ||
Yeast Extract | Fisher Scientific | B11929 | |
Yeast Synthetic Dropout without Tryptophan | Sigma | Y1876 | Final concentration 8.0 mg/mL in 2x ASM base. |
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