A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
דרכי הנשימה המחוברות לריר של חולי סיסטיק פיברוזיס (CF) הן סביבה אידיאלית לפטוגנים חיידקים לשגשג. כתב היד מתאר שיטה חדשה לחקר מיקרוביום הריאות CF בסביבה שבה מחקה את המחלה, וכיצד שינויים בתנאים כימיים יכולים להניע דינמיקה מיקרוביאלית.
מחלות כרוניות רבות בדרכי הנשימה גורמות לחיבור רירי של דרכי הנשימה. הריאות של אדם עם סיסטיק פיברוזיס הם דוגמה למופת שבו bronchioles שלהם ריר מחוברות ליצור בית גידול נוחים עבור קולוניזציה חיידקים. פתוגנים שונים לשגשג בסביבה זו אינטראקציה זה עם זה נהיגה רבים של סימפטומים הקשורים למחלת CF. כמו כל קהילה מיקרוביאלית, התנאים הכימיים של בית הגידול שלהם משפיעים באופן משמעותי על מבנה הקהילה ועל הדינמיקה. לדוגמה, מיקרואורגניזמים שונים לשגשג ברמות שונות של חמצן או ריכוזי מומס אחרים. זה נכון גם ריאות CF, שבו ריכוזי החמצן הם האמינו לנהוג פיזיולוגיה הקהילה ומבנה. השיטות המתוארות כאן נועדו לחקות את סביבת הריאות ולגדל פתוגנים באופן דומה יותר לזה שממנו הם גורמים למחלה. מניפולציה של הסביבה הכימית של חיידקים אלה משמשת כדי ללמוד כיצד chemistry של דלקות ריאות מסדיר אקולוגיה מיקרוביאלית שלה. השיטה, המכונה מערכת WinCF, מבוסס על מדיום כיח מלאכותי וצינורות נימי צר נועדו לספק שיפוע חמצן דומה לזה קיים bronchioles פקוק ריר. מניפולצית תנאים כימיים, כגון pH התקשורת של לחץ כיח או אנטיביוטיקה, מאפשר ויזואליזציה של הבדלי מיקרוביולוגית בדגימות אלה באמצעות מחוונים בצבע, צופים לייצור גז או ביופילם, או לחילוץ וסדר תכול חומצות הגרעין של כל דגימה.
השיטה המתוארת בכתב היד הזה נקראת מערכת WinCF 1. המטרה הכללית של WinCF היא לספק סביבת ניסוי מסוגל לדמות את הסביבה של bronchiole ריאות מלאות ריר. זה יאפשר למערכת צייתנית ללמוד פתוגנים חיידקים של מחלות ריאה עם פנוטיפ ריר הפרשה המוגבר כולל סיסטיק פיברוזיס (CF), מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD), אסטמה ועוד. ההליך תוכנן במיוחד עבור המחקר של CF, אשר מאופיין על ידי מוטציות הגורמות פרשות ריאה להיות עבות וקשה לנקות, בסופו של דבר מילוי bronchioles ומעברים קטנים אחרים עם ריר 2. חסימות כאלה ריאות לעכב חילוף הגזים בגלל באוויר שאנו נושמים הוא כבר לא מסוגל להגיע alveoli רבות גם לספק בית גידול קולוניזציה חיידקית 3, 4. חוסר היכולת למנוע התפתחותם של חיידקים בתוךריר ריאות מוגזם בסופו של דבר מוביל לפיתוח של זיהומים כרוניים מורכבים של דרכי הנשימה. קהילות אלה מכילות מגוון של אורגניזמים, כולל וירוסים, פטריות וחיידקים כמו Pseudomonas aeruginosa , כל אינטראקציה זה עם זה 5 , 6 , 7 , 8 . הפעילות של מיקרוביום ריאה CF הוא האמין להיות מעורב בהתלקחויות של סימפטומים הנקראים החמרות ריאתי 1 , 9 , 10 , 11 . WinCF מאפשר ללמוד את ההתנהגות של הקהילה המיקרוביאלית סביב החמרות אלה, ועכשיו הוא מורחב כדי לשמש מערכת ניסיונית בסיס ללמוד אקולוגיה הריאות של הריאות. באופן מסורתי, החריפות נחקרו באמצעות ניתוח ישיר של דגימות נלקח מן הריאה. גורמים רבים מבלבלים לעשות ניתוח ישיר של מיקרוביאלית בehavior בריאותיו מאתגרות, עם מערכת WinCF, רבי הגורמים הללו יוסרו ואת ההתנהגות של Microbiome הריאות ניתן ללמוד באופן ישיר יותר, המאפשרת ניתוח מדויק יותר של פעילות חיידקים בתוך bronchiole לחשמל-ריר.
מערכת WinCF מספקת שיטה לגדל ולנתח חיידקים באופן אשר מחק באופן יעיל את סביבת הריאות. שיטות מסורתיות חיידקי ריאות גדלים קרובות דגימות culturing מעורבות על צלחות אגרו מסורתיות. שיטות אלה לעזוב את הדגימות פתוחות חמצן אטמוספרי, מזניחות לתת דין וחשבון על היפוקסי ולעתים קרובות בתנאי anoxic למצוא bronchioles ריאות פקוקים עם ריר 12, 13. Culturing על אגרת בתנאים אירוביים דבר כמו הסביבה של ריאות CF והוא יכול להטעות קלינאים וחוקרים בנוגע להתנהגות של פתוגנים כי הם מנסים לטפל. בנוסף, החומרים המזינים לרשות חיידקים על צלחות אגראינם דומים לאלה זמינים כיח בפועל, אשר היוו בשנת WinCF ידי ניצול תקשורת כיח מלאכותית (ASM). כפי שניתן לראות על ידי תרבויות Pseudomonas ב Sriramulu ואח. 14, ASM כולל קבוצה מסוימת של רכיבים המחקה את המשאבים העומדים לרשות חיידקי ליחה גם משכפלת את העקביות הפיסית של ליחה. מכיוון ריאה חולה יש Microbiome ספציפי, המחקר של מיקרואורגניזמים כאלה רצוי מתקיימים התנאים הספציפיים של הריאות גם כן.
המערכת מאפשרת WinCF ניתוח מהיר מניפולציה קלה של תנאי הניסוי לבחון שינויים מיקרוביאליים בדומה לאופן בו הם יתרחשו באופן bronchiole ריאות בפועל. טכניקה זו מאפשרת לחיסון של מספר עצום של סוגי מדגם הקשורים כוללים ליחה, רוק, הפרשות גוף אחרות ותרבויות חיידקים טהורות או מעורבות. האופי של הגדרת הניסוי מאפשר פרשנות חזותית ברורה שלהתנהגות הקהילה מיקרוביאלית נועד לאפשר יישום במורד הזרם קל של מספר רב של הליכים מיקרוביולוגיים ואומיקים. מחקרים כאלה חשובים משום שהרכב הקהילה הבקטריאלית משתנה בהתאם לתנאים הפיזיו-כימיים של סביבתם. עם WinCF התנאים הכימיים של התקשורת יכול להיות מניפולציה כדי לנתח את ההשפעות על פעילות חיידקית. לדוגמה, חומציות של התקשורת ניתן לשנות לפני חיסון עם מדגם. לאחר הדגירה, ניתן להשוות את הפעילות החיידקית בכל אחד מהמצבים הללו באופן ישיר, ומסקנות ניתן להסיק כיצד חיידקים באותם דגימות כיחיים מתנהגים בתגובה ל- pH משתנה. כאן, אנו מתווים את הנהלים ליישום מערכת WinCF ודוגמאות כיצד ניתן להשפיע על הכימיה התקשורתית כדי לחקור את ההשפעות על המיקרוביום הריאה.
1. הכנת המניות עבור מדיה המלאכותית כיח
2. הכנה המלאכותית כיח הבינוני
3. הכנה של הפעלה מלאה של צינורות נימי
איור 1: דוגמה pH מדרון, מילוי צינור נימי עם בינוני כיח מלאכותי. המדיום מתווסף על ידי החדרת קצה אחד של הצינור לתוך הנוזל והטיה כדי להקל על פעולה נימית. הצבע הבינוני בדוגמה זו נובע ממחוון pH שנוסף כדי לעזור לשדלשרטט שינויים פוטנציאליים בחומציות לאחר הדגירה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: דוגמה pH מדרון, צינורות נימי מוכן הדגירה. לאחר שלוש צינורות נימי כבר מלא וחתום, הם ממוקמים צינור צנטריפוגות עם מגבת נייר לחה בתחתית. צינור זה הוא כתרים מכן והכניסו לתוך מתלה. המדף חייב להיות בכיוון הצידה במהלך הדגירה, כפי שתואר כאן, כך ייצור גז ניתן לראות לאחר הדגירה הושלם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
4. הדמיה של צינורות נימי השליטה לאחר הדגירה
איור 3: דוגמה pH מדרון, בקרת הפעלה, טרום הדגירה, לא הוסיף כיח. בינוני כיח מלאכותי לאחר שנוספו צינורות נימי בסטים של שלושה, הגדלת ה- pH משמאל לימין. השילוב של אינדיקטורים שנוספו לתוצאה הבינונית מופיעים צינורות חומציים יותר המופיעים בצהוב יותר, בעוד צינורות חומציים פחות הופכים סגולים יותר. הצינורות מסודרים בצורה אופקית ומוארים מלמטה, מצולמים מלמעלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
5. מחסן את צינורות נימי WinCF עם מדגם כיח
6. הדמיה של צינורות נימי מדגם לאחר הדגירה
7. הסרת מדיה עבור יישומים downstream
8. מערכת FLC WinCF
הערה: מערכת השירות WinDF Fluid Loading Utility (FLUD) היא חבילת אופציונלית של מכשירים משלימים המיועדים לייעל את התפוקה של מערכת WinCF. מערכת ה- FLC של WinCF מורכבת בעיקר מחומרים להדפסה תלת-ממדית. 3D מודפס ייצור מאפשר החלפת מהירה וקלה של חומרים כדי להבטיח זמן השבתה מינימלי לחוקרים, כמו גם דרישות ייצור מינימלי. עיצובים, קבצי stl, הוראות הדפסה 3D ו המדריך WinCF FLUD זמינים suppleme באינטרנטNT.
איור 4: מערכת FLUD טעון לחלוטין עם צינורות נימי מאובטח על ידי כבש גומי מעל הבצעים שלהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5: מערכת FLUD עם בינוני צינורות להתפרס אוריינטציה אופקית, מוכן ליצור קשר עם צינורות נימי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6: מערכת FLUD עם נימי צינורות טעינה עם מדיה באמצעות כוח הנימיות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7: אטימה מילוי צינורות נימי על מערכת FLUD אחד להגדיר טריפליקט בכל פעם באמצעות בלוק איטום. בלוק איטום זה היה פלסטיק לאורך הקצוות שנחתך כדי למנוע מגע עם ערכות בשלושה עותקים שכנים במהלך האיטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8: צינורות נימים ב גומי ערש הועברו FLUD מערכה אל הדמית Rack, אשר הושמה בתוך קופסא דגירה נקה לצד לח נייר מגבות כדי לספק לחות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של ההוא דמות.
גידול מיקרוביולוגי על פני התנאים הכימיים השונים המושרה בתוך הדגימות השתנה באופן דרמטי במקרים מסוימים ועוד בעדינות באחרים. שינויים רבים בפעילות היו חזותיים בטבע, להיות ברור מיד עם סיום תקופת הדגירה. בדוגמה של מניפולציה pH, דגימות פני ספקטרום ה- pH השת?...
האיפור המיקרוביולוגי של ריאה עם CF מכיל מגוון רחב של אורגניזמים, אבל התנאים בתוך הריאה סביר להניח השפעה משמעותית על מה סוגים של חיידקים יכולים לשרוד ולשגשג 13 , 15 . מנגנונים ספציפיים שדרכם משתנים התנאים הללו והאפקטים המדויקים שיש להם על ?...
למחברים אין מה לחשוף.
המחברים מבקשים להודות ורטקס תרופות ופרס חדשנות מחקר סיסטיק פיברוזיס למימון ר קווין ו- NIH / NIAID עבור 1 מענק מימון U01 AI124316-01, גישה ביולוגיה מערכתית לטיפול של פתוגנים עמידים רב-סמים. אנחנו גם רוצים להודות במחלקה מכונות להנדסת אווירונוטיקה וחלל כמובן עיצוב מכני הנדסי בכיר לתואר ראשון של UCSD עבור הקלת בשיתוף עם היבטים הנדסיים של העבודה הזאת.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Color-Coded Capillary Tubes | Fisher Scientific | 22-260943 | |
Cha-seal Tube Sealing Compound | Kimble-Chase | 43510 | |
Mucin from porcine stomach | Sigma | M1778 | |
Ferritin, cationized from horse spleen | Sigma | F7879 | |
Salmon sperm DNA Sodium salt (sonified) | AppliChem Panreac | A2159 | |
MEM Nonessential Amino Acids | Corning cellgro | 25-025-CI | |
MEM Amino Acids | Cellgro | 25-030-CI | |
Egg Yolk Emulsion, 50% | Dalynn Biologicals | VE30-100 | |
Potassium Chloride | Fisher Scientific | P2157500 | |
Sodium Chloride | Fisher Scientific | S271500 | |
15 mL centriguge tubes with Printed Graduations and Flat Caps | VWR | 89039-666 | |
50 mL centrifuge tubes with Printed Graduations and Flat Caps | VWR | 89039-656 | |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Corning | MCT-150-R | |
2.0 mL microcentrifuge tubes | Corning | MCT-200-C |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved