A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
פרוטוקול זה מתאר מודל ביופילם פולימיקרוביאלי רלוונטי לארבעה מינים של סיסטיק פיברוזיס (CF), שניתן להשתמש בו כדי לחקור את ההשפעה של אינטראקציות בין מינים חיידקיים.
רוב המודלים במבחנה חסרים את היכולת לחקור באופן מלא פנוטיפים חיידקיים הנובעים מהאינטראקציות המורכבות שנצפו בסביבות בחיים האמיתיים. זה נכון במיוחד בהקשר של זיהומים קשים לטיפול, כרוניים ופולימיקרוביאליים מבוססי ביופילם שזוהו בדרכי הנשימה של אנשים החיים עם סיסטיק פיברוזיס (CF), מחלה גנטית מרובת איברים. בעוד שמחקרי מיקרוביום רבים הגדירו את ההרכבים המיקרוביאליים שזוהו בדרכי הנשימה של אנשים עם CF (pwCF), אף מודל במבחנה עד כה לא שילב באופן מלא תכונות ריאה קריטיות הרלוונטיות ל-CF. לכן, קיים פער ידע משמעותי ביכולת לחקור את המנגנונים המניעים את הפתוגנזה של זיהומי ריאות מסוג CF ממינים מעורבים. במאמר זה אנו מתארים מודל של קהילה מיקרוביאלית של ארבעה מינים שפותח לאחרונה, כולל Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis ו-Prevotella melaninogenica הגדלים בתנאים דמויי CF. באמצעות שימוש במערכת זו, פנוטיפים רלוונטיים מבחינה קלינית כגון סרבנות מיקרוביאלית של מספר פתוגנים נצפו ונחקרו ברמה המולקולרית. התועלת של מודל זה במבחנה טמונה בזרימת העבודה הסטנדרטית שלו שיכולה להקל על המחקר של אינטראקציות בין מינים בהקשר של דלקות ריאה כרוניות של CF.
אסטרטגיות שמטרתן לחסל חיידקים גורמי מחלות כמו אלה שזוהו בדרכי הנשימה של סיסטיק פיברוזיס (CF), מחלה גנטית מרובת איברים, נכשלות לעתים קרובות1. כלומר, נוכחותן של קהילות מיקרוביאליות עמידות דמויות ביופילם הגדלות בסביבת ריאות CF עשירה בריר עלולה לגרום לזיהומים כרוניים הנפרשים על פני עשורים רבים2. יתר על כן, למרות שהשימוש במיקרוביאלים בקו הראשון (Abx) ומודולטורים הביא לתוצאות משופרות אצל אנשים עם CF (pwCF), הגישה הקלינית "באג אחד, זיהום אחד" המיושמת בדרך כלל נגד פתוגנים קנוניים של CF כגון Pseudomonas aeruginosa ו- Staphylococcus aureus לא הייתה יעילה בפתרון זיהומים קשים לטיפול שזוהו בריאות של אנשים אלה 3,4, 5,6,7.
במהלך שני העשורים האחרונים, מחקרים רבים שינו את ההבנה שלנו לגבי מחלת ריאות כרונית של CF8. כלומר, דיווחים מצביעים על כך שזיהומים המתגלים בדרכי הנשימה של pwCF אינם נגרמים אך ורק על ידי פתוגן יחיד אלא הם רב-מיקרוביאליים בטבע8. יתר על כן, למרות שהפתוגנזה של זיהומי ריאות מסוג CF ממינים מעורבים עדיין אינה מובנת היטב, ראיות קליניות מראות כי pwCF הנגועים יחד הן ב- S. aureus והן ב- P. aeruginosa בדרכי הנשימה שלהם החמירו את תפקוד הריאות מאשר אנשים שהתיישבו על ידי אחד משני פתוגנים אלה9.
אינטראקציות בין מינים בין פתוגנים של CF משוערות כסיבה לכך שזיהומים רב-מיקרוביאליים מבוססי ביופילם אינם מוגרים בקלות באמצעות שימוש בטיפולי CF, ובסופו של דבר משפיעים על תוצאות המטופלים3. לתמיכה בכך, מחקרי מבחנה הראו כי אינטראקציות בין חיידקים כגון P. aeruginosa, S. aureus ואחרים יכולות להשפיע על פנוטיפים רלוונטיים מבחינה קלינית כגון תגובת Abx לתרופות CF בקו הראשון, כולל ונקומיצין וטוברמיצין 6,10,11. לכן, עדיין יש לבחון מחדש את אסטרטגיות הטיפול הנוכחיות שמטרתן למגר פתוגנים של CF בהקשר של זיהומים ממינים מעורבים.
תקן הזהב בניהול זיהומי ריאות CF מבוססי חיידקים מסתמך במידה רבה על השימוש בבדיקות רגישות מיקרוביאליות (AST) כדי להנחות התערבויות קליניות12. עם זאת, AST נעשה בדרך כלל באמצעות מונוקולטורות חיידקיות הגדלות בתרביות עשירות ומעורבות היטב, אשר אינן משקפות את תנאי הגידול המיקרוביאליים שזוהו בדרכי הנשימה של CF 3,13. בהתחשב בנתק המשמעותי בין תוצאות המטופלים לבין הצלחת הטיפול, דוחות קליניים תומכים כעת בפיתוח גישות חדשניות המשלבות תכונות קריטיות של ריאה CF12,14.
מחקרים מעטים פיתחו מערכות מבחנה חיידקיות רלוונטיות ל-CF המכילות יותר משני פתוגנים 15,16. עם זאת, מודלים אלה (1) אינם משקפים לחלוטין את האופי הפולימיקרוביאלי ודמוי הביופילם של ריאת CF ו-(2) אינם משתמשים בתנאים תזונתיים וסביבתיים הקרובים לאלה שזוהו בנתיב האווירCF 15,16. באמצעות כרייה של מערכי נתונים גדולים של 16S rRNA שמקורם ב-CF-ריאה וחישוב, ז'אן-פייר ועמיתיו פיתחו לאחרונה מודל תרבית משותפת במבחנה המשלב את התכונות הנ"ל10. מערכת זו כוללת P. aeruginosa, S. aureus, Streptococcus spp. ו- Prevotella spp. גדל בתנאים דמויי דרכי נשימה CF ויציב עד 14 יום. המחברים דיווחו גם על צמיחה ספציפית לקהילה של Prevotella spp. וכמה שינויים בתגובת Abx של פתוגנים CF אלה באמצעות מנגנונים שנותרו לזיהוי10. מערכת מבחנה זו הציעה גם את האפשרות להתעמק בשאלות ממוקדות מכניסטית הקשורות לסרבנות Abx של גרסה נפוצה של P. aeruginosa המתגלה לעתים קרובות בדרכי הנשימה של pwCF10. לכן, מטרת פרוטוקול זה היא לספק לקהילת המחקר של CF זרימת עבודה ניסיונית סטנדרטית לגידול ביופילם במבחנה שיש לו פוטנציאל להתרחב עוד יותר כדי להתמודד עם מספר שאלות רלוונטיות ל-CF.
הפרטים של כל הריאגנטים והציוד מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנת מדיום כיח מלאכותי
הערה: לאורך פרוטוקול זה, מדיום כיח מלאכותי (ASM) מוגדר כמדיום הרלוונטי ל-CF שונה מ-SCFM2, שפורסם בעבר על ידי טרנר ועמיתיו17. להלן תיאור השלבים להכנת מדיום זה. ראה טבלת חומרים להכנת פתרונות מלאי ותנאי אחסון. גרסה זו של ASM שונה מטרנר ואחרים,17 מכיוון שקיבולת האגירה בגרסה המקורית אינה מאפשרת pH יציב לאורך זמן. כלומר, פעילות התסיסה המבוצעת על ידי סטרפטוקוקוס spp. ואנאירובים כמו Prevotella spp. גורמת להחמצה של מדיום הגידול (תצפיות שלא פורסמו). לכן, ריכוז 3-morpholinopropane-1-sulfonic acid (MOPS) הותאם מ-10 mM ל-100 mM.
הערה: הכנת תמיסת מלאי 2x ASM base (ASMb) מאפשרת הוספה של רכיבים כגון מוצין, אגר, מים וכו ', מבלי להשפיע על הריכוז הסופי של מולקולות הקיימות ב- ASM10,18. ניתן להכין מראש את 2x ASMb ולאחסן ב 4 ° C למשך עד שבועיים במקום חשוך. אם המדיום הופך צהוב, להשליך.
2. הכנת מדיה סלקטיבית קהילתית רב-מיקרוביאלית
הערה: להלן הכמויות הדרושות להכנת נפח של 1 ליטר מדיה.
3. הכנת מדיה נוזלית חיידקית ותנאי גידול
4. הכנת ניסוי בתרבות משותפת
הערה: איור 1 מתאר זרימת עבודה ניסיונית מסוכמת. הגדרת הניסוי יכולה להיעשות בתנאים אוקסיים אם זמן ההכנה לוקח פחות מ 1 שעה. אם זה צפוי לקחת יותר זמן מזה, מומלץ מאוד לבצע את הניסוי באמצעות תא אנאירובי (עם 10% CO2, 10% H2, ו 80% N2 גז מעורב). ניתן להשתמש בצנצנות אנאירוביות גם כדי לדגור על דגימות הניסוי.
5. איסוף וציפוי הדגימות
6. דגירה על לוחות סלקטיביים וספירת יחידות יוצרות מושבה (CFU)
כפי שמיוצג באיור 2, דווחו מספר פנוטיפים, כולל (1) ירידה במספר ספירות התאים בנות קיימא של P. aeruginosa ו-S. aureus כאשר גדלו קהילות פלנקטוניות מעורבות בהשוואה למונוקולטורה, (2) עלייה בצמיחה רב-מיקרוביאלית של תאי S. sanguinis , ו-(3) גידול קהילתי מעורב של P. melanin...
התועלת של מערכת תרבית משותפת במבחנה זו, בעלת מידע קליני, טמונה ביכולתה לזהות תפקודים חיידקיים ספציפיים לחיידקים רב-מיקרוביאליים. כלומר, באמצעות השימוש במודל הזה דיווחנו על פנוטיפים מיקרוביאליים החל מגידול ספציפי לקהילה של Prevotella spp. (איור 2) ועד ?...
המחברים מצהירים כי אינם חושפים.
ברצוננו להודות לד"ר ג'ורג' א' אוטול ולד"ר תומס ה' המפטון על תפקידם המשמעותי בעיצוב ופיתוח מודל הקהילה הפולימיקרוביאלית במבחנה . אנו מודים לד"ר סופי רוביטייל על הערותיה המועילות על כתב היד. עבודה זו נתמכה על ידי מענק של קרן סיסטיק פיברוזיס JEAN21F0 ל- F.J-P. איור 1 של כתב היד נוצר באמצעות 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. |
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