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Method Article
Este protocolo describe un modelo de biopelícula polimicrobiana de cuatro especies relevante para los pulmones con fibrosis quística (FQ) que se puede utilizar para explorar el impacto de las interacciones bacterianas entre especies.
La mayoría de los modelos in vitro carecen de la capacidad de investigar completamente los fenotipos bacterianos que emergen de las complejas interacciones observadas en entornos de la vida real. Esto es particularmente cierto en el contexto de infecciones difíciles de tratar, crónicas y polimicrobianas basadas en biopelículas detectadas en las vías respiratorias de personas que viven con fibrosis quística (FQ), una enfermedad genética multiorgánica. Si bien múltiples estudios de microbioma han definido las composiciones microbianas detectadas en las vías respiratorias de las personas con FQ (pwCF), hasta ahora ningún modelo in vitro ha integrado completamente las características pulmonares críticas relevantes para la FQ. Por lo tanto, existe una importante laguna de conocimiento en la capacidad de investigar los mecanismos que impulsan la patogénesis de las infecciones pulmonares por FQ de especies mixtas. Aquí, describimos un modelo de comunidad microbiana de cuatro especies desarrollado recientemente, que incluye Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis y Prevotella melaninogenica cultivadas en condiciones similares a la FQ. A través de la utilización de este sistema, se observaron y exploraron a nivel molecular fenotipos clínicamente relevantes, como la recalcitrancia antimicrobiana de varios patógenos. La utilidad de este modelo in vitro reside en su flujo de trabajo estandarizado que puede facilitar el estudio de las interacciones entre especies en el contexto de las infecciones pulmonares crónicas por FQ.
Las estrategias destinadas a erradicar los microbios causantes de enfermedades, como los detectados en las vías respiratorias de la fibrosis quística (FQ), una enfermedad genética multiorgánica, a menudo fracasan1. Es decir, la presencia de comunidades microbianas resistentes similares a biopelículas que crecen en el entorno pulmonar rico en moco de la FQ puede causar infecciones crónicas que abarcanvarias décadas. Además, aunque la utilización de antimicrobianos de primera línea (Abx) y moduladores ha dado lugar a mejores resultados en las personas con FQ (pwCF), el enfoque clínico de "un insecto, una infección" que se emplea normalmente contra los patógenos canónicos de la FQ, como Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus, ha sido ineficaz para resolver las infecciones difíciles de tratar detectadas en los pulmones de estos individuos 3,4. 5,6,7.
En las últimas dos décadas, múltiples estudios han cambiado nuestra comprensión de la enfermedad pulmonar crónica por FQ8. Es decir, los informes indican que las infecciones detectadas en las vías respiratorias de las pcCF no son causadas únicamente por un solo patógeno, sino que son de naturaleza polimicrobiana8. Además, aunque la patogenia de las infecciones pulmonares por FQ de especies mixtas es todavía poco conocida, la evidencia clínica muestra que las pwCF coinfectadas con S. aureus y P. aeruginosa en sus vías respiratorias tienen una función pulmonar peor que los individuos colonizados por cualquiera de estos dos patógenos9.
Se plantea la hipótesis de que las interacciones entre especies entre los patógenos de la FQ son una razón por la que las infecciones basadas en biopelículas polimicrobianas no se erradican fácilmente mediante la utilización de terapias para la FQ, lo que en última instancia repercute en los resultados de los pacientes3. En apoyo de esto, los estudios in vitro han demostrado que las interacciones entre microbios como P. aeruginosa, S. aureus y otros pueden afectar fenotipos clínicamente relevantes, como la respuesta de Abx a los medicamentos de primera línea para la FQ, incluida la vancomicina y la tobramicina 6,10,11. Por lo tanto, aún no se ha logrado revisar las estrategias de tratamiento actuales destinadas a erradicar los patógenos de la FQ en el contexto de infecciones de especies mixtas.
El estándar de oro en el tratamiento de las infecciones pulmonares por FQ de base microbiana depende en gran medida de la utilización de pruebas de susceptibilidad a los antimicrobianos (AST) para guiar las intervenciones clínicas12. Sin embargo, la AST se realiza típicamente utilizando monocultivos bacterianos cultivados en cultivos ricos y bien mezclados, lo que no refleja las condiciones de crecimiento microbiano detectadas en las vías respiratorias de FQ 3,13. Dada la importante desconexión entre los resultados de los pacientes y el éxito del tratamiento, los informes clínicos abogan ahora por el desarrollo de nuevos enfoques que integren las características críticas del pulmón con FQ12,14.
Pocos estudios han desarrollado sistemas bacterianos multiespecie in vitro relevantes para la FQ que contienen más de dos patógenos15,16. Sin embargo, estos modelos (1) no reflejan completamente la naturaleza polimicrobiana y biofilmística del pulmón con FQ y (2) no utilizan condiciones nutricionales y ambientales que se aproximen a las detectadas en la vía aérea de FQ15,16. A través de la minería de grandes conjuntos de datos y computación de genes de ARNr 16S derivados de CF-pulmón, Jean-Pierre y sus colegas desarrollaron recientemente un modelo de cocultivo in vitro que integra las características mencionadas anteriormente10. Este sistema incluye P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. y Prevotella spp. cultivados en condiciones similares a las vías respiratorias de FQ y estables hasta por 14 días. Los autores también informaron sobre el crecimiento específico de la comunidad de Prevotella spp. y varios cambios en la capacidad de respuesta Abx de estos patógenos de FQ a través de mecanismos que aún no se han identificado10. Este sistema in vitro tratable también ofrecía la posibilidad de profundizar en cuestiones de enfoque mecánico relacionadas con la recalcitrancia de Abx de una variante común de P. aeruginosa frecuentemente detectada en las vías respiratorias de pwCF10. Por lo tanto, el objetivo de este protocolo es proporcionar a la comunidad de investigación de la FQ un flujo de trabajo experimental estandarizado para cultivar una biopelícula in vitro que tenga el potencial de expandirse aún más para abordar una serie de preguntas relevantes para la FQ.
Los detalles de todos los reactivos y equipos se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Preparación del medio de esputo artificial
NOTA: A lo largo de este protocolo, el medio de esputo artificial (ASM) se define como el medio relevante para la FQ modificado de SCFM2, publicado previamente por Turner y colegas17. A continuación se muestra una descripción de los pasos para preparar este medio. Consulte la Tabla de Materiales para realizar soluciones de stock y condiciones de almacenamiento. Esta versión de ASM difiere de Turner et al.17 en que la capacidad de amortiguación de la versión original no permite un pH estable en el tiempo. Es decir, la actividad de fermentación llevada a cabo por Streptococcus spp. y anaerobios como Prevotella spp. resulta en la acidificación del medio de crecimiento (observaciones no publicadas). Por lo tanto, la concentración de ácido 3-morfolinopropano-1-sulfónico (MOPS) se ha ajustado de 10 mM a 100 mM.
NOTA: La preparación de una solución madre base de ASM 2x (ASMb) facilita la adición de componentes como mucina, agar, agua, etc., sin afectar la concentración final de moléculas presentes en ASM10,18. El 2x ASMb puede prepararse con antelación y almacenarse a 4 °C durante un máximo de dos semanas en un lugar oscuro. Si el medio se vuelve amarillo, deséchelo.
2. Preparación de medios selectivos polimicrobianos para la comunidad
NOTA: A continuación se muestran las cantidades necesarias para preparar un volumen de 1 L de medio.
3. Preparación de medios líquidos bacterianos y condiciones de crecimiento
4. Preparación del experimento de cocultivo
NOTA: En la Figura 1 se muestra un flujo de trabajo experimental resumido. La configuración del experimento se puede realizar en condiciones óxicas si el tiempo de preparación es inferior a 1 h. Si se espera que tome más tiempo que eso, se recomienda encarecidamente realizar el experimento utilizando una cámara anaeróbica (con 10% de CO2, 10% de H2 y 80% de gas mezclado N2 ). También se pueden utilizar frascos anaeróbicos para incubar las muestras experimentales.
5. Recolección y colocación de las muestras
6. Incubación de las placas selectivas y recuento de unidades formadoras de colonias (UFC)
Como se representa en la Figura 2, se informaron varios fenotipos, incluyendo (1) una reducción en el número de recuentos de células viables de P. aeruginosa y S. aureus cuando se cultivaron en comunidades planctónicas mixtas en comparación con el monocultivo, (2) un aumento en el crecimiento polimicrobiano de células de S. sanguinis y, (3) crecimiento de comunidades mixtas de P. melaninogenica como se informó previ...
La utilidad de este sistema de cocultivo in vitro clínicamente informado reside en su capacidad para detectar funciones bacterianas específicas de polimicrobianos. Es decir, a través de la utilización de este modelo hemos reportado fenotipos microbianos que van desde el crecimiento específico de la comunidad de Prevotella spp. (Figura 2) hasta cambios en la susceptibilidad a la CF Abx de primera línea de P. aeruginosa, S....
Los autores declaran no divulgar.
Nos gustaría agradecer al Dr. George A. O'Toole y al Dr. Thomas H. Hampton por su importante papel en el diseño y desarrollo del modelo comunitario polimicrobiano in vitro . Agradecemos a la Dra. Sophie Robitaille por sus útiles comentarios sobre el manuscrito. Este trabajo fue apoyado por una subvención de la Fundación de Fibrosis Quística JEAN21F0 a F.J-P. La figura 1 del manuscrito fue creada utilizando BioRender.
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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