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Method Article
Nous présentons une méthode pour un modèle de pathogenèse fongique qui préserve le positionnement naturel des spores fongiques dans les voies respiratoires pulmonaires pour une analyse par microscopie fluorescente.
Les champignons infectent les humains lorsque des spores environnementales sont inhalées dans les poumons. Le poumon est un organe hétérogène. Les voies respiratoires conductrices, y compris les bronches et les bronchioles, se ramifient jusqu’à se terminer dans l’espace aérien alvéolaire où se produisent les échanges gazeux. Les infections provenant des bronchioles ou des alvéoles provoquent des réponses distinctes de l’hôte et des manifestations de la maladie. Par conséquent, comprendre précisément où les spores se localisent naturellement dans les poumons, en particulier peu de temps après l’infection, élargit les possibilités d’étude des interactions hôte-pathogène. Nous détaillons ici une analyse in situ de poumons de souris infectées par Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ arthroconidia. Les méthodes conventionnelles de conservation histologique impliquent le gonflage liquide des voies respiratoires avec une solution fixatrice, qui déplace l’emplacement naturel des particules fongiques aspirées, poussant les spores des bronchioles proximales vers les espaces aériens terminaux.
À l’inverse, cette méthode de gonflage de l’air avec fixation par perfusion vasculaire sanguine préserve la position physiologique des spores fongiques au sein des bronchioles. De plus, nous décrivons une approche simple de la cryoconservation, de l’intégration et de l’imagerie des échantillons pulmonaires. Nous partageons également des techniques de calcul à haut débit via le programme open source QuPath pour analyser la distribution spatiale des spores fongiques dans les poumons. La méthode présentée ici est simple et rapide, nécessite un équipement minimal et peut être facilement adaptée pour être utilisée avec de nombreux modèles d’infections fongiques respiratoires.
Les humains peuvent inhaler jusqu’à des milliards de spores par jour à partir d’une variété de champignons environnementaux1. Pour comprendre nos défenses barrières contre ces spores inhalées, nous devons apprécier les environnements microanatomiques précis où ces spores atterrissent dans les voies respiratoires et le parenchyme pulmonaire. La composition cellulaire des voies respiratoires (c’est-à-dire les cellules épithéliales) se transforme considérablement le long de la trachée, des bronches, des bronchioles et des alvéoles. Chacune de ces régions distinctes est composée de différents types de cellules avec des fonctions discrètes qui disposent d’un arsenal de défenses pour prévenir l’infection pathologique.
L’emplacement précis du dépôt de spores fongiques pulmonaires peut varier entre les lumières des voies respiratoires des bronchioles colonnaires tapissées d’épithéliales, des canaux alvéolaires ou des alvéoles2. La plupart des espèces fongiques cliniquement pertinentes produisent des spores d’un diamètre3 compris entre 1 m et 10 m. Le dépôt de ces particules de spores dans les poumons dépend de plusieurs facteurs, tels que l’aérodynamique, la densité, la charge électrique et les forces phorétiques, qui peuvent influencer le mécanisme de sédimentation après l’inhalation4. Généralement, les grosses particules (> 6 μm) se déposent dans les voies respiratoires supérieures, les particules de taille moyenne (2-6 μm) peuvent se déposer dans les voies respiratoires plus petites et les petites particules (<2 μm) atteignent la région alvéolaire5. Des spores d’Aspergillus (2-3 μm) ont été signalées pour atteindre les espaces alvéolaires, mais les rapports de pathologie clinique indiquent également un fardeau important de maladies bronchiques et bronchiolaires6. En raison de la popularité croissante de la bronchoscopieflexible 7, on reconnaît également de plus en plus les infections fongiques endobronchiques d’Aspergillus fumigatus, de Coccidioides immitis, d’espèces Candida, de Cryptococcus neoformans, d’Histoplasma capsulatum et de Zygomycètes. Les progrès récents de l’imagerie microscopique des infections à Aspergillus chez la souris ont également révélé que les espaces aériens plus proximaux, tels que les bronches et les bronchioles, peuvent porter le fardeau le plus élevé de la prolifération fongique pathologique8. La recherche sur la réponse de l’hôte aux infections fongiques pulmonaires a montré que les cellules épithéliales bronchiolaires et les cellules épithéliales alvéolaires jouent un rôle important en tant que sentinelles immunitaires, de sorte qu’il sera essentiel d’élucider les sites exacts de dépôt de spores et d’interaction épithéliale pour les travaux futurs 2,9,10.
L’étude de la dynamique de la pathogenèse de ces voies respiratoires proximales est difficile car les techniques standard de fixation pulmonaire et de préparation de la section peuvent déplacer les spores de ces positions proximales dans les voies respiratoires tapissées d’épithélium et les pousser vers les régions alvéolaires terminales distales. Généralement, 10 % de formol ou 4 % de paraformaldéhyde sont utilisés pour gonfler les poumons et exposer rapidement l’ensemble des poumons au fixateur. Lors de la préparation des poumons pour la cryosection, certains groupes administrent un composé à température de coupe optimale (OCT) dans les poumons pour améliorer les performances de cryosection11. Ces pratiques sont utiles dans le bon contexte, mais notre laboratoire et d’autres groupes ont constaté qu’elles déplacent les spores et les particules des emplacements proximaux, interférant ainsi avec les interprétations concernant les types de cellules exposées aux spores et la réponse ultérieure de l’hôte12.
Pour établir avec précision la localisation microanatomique des spores fongiques inhalées, nous avons mis au point une méthode rapide et nécessitant peu de ressources pour la préservation de l’emplacement des spores fongiques dans les voies respiratoires des souris. Nous avons adapté une méthode de perfusion vasculaire par gonflage d’air murin de Thomas et al. (2021), où nous avons réduit la quantité d’équipement, de temps et de compétences techniques nécessaires pour obtenir un résultat satisfaisant13. D’après la méthode décrite ici, nous avons observé que les arthroconidies de Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ (d’une taille de 3 à 5 μm) s’accumulent plus proximal que ce qui a été montré précédemment, à savoir dans les bronchioles distales et les jonctions broncho-alvéolaires plutôt que dans les alvéoles terminales. Cette information peut orienter des questions biologiques concernant les types de cellules critiques associés à ces régions du poumon et leur influence sur les réponses précoces aux spores fongiques inhalées.
Toutes les méthodes décrites dans ce protocole ont été approuvées par le Comité institutionnel de soin et d’utilisation des animaux (IACUC) de Rutgers Biomedical Health Sciences.
1. Marquez les spores avec une fluorescence intracellulaire
2. Inoculation de spores à la souris par inhalation par aspiration à l’aide d’une anesthésie à l’isoflurane
ATTENTION : L’isoflurane est un agent anesthésique volatil et doit être utilisé dans une enceinte de biosécurité canalisée ou une hotte.
Figure 1 : Appareil pour la méthode d’inoculation des spores à l’aide d’isoflurane à goutte ouverte. Une serviette pliée est placée au fond d’un bocal à vis de 1 L, puis un treillis circulaire en plastique est inséré pour servir de plate-forme aux souris. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
3. Euthanasie des souris
4. Perfusion des poumons avec PBS et formol
5. Gonflement à l’air du poumon perfusé
6. Fixation par immersion et déshydratation
7. Cryosectionnement
8. Préparation et blocage des lames
9. Immunomarquage
10. Imagerie par microscopie fluorescente
11. Analyse spatiale via QuPath
Cette méthode produit finalement des images immunofluorescentes des poumons de souris en utilisant le gonflage physiologique de l’air pour laisser les voies respiratoires intactes. Il est important de noter que plusieurs points de contrôle en cours de route confirmeront que les composants du protocole ont été exécutés avec succès. Lors de l’inoculation, il est important de confirmer que l’inoculum a été aspiré en palpant des « crépitements » sur la paroi thoracique pos...
Nous avons établi un pipeline pour l’inhalation de spores et l’analyse du dépôt spatial des spores inhalées. Ce pipeline fournit des informations précieuses pour déterminer les régions stromales pertinentes du poumon affectées par l’inhalation d’arthroconidies de Coccidioides posadasii cts2/ard1/cts3Δ. Nous avons observé que les spores de Coccidioides et les particules inertes de taille similaire (données non présentées) s’accumulent dans les rég...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Le financement et le soutien ont été obtenus grâce à la subvention K22 AI153678-01 des NIH et à la Rutgers School of Graduate Studies. Nous remercions Fawad Yousufzai et Luke Fritzky de l’imagerie cellulaire et de l’histologie des sciences de la santé biomédicale de Rutgers pour leur travail et leur expertise dans l’obtention d’images immunofluorescentes.
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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