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Method Article
Qui presentiamo un metodo pratico per l'isolamento e l'identificazione di microrganismi all'interno dell'ospite. In questo modo, vengono chiaramente descritte le proprietà fisico-chimiche dei microrganismi e i possibili modi di vivere nell'ospite.
Poiché i microbi che prosperano nel corpo ospite hanno principalmente capacità adattative che facilitano la loro sopravvivenza, i metodi per classificare e identificare la loro natura sarebbero utili per facilitare la loro caratterizzazione. Attualmente, la maggior parte degli studi si concentra solo su un metodo di caratterizzazione specifico; Tuttavia, l'isolamento e l'identificazione di microrganismi dall'ospite è un processo continuo e di solito richiede diversi metodi di caratterizzazione combinatoria. In questo articolo, descriviamo i metodi per identificare la capacità microbica di formare biofilm, lo stato di respirazione microbica e il loro comportamento chemiotassico. I metodi sono stati utilizzati per identificare cinque microbi, tre dei quali sono stati isolati dal tessuto osseo di ratti Sprague-Dawley (SD) (Corynebacterium stationis, Staphylococcus cohnii subsp. urealyticus ed Enterococcus faecalis) e due dall'American Type Culture Collection (ATCC)-Staphylococcus aureus ATCC 25923 ed Enterococcus faecalis V583. I microbi isolati dal tessuto osseo di ratto SD includono i microbi gram-positivi. Questi microbi si sono adattati a prosperare in ambienti stressanti e limitanti i nutrienti all'interno della matrice ossea. Questo articolo ha lo scopo di fornire ai lettori il know-how specifico per determinare la natura e il comportamento dei microbi isolati all'interno di un ambiente di laboratorio.
L'ospite mammifero rappresentato dal corpo umano contiene un gran numero di microrganismi. Questi microrganismi sono ampiamente distribuiti nella bocca, nel tratto digestivo, nell'intestino e nel sangue dell'ospite e hanno effetti diversi sulla salute dell'ospite. La cavità orale ospita una pletora di microbi in grado di modulare la suscettibilità dell'ospite alle infezioni. Microbi come gli streptococchi (ad esempio, S. mitis/oralis, S. pseudopneumoniae e S. infantis) e Prevotella spp. colonizzano la cavità orale, formando un biofilm multispecie sulla superficie della lingua causando l'alitosi e funzionando come serbatoio microbico per l'infezione microbica. Questi agenti patogeni possono infettare l'osso mascellare infiltrandosi nei legamenti parodontali che trattengono la radice del dente nell'osso mascellare1. La caratterizzazione di questi microbi isolati dal corpo ospite è spesso un processo noioso, in particolare quando i microbi mostrano tratti individuali che richiedono un trattamento specifico e condizioni di crescita. I microbi, come il patogeno Helicobacter pylori, il Clostridium difficile e il Fusobacterium nucleatum, prosperano nell'ambiente ostile dell'intestino, con specifici requisiti di ossigeno, nutrienti e crescita, presentando una sfida nei processi di caratterizzazione, in particolare nello studio della patogenicità di questi microbi. Pertanto, è necessario un metodo standardizzato per isolare e studiare questi microrganismi affinché gli scienziati e i medici sviluppino nuovi trattamenti medici.
Questo protocollo utilizza microbi che prosperano nella matrice ossea dei ratti. Tradizionalmente, ad eccezione del sistema osseo rappresentato dalla mandibola, dove la presenza di denti rende la matrice ossea più suscettibile alle infezioni rispetto ad altre ossa1, si ritiene generalmente che l'osso sano dell'ospite sia un ambiente sterile. Tuttavia, gli studi hanno scoperto che i microrganismi entrano nella circolazione sistemica attraverso la parete intestinale, influenzando in ultima analisi la mineralizzazione ossea2. Come prova di concetto, utilizziamo il protocollo descritto per caratterizzare le proprietà biochimiche degli isolati microbici dal femore e dalla tibia di ratti SD sani (Corynebacterium stationis, Staphylococcus cohnii subsp. ed Enterococcus faecalis). Questi isolati microbici sono stati selezionati poiché l'osso è un ambiente chiuso e ipossico e caratterizzare questi microbi dall'osso può essere un compito impegnativo. Vari articoli hanno dettagliato i processi utilizzati nello studio di questi microbi; Tuttavia, sono pochi quelli che forniscono un protocollo completo per identificare i microrganismi isolati dall'ospite.
Nello stabilire le condizioni di coltura adeguate, i requisiti di ossigeno del microbo devono essere compresi attraverso l'uso del terreno di tioglicolato fluido (FTM). I microbi con diversi requisiti di ossigeno formano strati stratificati nel liquido FTM trasparente3. Sulla base del profilo di stratificazione, il fabbisogno di ossigeno del microbo viene quindi utilizzato per studiare la crescita delle cellule. I microbi che prosperano sulla superficie del liquido FTM sono aerobi obbligati, mentre i microbi che crescono sul fondo sono anaerobi obbligati. I microbi che crescono come sospensione nel liquido FTM sono anaerobi facoltativi o aerotolleranti. Il tasso di crescita microbica viene stabilito osservando la fase di crescita esponenziale delle cellule microbiche. Il profilo di crescita viene quindi confrontato con la formazione del biofilm del microbo. I biofilm sono in gran parte composti da più specie che influenzano direttamente e indirettamente la salute l'una dell'altra. Durante questo processo, le interazioni benefiche tra le comunità microbiche selezionano per l'attaccamento, fornendo una struttura spaziale che favorisce l'evoluzione delle interazioni reciproche attive. Ad esempio, la co-coltura di Paenibacillus amylolyticus e Xanthomonas retroflexus mostra interazioni simbiotiche facoltative in un ambiente statico, promuovendo una rapida crescita del biofilm13. I microbi si adattano ai tessuti dell'ospite attraverso la formazione di biofilm per una localizzazione sostenuta, proteggendosi dagli ambienti difficili ed eludendo il sistema immunitario dell'ospite 4,5,6,7. I biofilm sono solitamente strutture dense e multistrato che aiutano i microrganismi a resistere agli stimoli subcritici esterni; ad esempio, E. faecalis nella polpa dentale migliora la sua resistenza agli antibiotici aumentando la formazione di biofilm di fronte a sottoconcentrazioni di tetraciclina e vancomicina8.
La chemiotassi consente ai microrganismi di muoversi in base a gradienti chimici e le vie di segnalazione sono ampiamente distribuite in una varietà di batteri patogeni. Alcuni microrganismi patogeni migrano in siti specifici, sotto la guida di segnali chimici, per causare malattie infettive14. Ad esempio, Xanthomonas spp. esprimono 19 proteine chemocettrici e 11 flagelline nell'ospite, innescando il legame batterico e, infine, l'ulcerazione15. Ci sono anche proteine specifiche nei batteri (proteine leganti la pectina) che guidano la migrazione specifica dei batteri verso i nutrienti, che può portare a una migliore crescita16. Questo è fondamentale anche per i batteri che possono esistere in ambienti poveri di nutrienti. Le cellule microbiche spesso si affidano alla motilità chemiotattica per attirare se stesse in un ambiente di crescita favorevole, eludendo altre cellule predatorie e tossine che danneggiano la vitalità cellulare. Sulla base di approcci di agar morbido precedentemente stabiliti per determinare la chemiotassi, sviluppiamo un metodo diffusibile per generare un gradiente chemioattrattivo per testare la chemiotassi microbica.
Questo articolo descrive i metodi per determinare le condizioni di crescita, la formazione del biofilm e il tropismo chimico dei batteri, utilizzando come esempi Corynebacterium stationis, Staphylacoccus cohnii, Enterococcus faecalis, Staphylacoccus aureus ATCC 25923 ed Enterococcus faecalis V583 (vedi Figura 1). L'ottimizzazione delle condizioni di crescita microbica utilizza l'FTM per determinare il fabbisogno di ossigeno del microbo, mentre la formazione del biofilm utilizza superfici di vetro come supporto solido e la massa del biofilm è controcolorata con cristallovioletto. Il tropismo chimico del microbo si basa sul suo comportamento chemiotattico, dove attraverso la stampa 3D (Figura supplementare S1), viene utilizzato un metodo standardizzato per generare un serbatoio chimico per il chemioattrattivo in una matrice di agar morbido (Figura supplementare S2).
NOTA: Consultare la Tabella dei materiali per i dettagli su tutti i materiali e le attrezzature utilizzate in questo protocollo. Utilizzare tecniche asettiche per evitare la contaminazione.
1. Recupero batterico per ottenere una singola colonia
2. Da coltura batterica liquida a fase di crescita logaritmica
3. Esperimento FTM e determinazione della curva di crescita
4. Test di capacità di formazione del biofilm
5. Test di chemiotassi batterica
Questo lavoro descrive gli approcci adottati per caratterizzare i microbi isolati dal microbioma ospite (Figura 1). Come prova di concetto, tre microbi sono stati isolati dall'ospite del ratto SD (C. stationis, S. cohnii ed E. faecalis) e due microrganismi acquisiti commercialmente (S. aureus ATCC 25923 ed E. faecalis V583) sono stati testati utilizzando questo protocollo. Per stabilire il fabbisogno di ossigeno d...
Abbiamo isolato e identificato cinque specie di batteri con metodi sequenziali. La crescita dei batteri ha un fabbisogno minimo di nutrienti: il mezzo minimo è un terreno contenente solo sali inorganici, una fonte di carbonio e acqua. Sebbene i batteri nel gruppo sperimentale siano stati trovati su piastre solide MH, abbiamo utilizzato un mezzo MH a metà dose per verificare la chemiotassi dei batteri e abbiamo ottenuto buoni risultati. Tuttavia, abbiamo anche eseguito esperimenti di co...
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Lo sviluppo di questa tecnica è stato sostenuto dai fondi del Fondo nazionale per le scienze naturali della Cina per la ricerca per giovani scienziati internazionali (22050410270), del Fondo speciale di Shenzhen per l'innovazione e l'imprenditorialità dei talenti di alto livello d'oltremare Peacock Team (KQTD20170810111314625) e del Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Team Program (2019ZT08Y191). Vorremmo offrire la nostra sincera gratitudine alla signorina Chen Xinyi per la sua assistenza nella correzione delle bozze del documento e nella gestione del laboratorio.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chemical/Solution | |||
1% crystal violet dye solution | Solarbio | G1062 | 100 mL |
Agar | Sigma-Aldrich | V900500 | Used to obtain semi-solid plates, 20 g |
Centrifuge tube | Corning | 430790 | 15 mL |
Fluid thioglycollate medium | Kinghunt | K0001 | 29.3 g |
Mueller Hinton II Broth medium | Solarbio | NO.11865 | 100 g |
Petri dishes | Bkman | B-SLPYM90-15 | Plastic Petri dishes, circular, 90 mm x 15 mm |
Potassium Chloride | VETEC | WXBC4493V | 0.2 g |
Potassium Dihydrogen Phosphate | aladdin | 04-11-7758 | 0.24 g |
Sodium chloride | Macklin | S805275 | 8.0 g |
Sodium phosphate dibasic | aladdin | 7558-79-4 | 1.44 g |
Terrific Broth medium | Solarbio | LA2520 | 200 g |
Kits/ Equipment | |||
Anaerobic incubator | Longyue | ||
Biochemical incubator | Blue pard | LRH-70 | |
Microplate reader | Spark | ||
Tanon 5200multi imaging system | Tanon | 5200CE | |
Thermostatic water bath | Jinghong | DK-S28 |
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