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Method Article
Ce protocole décrit un modèle de biofilm polymicrobien de quatre espèces de fibrose kystique pertinent pour les poumons qui peut être utilisé pour explorer l’impact des interactions bactériennes interespèces.
La plupart des modèles in vitro n’ont pas la capacité de sonder pleinement les phénotypes bactériens émergeant des interactions complexes observées dans des environnements réels. Cela est particulièrement vrai dans le contexte des infections chroniques et polymicrobiennes difficiles à traiter détectées dans les voies respiratoires des personnes atteintes de mucoviscidose, une maladie génétique multiviscérale. Bien que de nombreuses études sur le microbiome aient permis de définir les compositions microbiennes détectées dans les voies respiratoires des personnes atteintes de mucoviscidose, aucun modèle in vitro n’a jusqu’à présent pleinement intégré les caractéristiques pulmonaires critiques pertinentes à la mucoviscidose. Par conséquent, il existe une lacune importante dans les connaissances sur la capacité d’étudier les mécanismes à l’origine de la pathogenèse des infections pulmonaires de la mucoviscidose d’espèces mixtes. Ici, nous décrivons un modèle de communauté microbienne de quatre espèces récemment développé, y compris Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis et Prevotella melaninogenica cultivés dans des conditions similaires à celles de la mucoviscidose. Grâce à l’utilisation de ce système, des phénotypes cliniquement pertinents, tels que la récalcitrance antimicrobienne de plusieurs agents pathogènes, ont été observés et explorés au niveau moléculaire. L’utilité de ce modèle in vitro réside dans son flux de travail standardisé qui peut faciliter l’étude des interactions interespèces dans le contexte des infections pulmonaires chroniques de la mucoviscidose.
Les stratégies visant à éradiquer les microbes pathogènes tels que ceux détectés dans les voies respiratoires de la fibrose kystique (FK), une maladie génétique multiviscérale, échouent souvent1. C’est-à-dire que la présence de communautés microbiennes résilientes semblables à un biofilm qui se développent dans l’environnement pulmonaire riche en mucus peut provoquer des infections chroniques s’étendant sur plusieurs décennies2. De plus, bien que l’utilisation d’antimicrobiens de première ligne (Abx) et de modulateurs ait entraîné de meilleurs résultats chez les personnes atteintes de FK, l’approche clinique « un insecte, une infection » généralement employée contre les agents pathogènes canoniques de la FK tels que Pseudomonas aeruginosa et Staphylococcus aureus s’est avérée inefficace pour résoudre les infections difficiles à traiter détectées dans les poumons de ces personnes 3,4, 5, 6, 7.
Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études ont changé notre compréhension de la maladie pulmonaire chronique de la mucoviscidose8. C’est-à-dire que les rapports indiquent que les infections détectées dans les voies respiratoires des personnes atteintes de fibrose kystique ne sont pas causées uniquement par un seul agent pathogène, mais sont plutôt de nature polymicrobienne8. De plus, bien que la pathogenèse des infections pulmonaires mixtes de la mucoviscidose soit encore mal comprise, les preuves cliniques montrent que les personnes atteintes de fibrose kystique qui sont co-infectées par S. aureus et P. aeruginosa dans leurs voies respiratoires ont une fonction pulmonaire plus détériorée que les individus colonisés par l’un ou l’autre de ces deux agents pathogènes9.
On suppose que les interactions interespèces entre les agents pathogènes de la mucoviscidose sont l’une des raisons pour lesquelles les infections à base de biofilm polymicrobien ne sont pas facilement éradiquées par l’utilisation de traitements de la mucoviscidose, ce qui finit par avoir un impact sur les résultats pour les patients3. À l’appui de cette affirmation, des études in vitro ont démontré que les interactions entre des microbes tels que P. aeruginosa, S. aureus et d’autres peuvent avoir un impact sur des phénotypes cliniquement pertinents tels que la réactivité d’Abx aux médicaments de première ligne contre la mucoviscidose, y compris la vancomycine et la tobramycine 6,10,11. Par conséquent, il reste à revoir les stratégies de traitement actuelles visant à éradiquer les agents pathogènes de la mucoviscidose dans le contexte des infections d’espèces mixtes.
L’étalon-or dans la prise en charge des infections pulmonaires microbiennes de la mucoviscidose repose en grande partie sur l’utilisation de tests de sensibilité aux antimicrobiens (AST) pour guider les interventions cliniques12. Cependant, l’AST est généralement effectuée à l’aide de monocultures bactériennes cultivées dans des cultures riches et bien mélangées, ce qui ne reflète pas les conditions de croissance microbienne détectées dans les voies respiratoires de la mucoviscidose 3,13. Compte tenu de l’écart important entre les résultats pour les patients et le succès du traitement, les rapports cliniques préconisent maintenant le développement de nouvelles approches intégrant les caractéristiques critiques du poumon de la mucoviscidose12,14.
Peu d’études ont mis au point des systèmes multi-espèces bactériens pertinents pour la mucoviscidose in vitro contenant plus de deux agents pathogènes15,16. Cependant, ces modèles (1) ne reflètent pas entièrement la nature polymicrobienne et semblable à un biofilm du poumon de la mucoviscidose et (2) n’utilisent pas de conditions nutritionnelles et environnementales se rapprochant de celles détectées dans les voies respiratoires de la mucoviscidose15,16. Grâce à l’exploitation de grands ensembles de données et au calcul de grands ensembles de données sur les gènes de l’ARNr 16S dérivés de poumons de la FK, Jean-Pierre et ses collègues ont récemment mis au point un modèle de co-culture in vitro intégrant les caractéristiques mentionnées ci-dessus10. Ce système comprend P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. et Prevotella spp. cultivés dans des conditions semblables à celles des voies respiratoires de la mucoviscidose et stables jusqu’à 14 jours. Les auteurs ont également signalé une croissance spécifique de Prevotella spp. et plusieurs changements dans la réactivité Abx de ces agents pathogènes de la mucoviscidose par des mécanismes qui restent à identifier10. Ce système in vitro traitable a également offert la possibilité d’approfondir des questions à focalisation mécanique liées à la récalcitrance Abx d’une variante commune de P. aeruginosa fréquemment détectée dans les voies respiratoires de pwCF10. Par conséquent, l’objectif de ce protocole est de fournir à la communauté de recherche sur la fibrose kystique un flux de travail expérimental normalisé pour cultiver un biofilm in vitro qui a le potentiel d’être élargi pour s’attaquer à un certain nombre de questions pertinentes pour la fibrose kystique.
Les détails de tous les réactifs et équipements sont répertoriés dans la table des matériaux.
1. Préparation d’un milieu d’expectoration artificiel
REMARQUE : Tout au long de ce protocole, le milieu artificiel d’expectoration (ASM) est défini comme le milieu pertinent pour la FC modifié à partir de SCFM2, précédemment publié par Turner et ses collègues17. Vous trouverez ci-dessous une description des étapes de préparation de ce support. Voir la table des matériaux pour faire des solutions mères et les conditions de stockage. Cette version de l’ASM diffère de celle de Turner et al.17 , car le pouvoir tampon de la version originale ne permet pas d’obtenir un pH stable dans le temps. C’est-à-dire que l’activité de fermentation exercée par Streptococcus spp. et les anaérobies comme Prevotella spp. entraîne l’acidification du milieu de croissance (observations non publiées). Par conséquent, la concentration en acide 3-morpholinopropane-1-sulfonique (MOPS) a été ajustée de 10 mM à 100 mM.
REMARQUE : La préparation d’une solution mère 2x ASM base (ASMb) facilite l’ajout de composants tels que la mucine, la gélose, l’eau, etc., sans affecter la concentration finale des molécules présentes dans ASM10,18. Les 2x ASMb peuvent être préparés à l’avance et conservés à 4 °C jusqu’à deux semaines dans un endroit sombre. Si le milieu jaunit, jetez-le.
2. Préparation de milieux sélectifs de communautés polymicrobiennes
REMARQUE : Vous trouverez ci-dessous les quantités nécessaires pour préparer un volume de 1 L de support.
3. Préparation des milieux liquides bactériens et conditions de croissance
4. Préparation de l’expérience de co-culture
REMARQUE : La figure 1 représente un résumé du flux de travail expérimental. La mise en place de l’expérience peut se faire dans des conditions oxiques si le temps de préparation est inférieur à 1 h. Si l’on s’attend à ce que cela prenne plus de temps, il est fortement recommandé d’effectuer l’expérience à l’aide d’une chambre anaérobie (avec 10 % de CO2, 10 % de H2 et 80 % de gaz mélangé N2 ). Des bocaux anaérobies peuvent également être utilisés pour incuber les échantillons expérimentaux.
5. Collecte et placage des échantillons
6. Incubation des plaques sélectives et comptage des unités formant colonies (UFC)
Comme le montre la figure 2, plusieurs phénotypes ont été rapportés, notamment (1) une réduction du nombre de cellules viables de P. aeruginosa et de S. aureus lors de la culture de communautés planctoniques mixtes par rapport à la monoculture, (2) une augmentation de la croissance polymicrobienne des cellules de S. sanguinis et, (3) une croissance des communautés mixtes de P. melaninogenica comme précédemment ra...
L’utilité de ce système de co-culture in vitro cliniquement informé réside dans sa capacité à détecter des fonctions bactériennes spécifiques polymicrobiennes. C’est-à-dire que grâce à l’utilisation de ce modèle, nous avons signalé des phénotypes microbiens allant de la croissance spécifique à la communauté de Prevotella spp. (figure 2) à des changements de sensibilité à l’Abx de la FK de première ligne de ...
Les auteurs ne déclarent aucune divulgation.
Nous tenons à remercier le Dr George A. O’Toole et le Dr Thomas H. Hampton pour leur rôle important dans la conception et l’élaboration du modèle de communauté polymicrobienne in vitro . Nous remercions la Dre Sophie Robitaille pour ses commentaires utiles sur le manuscrit. Ce travail a été soutenu par une subvention de la Fondation de la fibrose kystique JEAN21F0 à F.J-P. La figure 1 du manuscrit a été créée à l’aide de 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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