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Method Article
Wir stellen eine Methode für ein Pilzpathogenesemodell vor, das die natürliche Positionierung von Pilzsporen in den Lungenatemwegen für die Analyse mittels Fluoreszenzmikroskopie beibehält.
Pilze infizieren den Menschen, wenn Sporen aus der Umwelt in die Lunge eingeatmet werden. Die Lunge ist ein heterogenes Organ. Die leitenden Atemwege, einschließlich Bronchien und Bronchiolen, verzweigen sich, bis sie im alveolären Luftraum enden, wo der Gasaustausch stattfindet. Infektionen, die von den Bronchiolen oder Lungenbläschen ausgehen, lösen unterschiedliche Wirtsreaktionen und Krankheitsmanifestationen aus. Daher erweitert das genaue Verständnis, wo sich Sporen auf natürliche Weise in der Lunge lokalisieren, insbesondere kurz nach der Infektion, die Möglichkeiten für die Untersuchung von Wirt-Erreger-Interaktionen. Im Folgenden beschreiben wir eine in-situ-Analyse von Lungen von Mäusen, die mit Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ Arthrokonidien infiziert waren. Herkömmliche Methoden zur histologischen Konservierung beinhalten das flüssige Aufblasen der Atemwege mit einer Fixierlösung, die die natürliche Position der aspirierten Pilzpartikel verdrängt und die Sporen von den proximalen Bronchiolen in die terminalen Lufträume drückt.
Umgekehrt erhält diese Methode des Aufblasens mit Perfusionsfixierung des Blutgefäßsystems die physiologische Position der Pilzsporen in den Bronchiolen. Darüber hinaus beschreiben wir einen einfachen Ansatz zur Kryokonservierung, Einbettung und Bildgebung von Lungenproben. Wir teilen auch Hochdurchsatz-Rechentechniken über das Open-Source-Programm QuPath, um die räumliche Verteilung von Pilzsporen in der Lunge zu analysieren. Die hier vorgestellte Methode ist einfach und schnell, erfordert nur minimale Ausrüstung und kann leicht für die Verwendung mit vielen Modellen von Pilzinfektionen der Atemwege angepasst werden.
Der Mensch kann bis zu Milliarden von Sporen pro Tag von einer Vielzahl von Umweltpilzen einatmen1. Um unsere Barriereabwehr gegen diese eingeatmeten Sporen zu verstehen, müssen wir die genauen mikroanatomischen Umgebungen verstehen, in denen diese Sporen in den Atemwegen und im Lungenparenchym landen. Die zelluläre Zusammensetzung der Atemwege (d. h. der Epithelzellen) verändert sich entlang der Luftröhre, der Bronchien, der Bronchiolen und der Lungenbläschen erheblich. Jede dieser unterschiedlichen Regionen besteht aus verschiedenen Zelltypen mit diskreten Funktionen, die ein Arsenal an Abwehrmechanismen zur Verhinderung pathologischer Infektionen zur Verfügung stellen.
Die genaue Lokalisation der pulmonalen Pilzsporenablagerung kann zwischen den Atemwegslumen der säulenepithelial ausgekleideten Bronchiolen, der Alveolargänge oder der Alveolen variieren2. Die meisten klinisch relevanten Pilzarten produzieren Sporen mit einem Durchmesser zwischen 1 μm und 10 μm3. Die Ablagerung dieser Sporenpartikel in der Lunge hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B. Aerodynamik, Dichte, elektrische Ladung und phoretische Kräfte, die den Mechanismus der Sedimentation nach Inhalation beeinflussen können4. Im Allgemeinen lagern sich große Partikel (> 6 μm) in den oberen Atemwegen ab, mittelgroße Partikel (2-6 μm) können sich in kleineren Atemwegen ablagern, und kleine Partikel (<2 μm) erreichen die Alveolarregion5. Es wurde berichtet, dass Aspergillus-Sporen (2-3 μm) die Alveolarräume erreichen, aber klinische pathologische Berichte deuten auch auf eine signifikante Belastung durch Bronchial- und Bronchiolenerkrankungenhin 6. Aufgrund der zunehmenden Beliebtheit der flexiblen Bronchoskopie werden auch zunehmend endobronchiale Pilzinfektionen von Aspergillus fumigatus, Coccidioides immitis, Candida-Spezies, Cryptococcus neoformans, Histoplasma capsulatum und Zygomyceten erkannt7. Jüngste Fortschritte in der mikroskopischen Bildgebung von Aspergillus-Infektionen bei Mäusen haben auch gezeigt, dass proximale Lufträume wie Bronchien und Bronchiolen die größte Belastung für die pathologische Pilzproliferation darstellenkönnen 8. Die Erforschung der Wirtsreaktion auf pulmonale Pilzinfektionen hat gezeigt, dass sowohl bronchioläre Epithelzellen als auch alveoläre Epithelzellen eine wichtige Rolle als Immunwächter spielen, so dass die Aufklärung der genauen Orte der Sporenablagerung und der epithelialen Interaktion für zukünftige Arbeiten von entscheidender Bedeutung sein wird 2,9,10.
Die Untersuchung dieser Pathogenesedynamik der proximalen Atemwege ist schwierig, da Standardtechniken zur Lungenfixierung und -aufbereitung Sporen aus diesen proximalen Positionen in epithelial ausgekleideten Atemwegen verdrängen und in Richtung der distalen terminalen Alveolarregionen schieben können. Üblicherweise wird 10 % Formalin oder 4 % Paraformaldehyd verwendet, um die Lunge aufzublasen und die gesamte Lunge schnell einem Fixiermittel auszusetzen. Bei der Vorbereitung der Lunge für die Kryosektion verabreichen einige Gruppen eine Verbindung mit optimaler Schneidtemperatur (OCT) in die Lunge, um die Leistung der Kryosektion zu verbessern11. Diese Praktiken sind im richtigen Kontext nützlich, haben aber von unserem Labor und anderen Gruppen festgestellt, dass sie Sporen und Partikel von proximalen Orten verdrängen und dadurch die Interpretationen über die sporenexponierten Zelltypen und die anschließende Wirtsreaktion beeinträchtigen12.
Um die mikroanatomische Lokalisation von inhalierten Pilzsporen genau zu bestimmen, haben wir eine schnelle, ressourcenschonende Methode zur Konservierung der Position von Pilzsporen in den Atemwegen von Mäusen entwickelt. Wir adaptierten eine murine Luftblasmethode zur vaskulären Perfusionsfixation von Thomas et al. (2021), bei der wir den Aufwand an Ausrüstung, Zeit und technischen Fähigkeiten reduzierten, die erforderlich waren, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen13. Anhand der hier beschriebenen Methode haben wir beobachtet, dass Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ Arthrokonidien (3-5 μm groß) proximal reichern als zuvor gezeigt, nämlich in distalen Bronchiolen und broncho-alveolären Übergängen und nicht in terminalen Alveolen. Diese Informationen können biologische Fragen zu den kritischen Zelltypen, die mit diesen Regionen der Lunge assoziiert sind, und ihrem Einfluss auf die frühen Reaktionen auf eingeatmete Pilzsporen fokussieren.
Alle in diesem Protokoll beschriebenen Methoden wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) von Rutgers Biomedical Health Sciences genehmigt.
1. Markieren Sie Sporen mit intrazellulärer Fluoreszenz
2. Inokulation der Maus mit Sporen durch Aspirationsinhalation mit Isofluran-Anästhesie
ACHTUNG: Isofluran ist ein flüchtiges Anästhetikum und muss in einer Elektro-Biosicherheitswerkbank oder einem Abzug verwendet werden.
Abbildung 1: Vorrichtung für die offene Isofluran-Drop-Methode zur Sporeninokulation. Eine gefaltete Serviette wird in den Boden eines 1-Liter-Schraubglases gelegt, und dann wird ein kreisförmiges Plastiknetz eingesetzt, das als Plattform für die Mäuse dient. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
3. Euthanasie von Mäusen
4. Durchblutung der Lunge mit PBS und Formalin
5. Aufblasen der perfundierten Lunge
6. Immersionsfixierung und Dehydrierung
7. Kryosektion
8. Vorbereitung und Blockieren von Objektträgern
9. Immunfärbung
10. Bildgebung mittels Fluoreszenzmikroskopie
11. Räumliche Analyse über QuPath
Diese Methode erzeugt schließlich Immunfluoreszenzbilder von Mauslungen unter Verwendung physiologischer Luftblase, um die Atemwege ungestört zu lassen. Wichtig ist, dass mehrere Prüfpunkte auf dem Weg bestätigen, dass Komponenten des Protokolls erfolgreich ausgeführt wurden. Während der Inokulation ist es wichtig zu bestätigen, dass das Inokulum aspiriert wurde, indem man nach "Knistern" an der hinteren Brustwand der Maus tastet, die darauf hinweisen, dass die Flüssigkeit in die...
Wir haben eine Pipeline für die Sporeninhalation und die Analyse der räumlichen Ablagerung der eingeatmeten Sporen eingerichtet. Diese Pipeline liefert wertvolle Informationen zur Bestimmung der relevanten Stromaregionen der Lunge, die von der Inhalation von Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ Arthrokonidien betroffen sind. Wir haben beobachtet, dass sich Kokzidioides-Sporen und ähnlich große inerte Partikel (Daten nicht gezeigt) in distalen bronchiolären Regi...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Finanzierung und Unterstützung wurden durch das NIH-Stipendium K22 AI153678-01 und die Rutgers School of Graduate Studies akquiriert. Wir danken Fawad Yousufzai und Luke Fritzky vom Rutgers Biomedical Health Sciences Cellular Imaging and Histology Core für ihre Arbeit und Expertise bei der Gewinnung von Immunfluoreszenzbildern.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
18 G, 1 1/2 needle (305185) | Fisher | 305185 | |
1 L Screwtop Jar (Nalgene) | Fisher Scientific | 11-823-33 | |
Air-Tite Bulk Unsterile Syringes 10 mL Luer Lock | Fisher | 14-817-175 | |
AnaSed Injection (xylazine sterile solution) | Akorn | 59399-110-20 | |
Animal-Free Blocker and Diluent, R.T.U. | Vector | SP-5035-100 | |
BD Insyte Autoguard Winged Shielded IV Catheter with BD Vialon Catheter Material 18 G x 1.88 in | BD | 381547 | |
BD Pharmingen Purified Rat Anti-Mouse CD16/CD32 (Mouse BD Fc Block™) | BD | 553142 | |
CellTracker Orange CMRA Dye | Fisher Scientific | NC0873640 | |
CFSE | Labviva | 75003 | |
Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ | BEI Resources | NR-166 | |
Corning 70 micron strainers | VWR | 10054-456 | |
EpCAM AlexaFluor647 monoclonal antibody | Biolegend | 118211 | |
Exel International HYpodermic Needles 30 G x 1/2" | Labviva | EN3012 | |
Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use (1mL, Leur Slip) | Fisher | 14-955-462 | |
Glucose Monohydrate | Azer Scientific | ES17530-500G | |
High Vacuum Grease | VWR | 59344-055 | |
Hoechst 33342 Solution 20 mM (5 mL) | ThermoFischer | 62249 | |
Isoflurane USP | Covetrus | 29405 | |
Ketamine Hydrochloride | Dechra | 1000001250 | |
KIMWIPES Delicate Task Wipers (4.4'' x 8.4") | VWR | 21905-026 | |
Lexer Baby Scissors | FST | 14078-10 | |
Micro-Adson Forceps | FST | 11018-12 | |
Neutral Buffered Formalin (10%) (Azer Scientific) | Fisher | 22-026-350 | |
Nunc EasYFlask tissue culture flasks, T75, filter caps | VWR | 15708-134 | |
PBS | VWR | 45000-446 | |
Peel-A-Way embedding molds | Sigma | E6032-1CS | |
QuPath 0.5.1 Software | Open-source | https://qupath.github.io/ | |
Silk Suture thread size 3/0 | FST | 18020-30 | |
SlidesMicro Slides Superfrost Plus | VWR | 48311-703 | |
SlowFade Glass Soft-set Antifade Mountant (2 mL) | ThermoFischer | S36917 | |
Sucrose | Sigma | S0389-500G | |
Tissue-Tek O.C.T. Compound, Sakura Finetek | VWR | 25608-930 | |
Tween 20 | ThermoFischer | J20605.AP | |
Vector Laboratories ImmEDGE Hydrophobic Barrier Pen Set Of 2 | Fisher Scientific | NC9545623 | |
VWR Micro Cover Glasses, Rectangular (24 mm x 40 mm #1.5) | VWR | 48393-230 | |
White Plastic Wire Mesh | MAPORCH | 789862904922 | |
Yeast Extract | Fisher | BP9727-500 | |
Zeiss AxioScan 7 | Carl Zeiss Microscopy GmbH | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/imaging-systems/axioscan-for-biology.html | multichannel fluorescent microscope |
ZEN 3.7 Software | Carl Zeiss Microscopy GmbH | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/software/zeiss-zen.html | microscopy software |
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